§ 80. Види випромінювань. Джерела світла

Світло - Це потік електромагнітних хвиль з довжиною хвилі 4 • 10 -7 -8 • 10 -7 м. Електромагнітні хвилі випромінюються при прискореному русі заряджених частинок. Ці заряджені частинки входять до складу атомів, у тому числі складається речовина. Але, не знаючи, як улаштований атом, нічого достовірного про механізм випромінювання сказати не можна. Зрозуміло, що всередині атома немає світла так само, як у струні рояля немає звуку. Подібно до струни, яка починає звучати тільки після удару молоточка, атоми можуть «народжувати» світло тільки після їх збудження.

Для того, щоб атом почав випромінювати, йому необхідно передати певну енергію. Випромінюючи, атом втрачає отриману енергію і для безперервного світіння речовини необхідний приплив енергії до атомів ззовні.

Теплове випромінювання. Найпростіший і найпоширеніший вид випромінювання - це теплове випромінювання, при якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються за рахунок енергії теплового руху атомів (або молекул) випромінюючого тіла. Теплове випромінювання - Це випромінювання нагрітих тіл. Що температура тіла, то швидше рухаються у ньому атоми. При зіткненні швидких атомів (або молекул) одна з одною частина їх кінетичної енергії йде на збудження атомів, які потім випромінюють світло і переходять у збуджений стан.

Тепловими джерелами випромінювання є, наприклад, Сонце та звичайна лампа розжарювання. Лампа дуже зручне, але малоекономічне джерело світла. Лише близько 12% всієї енергії, що виділяється в нитки лампи електричним струмом, перетворюється на енергію світла. Нарешті, тепловим джерелом світла є полум'я.Крупинки сажі (частки палива, що не встигли згоріти) розжарюються за рахунок енергії, що виділяється при згорянні палива, і випромінюють світло.

Електролюмінесценція. Енергія, необхідна атомам для випромінювання світла, може надходити з нетеплових джерел. При розряді у газах електричне поле повідомляє електронам велику кінетичну енергію. Швидкі електрони відчувають непружні зіткнення з атомами. Частина кінетичної енергії електронів йде на збудження атомів. Порушені атоми віддають енергію у вигляді світлових хвиль. Внаслідок цього розряд у газі супроводжується світінням. Це електролюмінесценція.

Північне сяйво - також прояв електролюмінесценції. Потоки заряджених частинок, випромінюваних Сонцем, захоплюються магнітним полем Землі. Вони збуджують у магнітних полюсів Землі атоми верхніх шарів атмосфери, через що ці шари світяться. Явище електролюмінесценції використовується у трубках для рекламних написів.

Катодолюмінесценція. Світіння твердих тіл, викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодолюмінесценцією. Завдяки катодолюмінесценції світяться екрани електронно-променевих трубок телевізора.

Хемілюмінесценція. При деяких хімічних реакціях, що з виділенням енергії, частина цієї енергії безпосередньо витрачається на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (він має температуру навколишнього середовища). Це явище називається хемілюмінесценцією. Майже кожен з вас, мабуть, знайомий з ним. Влітку в лісі можна вночі побачити комаху - світлячку. На тілі у нього "горить" маленький зелений "ліхтарик". Ви не обпечете пальців, спіймавши світлячка. Пляшечка, що світиться, на його спинці має майже ту ж температуру, що і навколишнє повітря.Властивістю світитися мають й інші живі організми: бактерії, комахи, багато риб, що мешкають на великій глибині. Нерідко світяться в темряві шматочки дерева, що гниє.

Фотолюмінесценція. Падаючий на речовину світло частково відбивається і частково поглинається. Енергія світла, що поглинається, в більшості випадків викликає лише нагрівання тіл. Однак деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під дією випромінювання, що падає на них. Це і є фотолюмінесценція. Світло збуджує атоми речовини (збільшує їхню внутрішню енергію), і після цього вони висвічуються самі. Наприклад, фарби, що світяться, якими покривають ялинкові іграшки, випромінюють світло після їх опромінення.

Випромінюваний при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшу довжину хвилі, ніж світло, що збуджує свічення. Це можна спостерігати експериментально. Якщо направити на посудину з флюоресцеїном (органічний барвник) світловий пучок, пропущений через фіолетовий світлофільтр, то ця рідина починає світитися зелено-жовтим світлом, тобто світлом з більшою довжиною хвилі, ніж у фіолетового світла.

Явище фотолюмінесценції широко використовується у лампах денного світла. Радянський фізик С. І. Вавілов запропонував покривати внутрішню поверхню розрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитися під дією короткохвильового випромінювання газового розряду. Лампи денного світла приблизно в 3-4 рази економічніші за звичайні лампи розжарювання.

З перерахованих основних видів випромінювань найпоширеніше теплове випромінювання.

Запитання до параграфу

1. Які джерела світла ви знаєте?

2. Які види випромінювань діяли на вас минулої доби?

Джерела світла: види, основні характеристики та сфери застосування

Світло (з латинської lucis) або видиме світло є частиною спектра електромагнітного випромінювання, яке сприймається людським оком. Елементарною одиницею світла є фотон. Елементарні частинки мають певну довгу хвилю, яка залежить від джерела світла, яке їх породило. Фотон підпорядковується законам квантової механіки й у різних фізичних умовах може проявляти себе або частинка, або хвиля.

Історична еволюція приладів для освітлення

Перші джерела видимого електромагнітного випромінювання, які використовувало людство для своїх потреб, були засновані на спалюванні пального рослинного палива (дерево) або тваринного походження (сало і жир). Стародавні греки та римляни вперше почали використовувати глиняні та бронзові судини, в які поміщали горючі речовини. Ці судини стали прабатьками сучасних ламп. Наприкінці XVIII століття швейцарський хімік Аргант винайшов лампу з ґнотом, в якій як паливо використовувався гас. Наприкінці ХІХ століття Едісон запатентував електричну лампу розжарювання. Після цього винаходу і завдяки швидкій динаміці розвитку індустрії починає з'являтися безліч інших електричних джерел випромінювання.

Фізика джерел світла

Спектр випромінювання, який бачить око людини, лежить у межі довжин хвиль фотонів від 400 нм до 700 нм. Джерелом світла є фізичний процес, що відбувається у атомі речовини. Атом внаслідок будь-якої дії може отримати енергію ззовні, частину цієї енергії він передає своїй електронній підсистемі. Енергетичні рівні електрона в атомі є дискретними, тобто кожному із цих рівнів відповідає конкретна величина.Завдяки отриманій ззовні енергії деякі електрони атома можуть перейти на енергетичні рівні вищого порядку, у цьому випадку можна говорити про збуджений електронний стан. У цьому стані електрони виявляються нестійкими та знову переходять на рівні з меншою енергією. Цей процес супроводжується випромінюванням фотонів, яке є світлом, яке ми сприймаємо.

Термічне випромінювання

Процес термічного випромінювання є фізичним процесом, у якому електронна підсистема порушується з допомогою передачі їй кінетичної енергії від ядер атомів. Якщо будь-який об'єкт, наприклад металеву пластину, піддати нагрівання до високих температур, він почне світитися. Спочатку видиме світло матиме червоний колір, оскільки ця частина видимого спектра є найменш енергетичною. При збільшенні температури металу він випромінюватиме біло-жовте світло. Зазначимо, що при нагріванні металу він спочатку починає випромінювати інфрачервоні промені, які людина не здатна бачити, але відчуває їх у вигляді тепла.

Люмінесцентне випромінювання

1. Поглинання електронною підсистемою енергії та перехід цієї підсистеми у збуджений енергетичний стан.



2. Випромінювання у світловому діапазоні, пов'язане з поверненням електронної підсистеми в основний енергетичний стан.

Якщо обидва етапи відбуваються в часовому інтервалі в кілька секунд, процес називається флуоресценцією, наприклад, випромінювання екрана телевізора після його вимкнення є флуоресцентним. Якщо ж обидва етапи процесу випромінювання відбуваються протягом декількох годин і довше, то таке випромінювання називається фосфоресценцією, наприклад, годинник, що світиться, в темній кімнаті.

Класифікація світлових джерел

Всі джерела видимого для людського ока електромагнітного випромінювання залежно від його походження можна поділити на великі групи:

1. Природні джерела. Вони випромінюють електромагнітні хвилі завдяки природним фізичним та хімічним процесам, наприклад природними джерелами світла є зірки, світлячки та інші. Вони можуть бути об'єктами як живої, і неживої природи.



2. Штучні джерела світла. Вони зобов'язані своїм походженням людині, оскільки є її винаходом.

Штучні прилади видимого електромагнітного випромінювання

У свою чергу штучні джерела бувають наступних типів:

• Лампи розжарювання. Вони випромінюють світло завдяки розігріву металевої нитки розжарювання до температури кількох тисяч градусів. Сама нитка розжарювання знаходиться в герметичній скляній посудині, яка заповнена інертним газом, що запобігає процесу окислення нитки.



• Галогенові лампи. Є новим еволюційним ступенем ламп розжарювання, в яких до інертного газу, в якому знаходиться металева нитка розжарювання, додається галогеновий газ, наприклад, йод або бром. Цей газ набирає хімічної рівноваги з металом нитки, яким є вольфрам, і дозволяє продовжити термін служби лампи. Замість скляного корпусу в галогенових лампах використовують кварц, який витримує вищі температури, ніж скло.



• Газорозрядні лампи. Цей вид джерел світла створює видиме електромагнітне випромінювання за рахунок електричних розрядів, що виникають у суміші газів та парів металу.



• Флуоресцентні лампи. Ці електричні джерела світла створюють випромінювання за рахунок флуоресцентного покриття внутрішньої сторони корпусу лампи, яке збуджується ультрафіолетовим випромінюванням електричного розряду.



• Джерела LED (від англ. Light Emitting Diode). Цей вид джерел світла є діодними джерелами електромагнітного випромінювання. Вони відрізняються простотою пристрою та тривалим терміном дії. Також їх перевагами перед іншими електричними джерелами світла є низька потужність споживання і практично повна відсутність теплового випромінювання.

Пряме та непряме випромінювання

Прямими джерелами світла є прилади, природні тіла та організми, які можуть самостійно випромінювати електромагнітні хвилі у видимому спектрі. До прямих джерел відносяться зірки, температура яких досягає десятків і сотень тисяч градусів, вогонь, лампа розжарювання, а також сучасні прилади, наприклад, плазмовий телевізор або рідкокристалічний монітор комп'ютера, який виробляє випромінювання, індуковане мікро електричним розрядом.

Іншим прикладом прямих природних джерел світла є тварини, які мають біолюмінесценцію. Випромінювання у разі виникає як наслідок хімічних процесів, які у організмі істот. До них відносяться світлячки та деякі жителі морських глибин.

Непрямі джерела світла є тіла, які випромінюють самостійно світло, але здатні його відбивати. При цьому відбиваюча здатність кожного тіла залежить від його хімічного складу та фізичного стану. Непрямі джерела святяться завдяки тому, що знаходяться під впливом електромагнітного випромінювання прямих джерел. Якщо непряме джерело не акумулює світлову енергію, то при припиненні впливу світла на нього перестає бути видимим.

Приклади непрямого випромінювання

Традиційним прикладом джерел світла цього є супутник Землі - Місяць. Це небесне тіло відбивається сонячними променями, які падають на неї. Завдяки процесу відображення ми можемо бачити, як сам Місяць, так і навколишні предмети вночі в місячному світлі. З тієї ж причини видно телескоп планети сонячної системи, і навіть наша планета - Земля (якщо дивитися неї з космосу).

Ще одним прикладом об'єкта непрямого випромінювання, що відбиває промені від джерела світла, є сама людина. Загалом будь-який предмет є джерелом непрямого випромінювання за винятком чорної діри. Гравітаційне поле чорних дірок настільки сильне, що навіть світло не може вибратися з нього.

Основні характеристики приладів

Основними характеристиками джерел світла є:

• Світловий потік. Фізична величина, яка характеризує кількість світла, що випускається джерелом за одну секунду в усіх напрямках. Одиницею виміру світлового потоку є люмен.



• Інтенсивність випромінювання. У деяких випадках виникає необхідність знання розподілу світлового потоку навколо його джерела. Саме цей розподіл описує дана характеристика, яка вимірюється в канделах.



• Освітленість. Вимірюється в люксах і є відношенням світлового потоку до освітлюваної ним площі. Ця характеристика є важливою для комфортного виконання певних видів робіт. Наприклад, за міжнародними нормами освітленість на кухні має бути близько 200 люкс, а для навчання вже потрібні 500 люкс.



• Ефективність випромінювання.Є важливою характеристикою будь-якої електричної лампи, оскільки вона описує відношення світлового потоку, створюваного даним приладом, до споживаної ним потужності.



• Індекс кольору Вказує на те, наскільки точно лампа відтворює кольори.



• Така, світло з переважаючими червоно-жовтими кольорами вважається теплим і має колірну температуру менше 3000 К, холодне світло має сині кольори і характеризується колірною температурою вище 6000 К.

Застосування штучних джерел видимого випромінювання

Кожне штучне джерело електромагнітного випромінювання певного типу використовується людиною в тій чи іншій сфері діяльності.

• Лампи розжарювання продовжують залишатися основними джерелами освітлення приміщень завдяки їх низькій ціні та хорошому індексу перенесення кольорів. Однак ці лампи поступово витісняються галогеновими.



• Галогенові лампи замислювалися як електроприлади, які мали підвищити ефективність ламп розжарювання, замінивши їх.



• Флуоресцентні джерела світла застосовуються головним чином для освітлення офісів та інших службових приміщень завдяки своєму розмаїттю форм та випромінюванню розсіяного та рівномірного світла.

Важливість природного світла здоров'ю людини

Для всіх організмів, що мешкають на планеті Земля, обертання нашої планети та періодичність дня та ночі є важливими процесами для нормальної життєдіяльності та перебігу біологічного циклу. Більше того, щоб бути здоровими, більшість живих істот потребують прямого сонячного випромінювання.

Якщо говорити про людину, то нестача сонячного світла призводить до розвитку депресії, а також до нестачі вітаміну D, оскільки отримана людиною засмага дозволяє організму засвоювати цей вітамін із більшою легкістю.

Результати одного дослідження продемонстрували, що достатнє перебування людини під прямим сонячним промінням дозволяє знизити та полегшити деякі симптоми певних захворювань. Зокрема пов'язані з депресією проблеми повністю або частково зникали у 20% пацієнтів. Природно, що тільки сонячне світло не є ліками проти депресії, проте воно є невід'ємною частиною комплексного лікування.