92 подписчика

Как работает свет. Часть 4

7 мая 20207 мая 2020

3 мин

Производство фотона

Существует много различных способов получения фотонов, но все они используют для этого один и тот же механизм внутри атома. Этот механизм включает в себя энергию электронов, вращающихся вокруг ядра каждого атома. То, как работает ядерное излучение, описывает протоны, нейтроны и электроны в некоторых деталях. Например, у атомов водорода есть один электрон, вращающийся вокруг ядра. Атомы гелия имеют два электрона, вращающихся вокруг ядра. Атомы алюминия имеют 13 электронов, вращающихся вокруг ядра. Каждый атом имеет предпочтительное число электронов, замыкающихся вокруг его ядра.

Электроны кружат вокруг ядра на фиксированных орбитах - упрощенный способ думать об этом - представить, как спутники обращаются к Земле. Огромное количество теории вокруг электронных орбит, но чтобы понять свет, есть только один ключевой факт, который нужно понять: Электрон имеет естественную орбиту, которую он занимает, но если вы заряжаете атом энергией, вы можете переместить его электроны на более высокие орбиты. Фотон производится всякий раз, когда электрон на более высокой орбите падает обратно на свою нормальную орбиту. Во время падения с высокой энергии на нормальную, электрон испускает фотон - пакет энергии - с очень специфическими характеристиками. У фотона есть частота, или цвет, который точно соответствует расстоянию, на которое падает электрон.

Вы можете увидеть это явление достаточно ясно в газоразрядных лампах. Люминесцентные лампы, неоновые знаки и натриево-паровые лампы являются распространенными примерами такого электрического освещения, которое проходит электрический ток через газ, чтобы сделать газоразрядный свет. Цвета газоразрядных ламп широко варьируются в зависимости от характеристик газа и конструкции лампы.

Например, вдоль шоссе и на парковках, вы часто видите пары натрия огни. Вы можете отличить пары натрия, потому что он действительно желтый, когда вы смотрите на него. Свет натрия возбуждает атомы натрия для генерации фотонов. У атома натрия 11 электронов, и из-за того, как они уложены на орбите, один из этих электронов, скорее всего, будет принимать и излучать энергию. Энергетические пакеты, которые этот электрон, скорее всего, будет испускать, падают прямо вокруг длины волны 590 нанометров. Эта длина волны соответствует желтому свету. Если вы пропустите натриевый свет через призму, вы не увидите радугу - вы увидите пару желтых линий.

Биолюминесценция: Как организмы освещают вещи

Другой способ получения фотонов, известный как хемилюминесценция, связан с химическими реакциями. Когда эти реакции происходят в живых организмах, таких как бактерии, светлячки, кальмары и глубоководные рыбы, этот процесс называется биолюминесценцией. Для получения света требуется как минимум два химических вещества. Химики используют общий термин люциферин для обозначения того, который производит свет. Они используют термин люцифераза для описания фермента, который управляет или катализирует реакцию.

Основная реакция следует простой последовательности. Во-первых, люцифераза катализирует окисление люциферина. Другими словами, люциферин химически соединяется с кислородом для получения оксилюциферина. Реакция также производит свет, обычно в синей или зеленой области спектра. Иногда люциферин связывается с катализирующим белком и кислородом в большой структуре, известной как фотопротеин. Когда к фотопротеину добавляют ион, обычно кальций, он окисляет люциферин, в результате чего получается светлый и неактивный оксилюциферин.

В морских организмах синий свет, получаемый при биолюминесценции, наиболее полезен, поскольку длина волны света, около 470 нанометров, пропускается в воде гораздо дальше. Кроме того, у большинства организмов в органах зрения нет пигментов, которые позволяли бы им видеть длинные (желтый, красный) или короткие (индиго, ультрафиолетовый) волны. Одно из исключений можно найти в семействе рыб Malacosteid, также известном как рыба с ослабленными челюстями. Эти животные могут как излучать красный свет, так и обнаруживать его, когда другие организмы не могут этого сделать.

Далее мы разогреем вещи с помощью накаливания