Як називається одиниця виміру сили світла У чому вимірюється сила світла

Частка чи хвиля?

На початку ХХ століття вчених спантеличувала поведінка квантів світла – фотонів. З одного боку, інтерференція та дифракція говорили про їхню хвильову сутність. Отже, світло характеризували такі властивості, як частота, довжина хвилі та амплітуда. З іншого боку, досліди Лебедєва переконали наукову спільноту, що фотони передають поверхням імпульс. Це було б неможливо, не маючи частки масою. Таким чином, фізикам довелося визнати: електромагнітне випромінювання одночасно хвиля, і матеріальний об'єкт.

Енергія фотона

Як довів Ейнштейн, маса є енергія. Цей факт доводить наше центральне світило, Сонце. Термоядерна реакція перетворює масу сильно стисненого газу чисту енергію. Але як визначити потужність випромінювання, що випускається? Чому вранці, наприклад, сила світла сонця нижча, ніж опівдні? Описані у попередньому параграфі характеристики пов'язані між собою конкретними співвідношеннями. І всі вони вказують на енергію, що несе електромагнітне випромінювання. Ця величина змінюється у більшу сторону при:

зменшенні довжини хвилі;
зростанні частоти.

У чому полягає енергія електромагнітного випромінювання?

Фотон відрізняється від інших частинок. Його маса і, отже, енергія існують, тільки доки він рухається крізь простір. При зіткненні з перешкодою квант світла підвищує його внутрішню енергію або надає кінетичний момент. Але сам фотон у своїй перестає існувати. Залежно від того, що саме є перешкодою, відбуваються різні зміни.

Якщо перешкода – тверде тіло, то найчастіше світло нагріває її.Також можливі такі сценарії: фотон змінює напрямок руху, стимулює хімічну реакцію або змушує один з електронів покинути свою орбіту і перейти в інший стан (фотоефект).
Якщо перешкода – єдина молекула, наприклад, з розрідженої хмари газу у відкритому космосі, то фотон змушує її зв'язки коливатися сильніше.
Якщо перешкода – масивне тіло (наприклад, зірка чи навіть галактика), то світло спотворюється і змінює напрямок руху. На цьому ефекті ґрунтується можливість «зазирнути» в далеке минуле космосу.

Наука та людяність

Наукові дані часто здаються чимось абстрактним, нездатним до життя. Відбувається це і з характеристиками світла. Якщо йдеться про експеримент чи вимір випромінювання зірок, вченим потрібно знати абсолютні величини (вони називають фотометричними). Ці поняття, як правило, виражаються в термінах енергії та потужності. Нагадаємо, під потужністю мається на увазі швидкість зміни енергії в одиницю часу, і загалом вона показує кількість роботи, яку може виконувати система. Але людина обмежена здатність відчувати реальність. Наприклад, шкіра відчуває тепло, але око не бачить фотон інфрачервоного випромінювання. Та сама проблема і з одиницями сили світла: потужність, яку випромінювання демонструє насправді, відрізняється від потужності, яку здатне сприймати людське око.

Спектральна чутливість людського ока

Нагадуємо, що мова нижче піде про усереднені показники. Всі люди різні. Деякі взагалі не сприймають окремі кольори (дальтоніки). Для інших культура кольору не збігається із загальноприйнятою науковою точкою зору. Наприклад, японці не розрізняють зелений та блакитний, а англійці – блакитний та синій. У цих мовахрізні кольори позначаються одним словом.

Одиниця сили світла залежить від спектральної чутливості середнього ока. Максимум денного світла посідає фотон з довжиною хвилі 555 нанометрів. Це означає, що при світлі сонця людина найкраще бачить зелений колір. Максимум нічного зору – це фотон із довжиною хвилі 507 нанометрів. Отже, за Місяцем люди краще бачать блакитні об'єкти. У сутінках все залежить від освітлення: чим воно краще, тим більше «зеленим» стає максимум кольору, який людина сприймає.

Будова людського ока

Майже завжди, коли йдеться про зір, ми говоримо, що бачить око. Це неправильне твердження, бо насамперед сприймає мозок. Око – це лише інструмент, який передає інформацію про світловий потік до головного комп'ютера. І, як і будь-який інструмент, вся система сприйняття кольорів має свої обмеження.

У сітківці людини є два різних типи клітин – колбочки та палички. Перші відповідають за денний зір та краще сприймають кольори. Другі надають нічний зір, завдяки паличкам людина розрізняє світло та тінь. Але вони погано сприймають кольори. Палички також чутливіші до рухів. Саме тому, якщо людина йде освітленим місяцем парком або лісом, він помічає кожне погойдування гілок, кожен зітхання вітру.

Еволюційна причина такого поділу проста: ми маємо одне сонце. Місяць світить відбитим світлом, отже, її спектр не сильно відрізняється від спектра центрального світила. Тому день ділиться на дві частини – освітлену та темну. Якби люди жили в системі двох чи трьох зірок, то наш зір, можливо, мав би більше компонентів, кожен із яких був пристосований до спектру одного світила.

Слід сказати, на нашій планеті єістоти, чий зір відрізняється від людської. Пустельні мешканці, наприклад, очима вловлюють інфрачервоне світло. Деякі риби бачать ближній ультрафіолет, оскільки це випромінювання проникає в товщу води найглибше. Наші домашні вихованці кішки та собаки інакше сприймають кольори, і їх спектр урізаний: вони краще пристосовані до світлотіні.

Але й люди різні, як ми вже згадували вище. Деякі представники людства бачать ближнє інфрачервоне світло. Не можна сказати, що їм були б не потрібні тепловізори, але вони здатні сприймати трохи червоніші відтінки, ніж більшість. В інших розвинена ультрафіолетова частина спектра. Такий випадок описується, наприклад, у фільмі «Планета Ка-Пекс». Головний герой стверджує, що він прибув із іншої зіркової системи. Обстеження виявило в нього здатність бачити ультрафіолетове випромінювання.

Чи доводить це, що Прот – інопланетянин? Ні. Деяким людям це під силу. До того ж ближній ультрафіолет прилягає до видимого спектру. Не дивно, що хтось сприймає трохи більше. А ось Супермен точно не з Землі: рентгенівський спектр дуже далекий від видимого, щоб такий зір можна було пояснити з людської точки зору.

Абсолютна та відносні одиниці для визначення світлового потоку

Перерахування та зіставлення абсолютних та відносних величин

Щоб зрозуміти, у чому вимірюється сила світла, необхідно зіставити «абсолютні» та «людські» значення. Справа наводяться поняття суто фізичні. Зліва розташовуються величини, на які вони перетворюються при проходженні крізь систему людського ока.

Сила випромінювання стає силою світла. Поняття вимірюються у канделах.
Енергетична яскравість перетворюється на яскравість. Величинивиражаються у канделах на квадратний метр.

Особливості поняття «кандела»

Трохи вище ми згадували цей термін. Також ми пояснили, чому одним і тим самим словом називають зовсім різні поняття фізики, пов'язані з потужністю електромагнітного випромінювання. Отже, одиниця виміру сили світла називається «кандела». Але чому вона дорівнює? Одна кандела - це сила світла у відомому напрямку від джерела, що випромінює строго монохроматичне випромінювання з частотою 5,4 * 1014, причому енергетична сила джерела в цьому напрямку дорівнює 1/683 Ватт в одиницю тілесного кута. Перевести частоту в довжину хвилі читач цілком може сам, дуже легка формула. Підкажемо: результат лежить у видимій ділянці.

Одиниця виміру сили світла зветься «кандела» неспроста. Ті, хто знає англійську мову, пам'ятають, що candle – це свічка. Раніше багато сфер людської діяльності вимірювалися в природних параметрах, наприклад, кінських силах, міліметрах ртутного стовпа. Тож не дивно, що одиниця виміру сили світла – це кандела, одна свічка. Тільки свічка це дуже своєрідна: зі строго заданою довжиною хвилі, і виробляє конкретне число фотонів на секунду.