§ 80. Виды излучений. Источники света

Определения и обозначения

Источник света — тело, испускающее видимое излучение. Оно создаёт свет само, в отличие от стены или Луны, которые становятся видимыми главным образом благодаря отражению падающего света. Это различие помогает правильно определять, какие тела являются источниками.

Тепловое излучение — излучение, возникающее вследствие нагревания тела. При нагревании частицы вещества движутся интенсивнее и излучают электромагнитные волны, а спектр этого излучения зависит от температуры. Поэтому по изменению свечения можно судить о нагреве, но не всякое излучение обязательно видно глазом.

Люминесценция — свечение, не обусловленное только нагреванием тела. Энергия для него может поступать от света, электрического разряда, потока частиц или химической реакции. Понятие объединяет разные способы свечения, которые позволяют получать свет без сильного нагрева.

Фотолюминесценция — люминесценция, возникающая при поглощении веществом света. Поглощённая энергия возбуждает частицы вещества, после чего часть энергии может испуститься в виде света. Этот термин нужен, чтобы отличать свечение после освещения от свечения, вызванного другими процессами.

Как это устроено

Видимое свечение возникает, когда вещество испускает свет, который попадает в глаз. Если тело не излучает видимый свет, но отражает лучи от лампы или Солнца, оно всё равно будет заметно, однако источником света не станет. Поэтому при классификации тел нужно выяснить, откуда к наблюдателю пришёл свет: от самого тела или после отражения.

При нагревании частицы вещества получают больше энергии и начинают интенсивнее взаимодействовать. Эти процессы сопровождаются излучением электромагнитных волн, а распределение энергии по длинам волн зависит от температуры. С ростом температуры обычно возрастает интенсивность излучения и меняется его спектральный состав, поэтому тело может сначала излучать преимущественно невидимый свет, а затем начать заметно светиться. Следовательно, нагретое тело излучает не только видимые лучи: в его спектре могут быть и невидимые области.

Люминесценция отличается тем, что для свечения не требуется сильный нагрев. Энергию веществу передают другие процессы, которые возбуждают его частицы; затем часть этой энергии испускается в виде света. Например, свечение может возникнуть под действием света, электрического разряда или химической реакции. Так объясняется, почему некоторые вещества и живые организмы светятся при сравнительно низкой температуре.

Виды люминесценции различают по способу передачи энергии. При фотолюминесценции вещество поглощает свет, при электролюминесценции его свечение связано с электрическим полем или разрядом, а при катодолюминесценции — с воздействием потока электронов. При хемилюминесценции свет сопровождает химическую реакцию. Такое разделение связывает наблюдаемое свечение с причиной, которая его вызвала, а не просто с яркостью или цветом.

Источники света бывают природными и искусственными, а механизмы их свечения различаются. Солнце и звёзды излучают благодаря происходящим внутри них физическим процессам, а лампа накаливания — потому, что электрический ток нагревает её нить. В газоразрядных источниках свечение возникает в газе при электрическом разряде; в люминесцентных лампах излучение разряда вызывает свечение специального покрытия. Выбор механизма влияет на устройство источника и на то, как он используется для освещения.

Виды излучения и источники света

Пользуйся таблицей, чтобы сначала установить, откуда поступает энергия, а затем назвать механизм свечения. Один источник может сочетать несколько процессов: в люминесцентной лампе разряд возбуждает газ, а излучение газа вызывает свечение покрытия. Поэтому примеры показывают основной механизм, но не всегда описывают все этапы работы прибора.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какие из перечисленных тел являются источниками света: Солнце, Луна, зажжённая свеча, освещённая стена. Нужно проверить, испускает ли каждое тело собственный видимый свет. Сам факт, что объект виден, ещё не означает, что он является источником.

1. Солнце испускает свет, который достигает Земли, поэтому это источник света.
2. Луна видна главным образом из-за отражения солнечного света, а стена — из-за отражения света, падающего на неё. Ни Луну, ни стену в данном случае не относим к источникам собственного видимого света.
3. Пламя зажжённой свечи испускает видимое излучение, значит, свеча является источником.

Ответ: источники света — Солнце и зажжённая свеча; Луна и освещённая стена отражают свет. Проверка основана на том, кто создал свет, попавший в глаз наблюдателя. При этом свеча может одновременно освещать другие предметы.

Задача 2. Распределить лампу накаливания, светлячка и люминесцентную лампу по видам излучения. Для каждого примера выясним, каким способом энергия поступает к веществу, которое светится. Не нужно считать все источники электрическими только потому, что два из них связаны с лампами.

1. В лампе накаливания ток нагревает нить, поэтому её видимое свечение относят к тепловому излучению.
2. Свечение светлячка связано с химической реакцией в организме, поэтому это хемилюминесценция.
3. В люминесцентной лампе электрический разряд создаёт излучение, которое возбуждает люминофор — вещество покрытия. Его свечение является фотолюминесценцией, вызванной поглощённым излучением.

Ответ: лампа накаливания — тепловое излучение, светлячок — хемилюминесценция, люминесцентная лампа — фотолюминесценция покрытия под действием излучения разряда. Последний пример показывает, что в одном источнике могут последовательно участвовать разные процессы. Энергия сначала поступает через электричество, а покрытие испускает свет после поглощения излучения.

Задача 3. Два тела светятся одинаково ярко: одно сильно нагрето, другое почти не нагрето. Объяснить, почему первое свечение относят к тепловому, а второе может быть люминесценцией. Яркость сама по себе не сообщает, каким способом получена энергия.

1. У сильно нагретого тела свечение связано с нагреванием, поэтому его относят к тепловому излучению.
2. У почти ненагретого тела нужно искать иной источник энергии: например, поглощённый свет, электрический разряд или химическую реакцию.
3. Если свечение вызвано одним из таких процессов, а не нагреванием, его относят к люминесценции. Одинаковая яркость не отменяет различия причин.

Ответ: первое тело светится из-за высокой температуры, а второе может испускать свет вследствие люминесценции. Чтобы сделать вывод, нужно узнать, как передаётся энергия, а не сравнивать только яркость. Без сведений о механизме свечения для второго тела нельзя выбрать конкретный вид люминесценции.

Типичные ошибки

Ошибка — считать Луну источником собственного видимого света. Её можно допустить, потому что Луна ярко выделяется на ночном небе, но яркость объясняется главным образом отражением солнечного излучения. Проверь себя вопросом: продолжала бы Луна так же светиться, если бы на неё не падал свет Солнца?

Ошибка — отождествлять любое свечение с тепловым излучением. Часто ярко светящиеся тела действительно горячие, поэтому кажется, что нагрев — единственная причина свечения. Однако люминесценция возможна без сильного нагрева; для проверки нужно установить, вызван ли свет высокой температурой или другим способом передачи энергии.

Ошибка — считать люминесценцию одним конкретным процессом. Название относится к целой группе явлений, а виды группы различаются тем, как вещество получает энергию. Если известен механизм, назови его: например, поглощение света соответствует фотолюминесценции, а химическая реакция — хемилюминесценции.

Ошибка — полагать, что нагретое тело излучает только видимый свет. Это впечатление возникает потому, что мы замечаем глазами лишь видимую часть спектра, а невидимое излучение не воспринимаем. Проверка проста: учитывай, что спектр зависит от температуры и может включать невидимые области электромагнитного излучения.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в теме, нужно знать, что свет переносит энергию и может испускаться, поглощаться и отражаться веществом. Тепловое излучение связывает оптику с тепловыми явлениями: температура влияет на энергию частиц и спектр излучения. Представление об электромагнитном спектре помогает понять, почему излучение нагретого тела не ограничено видимым светом. Различия между источниками света пригодятся при изучении оптических приборов и освещения, а связь света с энергией — при знакомстве с квантовыми свойствами света.

Что запомнить

• Источник света испускает свет, а освещённое тело может только отражать его.
• Нагретые тела испускают тепловое излучение.
• Спектр теплового излучения зависит от температуры тела.
• Люминесценция не сводится к свечению вследствие нагрева.
• Вид люминесценции определяют по способу передачи энергии веществу.
• Природные и искусственные источники могут светиться благодаря разным физическим процессам.