Как возникает свет и цвет

Свет излучается многими объектами материального мира, будь то звезда, горящая древесина или лампа. Природа света двояка, он и волна и частица. Свет, излученный одним объектом, перемещается в пространстве и поглощается другими. Так что же заставляет материю порождать свет, как возникает световое излучение? Все дело во входящих в состав атомов электронах, их энергии и электронных уровнях.

В строении атома выделяют электронные уровни. Чем ближе уровень к ядру атома, тем меньше на нем может располагаться электронов и меньше их энергия. Объяснить, почему близкие к ядру электроны обладают меньшей энергией можно так. Ядро заряжено положительно, а электрон – отрицательно. Они притягиваются друг к другу. Чтобы оттащить электрон от ядра, нужна какая-то дополнительная энергия, которая даст электрону силу отойди от ядра дальше.

Чем положительный заряд ядра больше, тем больше его притягивающая сила и тем больше у атома электронов, которые из-за своего количества вынуждены располагаться по разным уровням, так как не могут вместиться на одном. Дальние будут обладать большей энергией по умолчанию как данность. Однако при поступлении энергии из вне электрон может перескочить на более дальний чужой для него уровень. Говорят, что электрон переходит в возбужденное состояние.

Однако электрон и ядро все равно будут стремиться сблизиться, и если есть свободное место на электронном уровне ближе к ядру, электрон туда вернется и окажется в своем основном состоянии. При этом дополнительная энергия окажется ненужной, она будет "выброшена" из атома.

Электроны могут находиться в возбужденном состоянии всего одну сотую миллисекунды (10^-8 секунды). Когда электрон возвращается в свое основное состояние, то выделяет энергию, и эта энергия выделяется в форме частицы и волны света. Таким образом, свет возникает как энергия, высвобождаемая электроном. Частицы света называют фотонами, а также квантами.

Поскольку в атоме разные электронные уровни обладают разной энергией, то энергия излучается разная, в зависимости от того, с какого уровня соскакивал электрон. Следовательно, свет не единообразен по своей природе, существуют различные по энергии фотоны и соответствующие им разные длины волн света.

Итак, свет порождают электроны, которые выделяют энергию при переходе на более низкие энергетические уровни.

Причины, по-которым электроны возбуждаются, бывают разными. Это может быть высокая температура или поглощение дошедшего до них кванта света. Температура возникает из-за того, что в веществе атомы и молекулы начинают колебаться. Чтобы заставить их колебаться, также необходимо поступление энергии извне. Но какова ее природа, нас сейчас не интересует. Главное, что при дрожании атомов их электроны могут переходить на более высокие электронные уровни.

При оптическом, а не термическом, возбуждении электрон поднимается на уровень выше под действием кванта света. При этом энергия этого кванта должна быть точно равна разности энергий между двумя состояниями электрона. Поэтому произойдет оптическое возбуждение электрона или нет, зависит от природы света, то есть длины его волны.

Наш глаз воспринимает свет с той или иной длинной волны как определенный цвет. Однако мы воспринимаем не все длины волн. В радуге – видимом для нас спектре – длины волн уменьшаются от красного к фиолетовому. Энергия же квантов света увеличивается от красного к фиолетовому. Таким образом, чем меньше длина волны света, тем больше в нем энергии.

Не зря так опасен ультрафиолетовый свет, который мы уже не видим, и который находится за фиолетовым. Он обладает большой разрушительной для живых клеток энергией. С другой стороны, инфракрасный свет лежит до красного. Мы воспринимаем такой свет как тепло.

Белый свет по своей природе – смесь цветов радуги. Он раскладывается на составляющие при прохождении сквозь призму, так как разные длины волн идут через нее с разной скоростью, в результате чего возникает преломление света. У каждого цвета оно свое: фиолетовый преломляется сильнее всего, красный – меньше всего. Другими словами, цвет возникает в результате разложения белого света.

Связь света с энергией электрона обуславливает так называемые спектры поглощения и излучения различных атомов. Зная их, можно понять, из каких атомов состоит то или иное тело. Например, анализ спектров используется для определения химического состава удаленных звезд.

В атомах определенного химического элемента обычно возбуждаются не все электроны, а только определенные. Для этого требуется свет определенной длины волны, обладающий конкретной энергией, а не любой. Если пропустить белый свет сначала через призму, чтобы он разложился в спектр, а затем через прозрачное вещество (например, водород), то в видимом спектре появятся черные полосы. Свет определенных длин волн исчезнет, так как будет "поглощен" электронами, способными прыгнуть на более высокий энергетический уровень.

Однако электроны быстро возвращаются к своему основному состоянию. Освобождающиеся при этом кванты рассеиваются в разных направления. Однако если собрать излученный свет и пропустить через призму, мы увидим поглощенные ранее цвета.

Таким образом, собрав спектры излучения звезд и сравнивая их со спектрами поглощения или излучения разных атомов, можно определять химический состав небесных тел.