Что такое на самом деле белый свет?

Я изучал спектры и вдруг возник вопрос, касающийся спектров поглощения. Когда мы говорим, что электрон поглощает определенные длины волн (фотоны), мы подразумеваем, что белый свет представляет собой набор бесконечных фотонов с множеством длин волн, и электрон просто поглощает его.

Мой вопрос в том, что такое белый свет и чем он отличается от монохроматического. Это мешок бесконечных фотонов с разными длинами волн или это один фотон? Если это одиночный фотон, то как электрон может поглощать фотон из одного фотона, и при этом фотон продолжает существовать с другими длинами волн?

Ответы (6)

В вопросе некоторая путаница терминов.

  1. Фотон — элементарная частица в стандартной модели физики элементарных частиц, см. табл. Его масса равна нулю, это точечная частица, а энергия равна час * ν , где час постоянная Планка, ν это частота классической электромагнитной волны, света, которая возникает из-за большого количества таких фотонов. Что касается фотона, то термин «частота» не имеет другого значения для обозначения его энергии.

  2. электрон также является точечной частицей в той же таблице с фиксированной инвариантной массой 0,51099895 МэВ, которая является инвариантной. Ни в коем случае свободный электрон не может поглотить фотон, фотон может рассеяться на электроне , и его энергия станет меньше. Поглощение фотонов может происходить только при рассеянии фотонов со связанными электронами на энергетических уровнях, в атомах, молекулах и решетках. Это весь атом, который поглощает фотон, электрон меняет энергетические уровни из-за поглощения. Энергетические уровни имеют ширину, и это отражается в способности атомов поглощать фотоны с Δ ( Е ) энергии, ширина которой напрямую связана с частотой света множества фотонов.

  3. Цвета спектра не совпадают с цветами, определяемыми нашими глазами. Спектр кристалла имеет определенные частоты, которые мы назвали цветом , который мы видим, и там есть однозначное соответствие, частота цвету. Обратите внимание, что в спектре нет «белого»:

видимый спектр

Но наши глаза могут видеть те же самые цвета с комбинацией световых частот , называемых цветовосприятием:

колорперк

Цвет, воспринимаемый в точке Т, происходит от комбинации частот, и множество различных пар дают один и тот же воспринимаемый цвет. Белый цвет на этом графике находится вокруг ахроматической точки. Пожалуйста, прочитайте ссылку для деталей.

Таким образом, белый цвет не является цветом в спектре видимого света, многие частоты могут составлять восприятие белого цвета, а это означает, что фотоны с большим разбросом энергий составляют белый цвет.

Это мешок бесконечных фотонов разных длин волн?

На рисунке показано, как частоты комбинируются, чтобы дать восприятие белого цвета. Нужно много фотонов, чтобы наши глаза смогли их воспринять, но даже несколько сотен могут дать сигнал в мозг, эта ссылка может вас заинтересовать.

или это один фотон.

Один фотон не может дать восприятие белого цвета.

Надеюсь это поможет.

Редактировать: Поскольку комментарии могут исчезнуть, если их слишком много, я копирую здесь важный комментарий @PhysicsTeacher:

но следует отметить, что, говоря в целом о «белом свете», часто имеют в виду свет, который в значительной степени содержит весь спектр, а не просто комбинацию нескольких частот. Это связано с тем, что контекст часто связан с освещением, а освещение со странной и крошечной комбинацией частот приведет к искаженным, «искусственным» цветам, а не к «настоящим» цветам (т.е. цветам, видимым при дневном свете). –

Ваш ответ заставил меня понять, что вся суета о том, что розовый не является реальным (спектральным) цветом, (должна быть) омрачена тем фактом, что белый тоже не является!
@Майкл, на самом деле, все цвета, которые вы видите, настоящие. Но существует понятие «ненастоящих» цветов — невозможных цветов .
«Один фотон не может дать восприятие белого». — это не совсем так. Некоторые колбочки (на самом деле, более половины популяции) в сетчатке генерируют ахроматические восприятия, несмотря на обычную спектральную чувствительность, см., например, эту статью .
Спасибо за этот действительно хороший ответ. До сих пор я никогда не понимал эту диаграмму восприятия цвета.
@anna v, в своем комментарии к рисунку вы говорите, что «Комбинация трех пар, описанных на рисунке, дает восприятие белого цвета». Если я ничего не упускаю, эти три пары дают восприятие цвета Т, который не белый, а светло-зеленый...
@Ruslan, если вы читали ссылку, которую я дал последней, она все еще находится в стадии исследования, может ли один фотон возбудить достаточно колбочек, чтобы дать вспышку, не говоря уже о цветовом восприятии. Ссылка, которую вы даете, говорит о «вспышках света», свет сотни тысяч фотонов.
Я бы дважды проголосовал за это, если бы мог, это действительно помогло мне понять фотоны и восприятие цвета. Учитывая, что я работаю в сфере кодирования видео, последнее очень важно!
Ключевым моментом является то, что есть много способов получить белый цвет. Большинство белых светодиодов сочетают синий светодиод с желтым люминофором, поэтому вам даже не нужны все 3 основных цвета RGB.
@MarkRansom Наконец-то я думаю, что это то, что показывает график для белого света, поэтому я редактировал в последний раз. тройки являются предметом иллюстрации.
Извините, если мой комментарий прозвучал как критика, это было не так - скорее, это было предназначено для поддержки вашей точки зрения. Существует бесконечное количество комбинаций длин волн, которые кажутся нам «белыми», и диаграммы, которые мы используем для интерпретации цвета, иногда могут скрыть этот факт.
@MarkRansom не волнуйтесь, мы согласны :). Я получил отрицательный голос за ночь (только проснулся), и я подумал, что ваш комментарий был связан с моим ошибочным, до редактирования, заявлением о том, что, как и в случае с точкой T в цветных секциях, для белого цвета также потребуются три строки, затем я перечитал ссылку и увидел, что двух будет достаточно для ахроматической (белой) области.
@Vorbis, пожалуйста, посмотрите мое редактирование, для белой области достаточно двух строк, что я понял, перечитав ссылку. T для хроматических областей, E - центр ахроматической области.
Я вынужден с вами не согласиться, вы говорите, что у фотонов нет массы, это верно только в том случае, если бы фотоны были статическими, это правда, что у них нет массы покоя, но нет статических фотонов; У фотонов есть энергия, и, согласно теории относительности, энергия — это масса, поэтому масса фотонов равна E/c^2 и hf/c^2, какой бы малой она ни была...
@XeнεiΞэнвϵς ​​Вы не правы в своих мнениях, фотоны основного потока физики имеют нулевую массу и подчиняются четырехвекторной алгебре, их энергия равна импульсу в системе отсчета c=1 hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Relativ/vec4 . HTML .
Так это уравнение: E=m*c^2, неверно, так как ему не соответствуют фотоны?
это верно только в системе покоя центра масс массивной частицы. Частицы с нулевой массой не имеют системы покоя, так как они всегда движутся со скоростью c. . Частица, движущаяся со скоростью, близкой к скорости света, обладает инерционной массой в соответствии с Е − м с 2 , релятивистская масса, которая является функцией скорости, поэтому больше не используется при изучении частиц. Единственная реальная польза была бы для космических кораблей, летящих со скоростью, близкой к скорости света, чтобы увидеть, сколько дополнительного топлива им потребуется, чтобы двигаться быстрее.
Отличный ответ, но следует отметить, что, говоря в целом о «белом свете», часто имеют в виду свет, который в значительной степени содержит весь спектр, а не просто комбинацию нескольких частот. Это связано с тем, что контекст часто связан с освещением, а освещение со странной и крошечной комбинацией частот приведет к искаженным, «искусственным» цветам, а не к «настоящим» цветам (т.е. цветам, видимым при дневном свете).
@PhysicsTeacher концепция, о которой вы говорите, называется Metamerism . У производителей лампочек есть измерение, называемое индексом цветопередачи, которое пытается количественно оценить эффект, но оно не идеально. Я настаиваю на использовании ламп накаливания для освещения изображений продуктов, потому что они излучают настоящий белый свет, хотя их становится все труднее и труднее найти.

Очень важно понимать, что белый цвет – это не спектральный цвет, а воспринимаемый цвет. Почему?

введите описание изображения здесь

Белый не является спектральным цветом. Это воспринимаемый цвет. Человеческий глаз имеет три вида цветовых рецепторов, обычно называемых красным, зеленым и синим. В спектре нет точки, которую можно было бы обозначить как «белую». Белый — это смесь цветов, так что наши глаза и мозг не могут различить, какой из красных, зеленых или синих является победителем.

Сколько красного, синего и зеленого в белом свете?

В спектре нет точки, которую можно было бы назвать белой. Белый воспринимается нашим мозгом как белый цвет, состоящий из комбинации различных цветов, воспринимаемых рецепторами нашего глаза. Принято считать, что существует три различных типа колбочек для красного, зеленого и синего цветов. В действительности, эти колбочки воспринимают фотоны короткого (с пиком на 445 нм, мы называем его синим), среднего (с пиком на 535 нм, мы называем его зеленым) и длинноволнового диапазона (с пиком на 575 нм, мы называем его красным) фотонов.

Эти рецепторы имеют диапазон чувствительности, который достигает пика на этих длинах волн, но они чувствительны почти во всем видимом спектре.

введите описание изображения здесь

Очень важно, что может быть множество различных комбинаций фотонов (разной длины волны), которые могут дать восприятие белого цвета. Именно наш мозг объединяет эти сигналы, поступающие от рецепторов, в восприятие белого цвета, и мы не можем различить, как достигается это сочетание, все они будут производить восприятие белого цвета.

Да, фотон сам по себе может находиться в квантовой суперпозиции разных частот, которую можно назвать «белой». Нет, такой фотон, вероятно, не может быть произведен простым естественным процессом. Нет, такой фотон не будет выглядеть белым, потому что при измерении суперпозиция разрушается, давая только одну частоту. (Возможно, только одна из ваших колбочек может сработать в ответ, если предположить, что любая из них вообще сработает.) Однако совокупность многих таких фотонов в совокупности будет выглядеть белой.

Существует ли один белый фотон?

Теперь вы спрашиваете об одном фотоне, но один фотон не может создать восприятие белого, потому что вам нужно несколько фотонов с определенными разными длинами волн, чтобы создать восприятие белого в нашем мозгу. Обратите внимание, однако, что отдельный фотон является сущностью КМ, и одиночный фотон может находиться в суперпозиции состояний, так что его можно интерпретировать как комбинацию цветов, которые могут создать белый цвет, но как одиночный фотон. фотон взаимодействует с колбочками в глазу, его суперпозиция коллапсирует в собственное состояние с одной длиной волны и, таким образом, не может создать восприятие белого цвета.

Хорошая графика о чувствительности глаз. Откуда оно?
@HolgerFiedler большое спасибо! sciencedirect.com/topics/engineering/human-color-vision
@aschepler спасибо, я отредактировал.
Спасибо, что указали на важность восприятия. Интересно отметить исключительную гибкость нашего мозга в адаптации восприятия белого цвета. Если вы посмотрите на белый лист бумаги в пасмурный день и при свете свечи, вы будете воспринимать его как белый в обоих случаях, хотя спектральный выходной сигнал будет сильно различаться.
@MarkRansom Я рад, что смог помочь.

На первый взгляд, на этот вопрос есть тривиальный ответ: белый свет — это свет, содержащий примерно однородную смесь фотонов всех видимых длин волн. Свет может казаться белым, когда он имеет неоднородную смесь длин волн, которые возбуждают три цветовых рецептора в сетчатке человека так же, как и однородная смесь.

ОДНАКО этот ответ не отвечает на вопрос, который, кажется, действительно задает ОП: «Может ли фотон быть« белым »или он должен быть только с одной длиной волны?»

На самом деле волновая функция любого фотона имеет конечную ширину спектра. Правильно сконструированный источник света может производить фотоны с очень большой шириной спектра, охватывающей весь видимый спектр. Если измерить длину волны любого одного такого фотона, конечно, будет получена только одна длина волны; но повторные измерения позволят получить длины волн, охватывающие весь спектр источника. Поглощение фотона атомом или молекулой эквивалентно измерению фотона.

Какова ширина спектра фотонов, испускаемых Солнцем? Это в основном узкополосные фотоны смешанных частот или широкополосные однородные «белые» фотоны?
@Prof.Legolasov может это ответитьhttps://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight#Composition_and_power
@Prof.Legolasov К сожалению, невозможно измерить ширину спектра одного фотона Солнца или любого другого источника. Спектральные ширины волновых функций большого числа одинаково испускаемых источником фотонов могут быть определены статистически.
@ S.McGrew Мне трудно поверить, что измерение солнечного света в принципе невозможно. Даже если это невозможно на практике, мы должны быть в состоянии предсказать это с помощью астрофизики.
@Prof.Legolasov Свет, который мы получаем от Солнца, — это в основном излучение черного тела, а излучение черного тела — это не набор «белых» фотонов. Такое распределение имело бы низкую энтропию, поскольку все фотоны находились бы в одном и том же квантовом состоянии, тогда как излучение черного тела имеет высокую энтропию.
@BrianBi, тем не менее, должен быть способ охарактеризовать ширину отдельных фотонов или, по крайней мере, распределение ширины
@Prof.Legolasov Я думаю, что на этом сайте есть люди, которые знают свойства излучения абсолютно черного тела. Я не знаю ничего, кроме того, что я сказал в своем предыдущем комментарии. Ваш вопрос привлечет больше внимания, если вы опубликуете его как новый вопрос.
Осмелюсь сказать, что фраза «любой фотон имеет конечную ширину спектра» если не просто неверна, то, по крайней мере, больше сбивает с толку, чем помогает. Фотоны не содержат информации о том, как они были созданы, в каком-либо осмысленном (измеримом) смысле. Это просто возбуждения электромагнитного поля. Спектральная неопределенность возникает из-за определенных свойств рассматриваемой системы в целом, а не из-за каких-то отдельных фотонов.
@leftaroundabout, Мое утверждение состояло в том, что * волновая функция любого фотона имеет конечную спектральную ширину», а не сам фотон (если только «фотон» не относится к волновой функции фотона). Существует целый увлекательный и поучительный разговор, который можно вести вокруг этой концепции. Если хотите, мы можем продолжить в чате.
Самый популярный способ выразить понятие фотона состоит в том, что это возбуждение электромагнитной моды. Это подразумевает одну частоту. Я знаю, что существуют выражения фотона , допускающие распределение частот, но они обычно не используются и не так полезны, как одночастотное выражение.
Довольно легко провести эксперимент, который показывает, что фотоны имеют конечную ширину спектра, например, провести однофотонную интерферометрию, в которой относительные длины пути варьируются. Например, если волновая функция одиночного фотона является монохроматической, его пространственная протяженность вдоль его пути должна быть бесконечной, но на самом деле эксперимент просто даст результат, который отражает временную когерентность (которая, по сути, является обратной величиной полосы пропускания) источника. .
@garyp Предпочтительная основа, а? Для меня единичное возбуждение означает, что a+ применяется к вакууму, и что a+ может быть любой нетривиальной линейной комбинацией произвольного числа других операторов рождения. На самом деле не могут существовать именно монохроматические возбуждения, ибо они ненормируемы!
@TheVee Тогда Е "=" час ν ¯ ? Как может а + доставить часть энергии, необходимой для восполнения энергии фотона? Что происходит, когда белый свет взаимодействует с изолированным атомом? один конкретный а − действует тот, что при переходе энергии? Что происходит со всеми остальными режимами. Если вы рассматриваете ансамбль, я мог бы понять лучше. у меня в голове такое а + повышает возбуждение моды на час ν , а режим монохроматичен по определению. Мы не должны обсуждать это здесь, но если вы можете указать мне на ресурс, я был бы признателен.
Имейте в виду, что волновая функция представляет собой распределение вероятностей. Если детектор (например, атом) находится на пути волновой функции широкого спектра, и детектор чувствителен только к очень узкому частотному диапазону, вероятность того, что он обнаружит фотон, зависит от части спектра волновой функции, которая попадает в этот диапазон.
@garyp E является наблюдаемым. Это придет с распределением вероятностей. Как и любая другая наблюдаемая в квантовой механике, но, в отличие от многих других примеров, E не имеет дискретного спектра, поэтому в действительности она никогда не может иметь точного значения (собственных векторов). При взаимодействии с веществом, например, при поглощении, может произойти коллапс волновой функции, так что может наблюдаться, казалось бы, «точная» энергия, но ничто не мешает ей иметь сколь угодно широкую статистику, как прекрасно резюмирует комментарий С. МакГрю ниже моего.
На самом деле, нет ничего такого, что не было бы сказано ни в одном учебнике по МК, если вы принимаете точку зрения, что Е "=" час ю является отношением между наблюдаемыми, а не классическими числами.

Здесь есть небольшая проблема с определением или ситуацией. Белый свет МОЖЕТ быть равномерным распределением видимых частот, но может и не быть. С точки зрения восприятия белый свет представляет собой смесь частот, которые стимулируют колбочки зрительной системы человека таким образом, что они производят ощущение, которое мы называем «белым».

В отличие от других ответов, эта смесь не обязательно должна быть однородной смесью частот. Если у вас есть хорошее* увеличительное стекло, посмотрите на белую область на экране компьютера. Вы увидите, что он состоит из крошечных красных, зеленых и синих точек, без каких-либо других спектральных цветов.

Это также вопрос восприятия. Если вам когда-нибудь приходилось фотографировать снежный пейзаж на закате, вы, наверное, замечали, что то, что вы видите как белый снег, камера воспринимает как красновато-оранжевый. Мозг подстраивает (в определенных пределах) то, что вы видите, к тому, что вы ожидаете увидеть — белый снег.

* Должен быть хорошим или старым дисплеем с низким шагом точек. С моим дисплеем и настольной лупой едва ли можно разобрать точки.

Осмелюсь сказать, что физический смысл «белого света» требует всех частот.
@ user253751: Но это просто лингвистическое сокращение для «равномерно распределенного по всем (видимым?) Частотам». Действительно, если мы рассматриваем солнечный свет как белый свет, он неравномерно распределяется в видимом диапазоне света, будучи более интенсивным в синем, чем в красном цвете: Fondriest.com/environmental-measurements/parameters/weather/…
На самом деле достаточно иметь две спектральные линии (и ничего больше) в спектре, чтобы увидеть свет белым. Например 571 н м и 460 н м (или около них) в соответствующих пропорциях.
@Руслан: Интересно. Я думал, что потребуется как минимум три, по одному на каждый тип колбочек. Хотя если свет достаточно тусклый, чтобы активировать только палочки, он всегда воспринимается как белый. Что просто показывает, что физика и восприятие совершенно разные.
Просто посмотрите на диаграмму цветности. Выберите белую точку (например, D65, как для sRGB) и проведите через нее прямую линию, стараясь не пересекать линию пурпурных (у вас еще будет место для выбора наклона). Вы получите два пересечения этой линии с границей гаммы, которые представляют собой две длины волны, необходимые для достижения выбранной точки белого. Тогда остается только взвесить мощности источников света, чтобы переместить смесь вдоль линии для достижения точки белого.
@Руслан, возможно, вам будет интересно узнать, как работает большинство белых светодиодов. Синий светодиод покрыт люминофором, который поглощает часть синего и излучает желтый. Теперь желтый не является одной частотой, но он сбалансирован, чтобы дополнять синий. И разные рецептуры дадут разные точки белого, поэтому существуют светодиоды как с теплым, так и с холодным белым светом.
@MarkRansom да, я это хорошо знаю, спасибо :)

Белый свет может быть результатом комбинации различных монохроматических источников, например, используемых на экранах телевизоров.

Но это, по моему мнению, не означает, что весь белый свет получается из такого смешения. Это всего лишь уловка, чтобы получить какой-то сенсорный эффект, поскольку реальное движение моделируется последовательностями изображений в фильмах.

Солнечный свет возникает в результате хаотического движения зарядов ионизированных Н и Не на поверхности Солнца. То, что плоские электромагнитные волны, приходящие на землю, производят в наших глазах ощущение «белизны».

Цвета возникают в результате взаимодействия этого света с веществом (дифракционные решетки, призмы или просто выбранное поглощение материальными поверхностями).

Ваше главное замешательство, похоже, заключается в том, является ли «белизна» свойством конкретного фотона или их набора, и ответ на этот вопрос состоит в том, что это свойство набора фотонов. Однако вы противопоставляете один фотон бесконечному числу фотонов. Хотя количество фотонов, испускаемых типичным источником света, огромно (например, за одну секунду обычная лампочка излучает в миллиард раз больше фотонов, чем людей на Земле), оно не бесконечно.

Что касается вашего буквального названия вопроса, свет, будучи «белым», является скорее биологическим, чем физическим. Когда свет описывается как «белый», это относится к тому, что он имеет распределение длин волн, которое люди воспринимают как «белый». А человеческое восприятие «белого» зависит от контекста; человеческий мозг на самом деле имеет тенденцию «нормализовать» окружающий свет до белого, так что вы сможете распознать, что один и тот же объект имеет «один и тот же» цвет независимо от источника света. «Белый» свет обычно относится к «равномерному» распределению света, но точное определение «равномерного» зависит от контекста. При работе с источниками света, которые можно разумно смоделировать как излучение черного тела, «белый» часто определяется как соответствующий определенному диапазону температур. (Может показаться странным говорить, что белый свет — это свет, исходящий от излучения черного тела, но это уже другой вопрос.)

Что такое на самом деле белый свет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v