Источники света

Откуда берётся свет? Рассмотрим два вида источников света:

 

  1. Тепловые источники света
  2. Нетепловые источники света

 

Тепловые источники света

Издревле известно, что нагретые тела светятся, причем чем выше температура, тем свечение ярче. Когда не было бесконтактных термометров, металлурги определяли температуру раскаленного металла по цвету каления, который при нагревании постепенно меняется от темно-красного (при температуре 550 оС) до ярко-белого (выше 1300 оС). Температура вольфрамовой нити лампы накаливания около 2000 оС (чем больше мощность лампы, тем выше температура нити).

 

Свечение нагретых тел — это пример теплового излучения. Энергия на это излучение заимствуется из тепловой энергии тела, так что при отсутствии подвода тепла излучающее тело будет остывать.

 

Абсолютно все тела являются источниками теплового излучения. Если тело недостаточно горячее, оно излучает электромагнитные волны в невидимом инфракрасном диапазоне (длина волны для этого диапазона больше 750 нм). Инфракрасное излучение мы ощущаем кожей как тепло. Мощность теплового излучения тела человека около 100 Вт.

 

В XIX веке были исследованы законы теплового излучения. Тепловое излучение имеет непрерывный спектр, то есть в нем присутствуют все длины волн от нуля до бесконечности. Но основная мощность излучается вблизи определенной, наивероятнейшей длины волны, которая обратно пропорциональна абсолютной температуре (закон смещения Вина). Поэтому очень горячие звезды — голубые, при температуре поверхности около 6000 К — желтые (как наше Солнце), а еще более холодные — красные.

 

Полная мощность излучения тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана). Так, если абсолютная температура увеличится в два раза, мощность излучения возрастет в 16 раз.

 

Спектр излучения (зависимость интенсивности излучения от длины волны) имеет характерный вид «горба». Длину волны, на которую приходится максимум излучения, можно рассчитать по формуле (закон смещения Вина): λ = b/T, где b = 2,9-10-3 м/K — постоянная Вина. Рабочая температура нити лампы накаливания бывает от 2200 К до 2900 К, и максимум излучения приходится на длину волны около 1000 нм (инфракрасное излучение). В видимом диапазоне лампа накаливания излучает всего лишь около 2% от полной мощности. Практически вся мощность приходится на инфракрасный диапазон. Так что лампа накаливания не столько светит, сколько греет. Ее достоинство — непрерывный спектр, который наиболее комфортен для глаза.

Зависимость интенсивности излучения от длины волны

При температурах от 4000 К до 7000 К максимум излучения лежит в видимом диапазоне. А чтобы мощность теплового излучения, приходящаяся на весь видимый диапазон, была максимальной, нужна температура около 6000 К, как на поверхности Солнца.

 

Что касается объяснения этих законов теплового излучения, то тут классическая физика потерпела полное фиаско. Собственно, становление новой, квантовой, физики началось именно с попытки теоретически обосновать законы теплового излучения. И произошло это в самом начале ХХ века.

 

Нетепловые источники света

В середине XIX века были изобретены газоразрядные трубки. Если через трубку с разреженным газом пропускать электрический ток (этот процесс называют газовым разрядом), то газ светится. Для каждого газа характерен свой цвет свечения: для неона — оранжево-красный, для паров ртути — сине-фиолетовый... Разноцветные огни рекламы — это, в основном, газоразрядные трубки, наполненные различными газами.

 

Газ в таких трубках нагревается совсем не сильно, то есть это не тепловое излучение, и в спектре такого излучения присутствуют не все длины волн. Атомарные газы излучают лишь несколько избранных длин волн, для каждого газа своих, поэтому при разложении излучения в спектр с помощью призмы мы увидим отдельные линии — такие спектры называют линейчатыми.

 

После 1938 года для освещения общественных зданий стали применять люминесцентные лампы (их еще называли лампами дневного света). В длинную трубку закачивали пары ртути и аргон, а на внутреннюю поверхность трубки наносили специальное вещество — люминофор. Пары ртути испускают невидимое ультрафиолетовое излучение, которое люминофор поглощает, а затем излучает уже собственные длины волн в видимом диапазоне. Это явление называется фотолюминесценцией. Люминофор подбирают такой, чтобы выходящий из лампы свет казался белым.

 

В конце 1980-х на мировом рынке распространились компактные люминесцентные лампы (в нашей стране их называли энергосберегающими). Принцип излучения тот же, только форма трубки спиралевидная. Один из существенных недостатков всех люминесцентных ламп — линейчатость их спектра, вызывающая зрительное утомление. Зато они гораздо экономичнее: лампа мощностью 11 Вт создает такое же освещение, как 75-ваттная лампа накаливания.

 

Почему атомы одноатомных газов излучают лишь строго определенные длины волн? На этот вопрос смогла ответить только квантовая физика.

 

С конца 1990-х на смену люминесцентным лампам пришли светодиодные. Светодиод — это крохотный кристалл полупроводника, в который внесены определенные примеси, так что в одной части кристалла появляются свободные электроны, не участвующие в образовании валентных связей, а в другой части — так называемые дырки: незаполненные валентные связи. При пропускании тока электроны «заполняют» дырки, и при этом излучается свет в определенном диапазоне длин волн. Для понимания работы светодиода опять-таки нужна квантовая физика.

 

Во второй половине ХХ века появились совершенно уникальные квантовые генераторы света — лазеры. Современные лазеры генерируют монохроматическое излучение практически любой длины волны. Лазерные пучки могут быть очень узкими и необычайно мощными; излучение может генерироваться непрерывно, а может сверхкороткими импульсами; лазерный луч используют в качестве медицинского инструмента, а также оружия. И совершенно незаменимы лазеры в научных исследованиях. Лазеры стали одним из самых значимых изобретений ХХ века.

 

Резюмируя, можно сказать: классическая физика не смогла объяснить особенности излучения света различными источниками.