Природа світла. Фотоефект. Презентація з інтегрованого курсу Природничі науки 10 клас

ПРИРОДА СВІТЛА. ФОТОЕФЕКТ.

Світ кольоровий – і це чудово!Найбільше інформації (близько 90%) людина отримує за допомогою зору, близько 9% — з допомогою слуху і тільки 1% — з допомогою інших органів чуття (смаку, запаху і дотику). З давньої епохи, ще до древніх греків, коли, як про це говорить легенда, Аполлон роз’їжджав у вогненній колісниці по небу, і до наших днів, коли вулиці наповнені сяйвом реклам та вогнів, світло зачаровувало людину і, в той самий час, залишалось загадкою. Ніщо в природі не було таким невловимим, жоден з своїх секретів природа не зберігала так ретельно, як таємницю про те, що ж собою насправді являє світло.

Що таке світло?Ісаак Ньютон. Століттями тривали поміж ученими суперечки про природу світла. Світло стало для них одним з «найміцніших горішків», його навіть називали «темною плямою у фізиці»!

1. Розвиток уявлень про природу світла Ідеї давніх філософів. Перші уявлення про природу світла були закладені ще з давніх-давен. Грецький філософ Платон (427–327 рр до н.е.) створив одну з перших теорій світла. Евклід і Арістотель (300–250 рр до н.е.) дослідним шляхом установили такі основні закони оптичних явищ, як прямолінійне поширення світла й незалежність світлових пучків, відбиття й заломлення. Арістотель уперше пояснив сутність зору. Платон. Арістотель. Евклід

1. Розвиток уявлень про природу світла. Корпускулярна теорія світла Ньютона. На XVII століття припадають і перші спроби теоретичного обґрунтування спостережуваних світлових явищ. Корпускулярна теорія світла, розвинена Ньютоном, полягає в тому, що світлове випромінювання розглядається як безперервний потік дрібних частинок — корпускул, які, випущені джерелом світла, з великою швидкістю летять в однорідному середовищі прямолінійно й рівномірно. На основі корпускулярних уявлень Ньютон пояснив більшість відомих тоді оптичних явищ: прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі, відбиття й заломлення світла. Ісаак Ньютон

1. Розвиток уявлень про природу світла. Хвильова теорія світла Гюйгенса. З погляду хвильової теорії світла, основоположником якої є Х. Гюйгенс, світлове випромінювання являє собою хвильовий рух. Світлові хвилі Гюйгенс розглядав як пружні хвилі високої частоти, що поширюються в особливому пружному й густому середовищі — ефірі, який заповнює всі матеріальні тіла, проміжки між ними й міжпланетні простори. Він строго математично описав явище відбиття й заломлення хвиль, причому з його міркувань випливало, що швидкість світла в густішому середовищі повинна бути менше, ніж у повітрі.

2. Основні поняття геометричної оптики Джерела світла - природні тіла або технічні пристрої різної конструкції і різними способами перетворення енергії, основним призначенням яких є отримання світлового випромінювання (як видимого так і з різною довжиною хвилі, наприклад інфрачервоного). У джерелах світла використовується в основному електроенергія, але так само іноді застосовується хімічна енергія і інші способи генерації світла (триболюмінесценція, радіолюмінісценція, біолюмінесценція).

Джерела світла поділяють на: Холодні джерела світла — це тіла, які світяться за температури, наближеної до кімнатної. Теплові джерела світла не тільки освітлюють, але й гріють.

Джерела світла поділяють на: Штучні джерела світла — технічні пристрої різної конструкції і з різними способами перетворення енергії, основним призначенням яких є отримання світлового випромінювання (як видимого, так і з різною довжиною хвилі, наприклад, інфрачервоного). Природні джерела світла являють собою природні матеріальні об'єкти: Сонце, Місяць (лише відбиває світло), Полярні сяйва, світляки, блискавки та інше.

3. ПРИЙМАЧІ СВІТЛА Приймачі світла — пристрої, зміна стану яких під дією потоку оптичного випромінювання служить для виявлення цього випромінювання, його вимірювання, а також для фіксування й аналізу оптичних зображень випромінюючих об'єктів. У приймачі світла енергія оптичного випромінювання перетворюється на інші види енергії. Найважливішим для людини приймачем світла є око. Коли світло потрапляє на сітківку, що встеляє очне дно, воно спричиняє складні реакції, у результаті чого ми бачимо навколишній світ.

Основними поняттями геометричної оптики є пучок і промінь. Промінь — це лінія, що вказує напрямок перенесення світлової енергії. У побуті ми часто називаємо світловим променем тонкий пучок світла. Не існує нескінченно вузьких світлових пучків; пучок світла завжди має кінцеву ширину. Промінь — це ніби вісь пучка, а не сам пучок. На практиці всі джерела світла мають розміри. Світна ж точка є найпростішим джерелом світла, яке може уявити собі людина. Промені світла, що виходять з неї, ніде не перетинаються і являють собою цілком упорядковану світлову картину.

Джерело світла, розмірами якого в даних умовах можна знехтувати, називають точковим джерелом світла. Точкове джерело світла є фізичною моделлю джерела світла, відстань до якого в багато разів більше від розмірів джерела.

4. Закон прямолінійного поширення світла Ще в Давній Месопотамії за 5000 років до нашої ери люди знали про прямолінійне поширення світла. Про це писав ще засновник геометрії Евклід (300 р. до н.е.). У Давньому Єгипті цю властивість світла використовували під час будівництва пірамід. Якщо між оком і яким-небудь джерелом світла помістити непрозорий предмет, то джерело світла ми не побачимо. Пояснюється це тим, що світло в порожнечі або однорідному середовищі поширюється прямолінійно.

Прямолінійність поширення світла підтверджується утворенням тіні. Якщо взяти точкове джерело світла, екран і між ними помістити непрозорий предмет, то на екрані з’явиться темне зображення його обрисів — тінь. Тінь — ділянка простору, у яку не потрапляє світлова енергія від джерела світла (або інакше: ділянка простору, з якої не можна побачити джерело світла). Якщо ж ми візьмемо протяжне джерело світла, то на екрані навколо тіні утворюється ще й півтінь. Півтінь — ділянка простору, у яку світлова енергія від джерела світла потрапляє частково (або інакше: ділянка простору, з якої джерело світла можна побачити лише частково).

5. Швидкість світла У фізиці швидкість світла є однією з фундаментальних констант. Виразити швидкість світла через інші сталі неможливо, її можна тільки виміряти дослідним шляхом. У фізиці такі величини називаються фундаментальними. Швидкість світла є скінченною, граничною та інваріантною щодо різних інерціальних систем відліку. Скінченність швидкості світла доводиться експериментально прямим і непрямим методами.

Прямий спосіб ґрунтується на вимiрюваннi шляху, пройденого світлом, i часу його проходження, тобто . У всіх прямих методах використовується переривання світла, що поширюється від джерела до приймача. В основі непрямого способу лежить уявлення про світло як електромагнітну хвилю. У наш час за допомогою лазерної техніки швидкість світла визначається вимірюванням довжини хвилі й частоти радіовипромінювання незалежними один від одного способами й обчислюється за формулою с = 𝛌 ∙ 𝛎. Астрономічний метод вимірювання швидкості світла. Вперше визначити швидкість світла вдалося датському вченому О. Ремеру 1676 року під час спостереження затемнення одного iз супутників Юпітера - Іо. Через малу точність вимірювань i приблизний радіус орбіти Землі він дістав для швидкості світла значення 215 000км/с. Але відкриття Ремера має величезну цінність, оскільки уперше було показано, що швидкість поширення світла має скінченне значення. Скінченність швидкості світла доводиться експериментально прямим і непрямим методами.

Спектр випромінювання. Спектр випромінювання — це набір монохроматичних хвиль, які випромінює дане тіло. При вимірюванні спектру поглинання тіло опромінюють білим світлом і фіксують частоти променів, які пройшли через нього. Аналогічним чином вимірюється спектр відбиття — фіксуються частоти променів, відбитих тілом.

Спектри випромінювання: Лінійчатий (атомний) спектр дають усі речовини в газуватому атомарному стані, коли випромінюють атоми, що практично не взаємодіють один з одним. Кожний хімічний елемент має свій, тільки йому властивий лінійчатий спектр. Тому за виглядом спектра можна визначити хімічний склад джерела світла. Смугастий (молекулярний) спектр дають не окремі атоми, а слабко сполучені або окремі молекули. За високої температури вони зазнають розпаду, і в спектрі видно лінії атомів усіх елементів певної речовини. Неперервний, або суцільний, спектр незалежно від хімічного складу дають усі сильно нагріті тіла у твердому або рідкому стані, а також сильно стиснуті гази. Випромінювання різних довжин хвиль утворює суцільну смугу спектра.

Спектральний аналіз має широке використання в металургії, хімії, геології, астрофізиці, медицині та біології. За виглядом спектра можна визначити хімічний склад і температуру тіла, за шириною спектральних ліній — його густину. Зміщення ліній у спектрі свідчить про рух тіла 124 вздовж променя зору спостерігача. (Пригадуєте ефект Доплера?) Під час проведення спектрального аналізу користуються спеціальними таблицями або атласами спектральних ліній, у яких наведено точне розміщення ліній спектра кожного хімічного елемента або довжини хвиль, що їм відповідають. За допомогою спектрального аналізу були відкриті нові хімічні елементи — Рубідій і Цезій. Цікава історія відкриття Гелію. Спочатку він був виявлений під час аналізу спектра сонячного випромінювання в 1868 р., звідки й походить його назва (від грец. «геліос» — Сонце), а вже згодом його виявили на Землі. Основні переваги спектрального аналізу — дуже висока чутливість, простота та швидкість проведення.

7. ФОТОЕФЕКТ Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із речовини. Це повне або часткове вивільнення електронів від зв'язків з ядрами атомів речовини внаслідок дії на неї електромагнітного проміння (світла, рентгенівського чи гамма-променів). Фотоефект відкрив Генріх Герц (1857 — 1894, Німеччина), коли проводив досліди з генерування електромагнітних хвиль. Зауважимо, що він відкрив багато фізичних ефектів, більшу частину яких пояснити не зміг. Іронія долі в тому, що під час доведення існування електромагнітних хвиль Герц ненавмисно зробив відкриття, яке першим завдало удару по його хвильовій теорії світла. Суть фотоефекту в тому, що світло може «вибивати» з деяких речовин/ матеріалів електрони.

Види фотоефекту: Зовнішній фотоефект — вибивання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), гамма-випромінювання тощо. Внутрішній фотоефект — збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність)Вентильний фотоефект — збудження світлом електрорушійної сили на межі між металом і напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками

Відкриття явища фотоефекту мало велике значення для ліпшого розуміння природи світла. Та цінність науки полягає не лише в тім, що вона з’ясовує складну та багатогранну будову навколишнього середовища, а й у тім, що наука дає нам засоби, за допомогою яких можна вдосконалювати виробництво, поліпшувати умови матеріального й культурного життя. Широкого практичного використання набули напівпровідникові фотоелементи з внутрішнім фотоефектом — фотоопори (фоторезистори), фотодіоди, сонячні батареї.

Завдяки фотоефекту стала можливою поява цілого ряду цифрової електроніки — фотоапарати, відеокамери, електронні телескопи, мікроскопи.

8. ФОТОБІОЛОГІЯСвітло є одним з найважливіших зовнішніх чинників, що впливає на організми. Вивчає дії світла на організми фотобіологія. Ця наука досліджує фізичні та фізико-хімічні етапи фотобіологічних процесів.

Дії світла на організми: Фотосинтез — синтез молекул органічних речовин за рахунок енергії сонячного світла; Фототаксис — рух організмів до чи від світла (наприклад, бактерії); Фототропізм — повертання листя чи стебла до світла або від нього; Зорове сприйняття — перетворення світлової енергії на енергію нервового імпульсу або в аналогічних фоторецепторах; Дія ультрафіолетових променів (від бактерицидного й терапевтичного ефектів, утворення вітаміну D до мутагенної та канцерогенної дії).

Види фотобіологічних процесів: До позитивних ефектів відносять:  зорове сприйняття ;  фотоперіодизм — регуляцію добових і річних життєвих циклів тварин циклічними впливами «світло-темрява». Процес відбувається під дією видимого світла. У людини та ссавців зорове сприйняття в організмів 128 фотоперіодичним рецептором є очі, у деяких видів птахів — гіпоталамус, у риб — епіфіз, у комах — мозок. Негативні ефекти:1. Фототоксичні — світлові пошкодження шкіри чи очей без алергічних реакцій. Їхні клінічні вияви — еритеми, едеми, пігментації, помутніння кришталика ока тощо. 2. Фотоалергічні ефекти включають у себе первинний імунологічний механізм алергічної сенсибілізаціїРозрізняють позитивні (корисні) та негативні (шкідливі) фотобіологічні процеси.

Ультрафіолетова радіація відіграє вирішальну роль в основному біологічному процесі — фотосинтезі — процесі перетворення світлової енергії на хімічну. Стадії фотобіологічних процесів:  кожний процес починається з поглинання квантів світла молекулоюхроматофором;  частина електронно-збуджених молекул змінюється з утворенням фотопродуктів;  фотопродукти вступають у темнові біохімічні реакції. Оптичне випромінювання широко використовують у медицині:  ультрафіолетове опромінення (опромінення шкіри, крові);  лікування лазером (лазерна хірургія, фотодинамічна терапія, лазерна терапія);  лікування хвороб шкіри.