Свет — это форма электромагнитного излучения, видимая человеческим глазом. Цвет, который мы воспринимаем, зависит от длины волны (или частоты) фотонов, из которых состоит этот свет. Различные длины волн света кажутся нам разными цветами. В этой статье мы рассмотрим, почему фотоны света имеют разные длины волн и, следовательно, выглядят разными цветами.
Свет состоит из дискретных частиц, называемых фотонами. Фотоны — это мельчайшие единицы или «пакеты» света. Они обладают свойствами как волн, так и частиц. Как частицы, они движутся по прямой линии и обладают энергией и импульсом. Как волны, они колеблются с определенной частотой и длиной волны.
Длина волны фотона соответствует цвету света, который мы видим. Видимый спектр света, который могут видеть люди, варьируется от примерно 380 нанометров (фиолетовый) до примерно 740 нанометров (красный). Другие длины волн существуют за пределами видимого спектра, такие как радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Все это формы электромагнитного излучения, которые отличаются только длиной волны.
Ключевым фактором, определяющим длину волны фотона, является количество содержащейся в нем энергии. Фотоны с более высокой энергией имеют более короткие длины волн, в то время как фотоны с более низкой энергией имеют более длинные длины волн.
Энергия фотона прямо пропорциональна его частоте и обратно пропорциональна его длине волны. Эта связь описывается уравнением Планка:
E = hf = frac{hc}{lambda}Где:
Таким образом, фотоны с более высокими частотами имеют большую энергию и более короткие длины волн. Фотоны с более низкой частотой имеют меньшую энергию и большую длину волны.
Что определяет удельную энергию и частоту фотона? Ответ кроется в атомах.
Атомы могут существовать только в определенных разрешенных энергетических уровнях или состояниях. Электроны, связанные с атомами, могут переходить между этими дискретными энергетическими уровнями, поглощая или испуская фотоны.
Электрон может перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий, поглощая фотон с энергией, равной точной разнице между этими уровнями.
И наоборот, электроны также могут опускаться на более низкие энергетические уровни, испуская в процессе фотон. Энергия испускаемого фотона точно соответствует разнице в энергии между уровнями.
Конкретный набор энергий фотонов, которые может испускать атом, уникален для каждого элемента, создавая отличительный спектр излучения.
При нагревании разные атомы излучают разные цвета света на основе этих спектров излучения. Например:
Вот почему неоновые вывески, содержащие разные газы, светятся разными цветами. Излучаемый цвет зависит от энергий, необходимых электронам в этом элементе для перехода между энергетическими уровнями.
Не все переходы энергии электронов в атомах производят фотоны в видимом диапазоне. Некоторые фотоны имеют энергию, соответствующую ультрафиолетовым или инфракрасным длинам волн.
Электромагнитный спектр, упорядоченный по возрастанию энергии фотона и убыванию длины волны, классифицирует все типы электромагнитного излучения.
| Тип излучения | Диапазон длин волн | Диапазон энергий фотонов |
|---|---|---|
| Радиоволны | 1000 мм – 1 мм | 1,24 x 10-6 эВ – 1,24 x 10-3 эВ |
| Микроволны | 100 мм – 1 мм | 1,24 x 10-3 эВ – 1,24 эВ |
| Инфракрасный | 750 нм – 1 мм | 1,24 эВ – 1,7 эВ |
| Видимый свет | 390 нм – 750 нм | 1,7 эВ – 3,1 эВ |
| Ультрафиолет | 10 нм – 390 нм | 3,1 эВ – 124 эВ |
| Рентгеновские лучи | 0,01 нм – 10 нм | 124 эВ – 124 кэВ |
| Гамма-лучи | > 124 кэВ |
Как показано здесь, видимый свет составляет лишь небольшую часть полного электромагнитного спектра. Но это диапазон энергий фотонов, которые наши глаза могут обнаружить как цвет.
Важно понимать, что сами фотоны имеют дискретные количества энергии, заданные их частотой в соответствии с уравнением Планка. Они могут испускаться или поглощаться электронами только в дискретных скачках между разрешенными уровнями энергии в атомах и молекулах.
Это квантование энергии фотона в отдельные пакеты является ключевым аспектом квантово-механической природы света. Хотя свет может действовать как волна, он в своей основе состоит из этих неделимых частиц фотонов.
Установленные уровни энергии в атомах и квантованные энергии испускаемых ими фотонов приводят к появлению отдельных спектральных линий излучения. Возбуждение атома с диапазоном энергий по-прежнему производит фотоны только на определенных длинах волн, соответствующих разрешенным переходам.
Когда фотон поглощается веществом, его энергия может передаваться разными способами:
Способ взаимодействия фотонов зависит как от их энергии, так и от среды и от того, насколько электроны восприимчивы к возбуждению. Фотоны видимого света в основном заставляют электроны переходить между энергетическими уровнями или молекулярными колебаниями и вращениями. Фотоны с более высокой энергией могут выбрасывать, рассеивать или производить электроны.
Подводя итог, можно сказать, что свет поступает в виде дискретных пакетов, называемых фотонами, которые обладают корпускулярно-волновым дуализмом. Длина волны фотона определяет, какой цвет мы его воспринимаем. Длина волны и частота фотона неразрывно связаны с энергией, которую он несет.
Электроны в атомах могут существовать только на определенных разрешенных уровнях энергии, уникальных для каждого элемента. Переходы между этими уровнями приводят к испусканию или поглощению фотонов с энергиями, соответствующими точному изменению энергии. Набор энергий фотонов, испускаемых атомом, дает каждому элементу отличительный набор спектральных линий.
Итак, в конечном итоге, основная причина, по которой свет имеет разные цвета, заключается в квантованной природе фотонов и уровней энергии электронов в атомах, которые определяют разрешенные энергии и частоты света, которые могут быть испущены или поглощены. Понимание этих квантово-механических процессов помогло продвинуть современную физику и наше понимание света за пределы классических объяснений.