Фотоны света

Так какой же свет лучше?

Хороший вопрос! Лучший свет – тот, который вы понимаете и умеете использовать себе и своим снимкам на благо. Свет – это физическая основа фотографии, и он же – её художественная основа. Учитесь видеть свет, анализировать его, сопоставлять его с вашей творческой идеей и модифицировать его в соответствии с ней, а если это невозможно, то не стесняться менять объект съёмки и даже всё ваше съёмочное расписание в соответствии с доступным светом. Любой вид освещения в той или иной степени обладает фотографическим потенциалом, разница лишь в области, где он может быть использован удачно, да в удобстве его использования. Чем выше уровень мастерства фотографа, тем шире его творческий кругозор. Хороший фотограф с одной стороны более разборчив в выборе оптимального освещения, а с другой – лучше справляется с трудностями, которые создаёт освещение неоптимальное.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Съемка портретов

Окружающее освещение — это лишь дополнительная опция для фотографа и неважно какой он искусственный или естественный

Слева: f / 2,8, ISO 1000, 1/100 объектив 24–70 мм. (Свет от окна) Справа: f / 4, ISO 400, 1/125-я (со вспышкой вне камеры)

 При съемке портретов окружающий свет может быть солнечным светом, проникающим через окно. Чтобы сделать такой снимок, фотографу понадобится только камера. Однако на помощь могут прийти такие аксессуары как отражатель, рассеиватель, а также и рулонный фон если стена не соответствует вашей задумке.

Слева: f / 2,8, ISO 1000, 1/100 объектив 24–70 мм (Свет от окна).  Справа: f / 4, ISO 400, 1/125-я со вспышкой вне камеры

И наоборот, фотограф может вообще не использовать окружающий свет, а использовать только электронные вспышки как источники света.

Солнечный свет от окон обычно не настолько интенсивный (хотя это будет зависеть от размера окон и положения солнца). Но как правило, в помещении он не такой интенсивный, как электронные вспышки, поэтому если вы не хотите, чтобы он был в кадре, зачастую нет необходимости его блокировать (закрывать шторы). Свет вспышки способен подавить (сделать невидимым для камеры) естественный свет из окон или же оставить его незначительную часть там, где это нужно. Результат зависит от настроек, фотокамеры и вспышек, используемых фотографом.

Изображения слева выше были сняты с использованием естественного света, поступающего из окна, но рассеянного при помощи рассеивающей панели (панель можно заменить, повесив на окно тюль), а также был использован отражатель для усиления теней. Изображения справа были сняты с использованием электронной вспышки в софтбоксе. Мои стандартные настройки для портретных снимков: f / 2,8 — f / 4, ISO 200 — ISO 400, выдержка 1/100 — 1/160.

Физика явления

Измерение углов падения и преломления луча света

Построение преломлённой волны с помощью принципа Гюйгенса — Френеля

Преломление волновых фронтов на поверхности раздела двух сред

Преломление наблюдается, когда фазовые скорости электромагнитных волн в контактирующих средах различаются. В этом случае полное значение скорости волны должно быть разным по разные стороны границы раздела сред. Однако если проследить движение, например, гребня волны вдоль границы раздела — то соответствующая скорость должна быть одинаковой для обеих «половинок» волны (поскольку при пересечении границы максимум волны остается максимумом, и наоборот; то есть можно говорить о синхронизации падающей и прошедшей волны во всех точках границы, см. верхний рисунок). Из простого геометрического построения получаем, что скорость движения точки пересечения гребня $ v_\alpha\,\! $ с линией, наклонённой к направлению распространения волны под углом $ \alpha\,\! $, будет равна $ v_\alpha = v / \sin \alpha\,\! $, где $ v\,\! $ — скорость распространения волны.

Это ясно из того, что, пока гребень волны пройдёт в направлении своего распространения (то есть перпендикулярно гребню) расстояние, равное катету треугольника, точка пересечения гребня с границей пройдёт расстояние, равное гипотенузе, а отношение этих расстояний, равное синусу угла, и есть отношение скоростей.

Тогда, приравняв скорости вдоль границы раздела для падающей и прошедшей волн, получим $ v_1 / \sin \alpha = v_2 / \sin \beta\,\! $, что эквивалентно закону Снелла, поскольку показатель преломления определяется как отношение скорости электромагнитного излучения в вакууме к скорости электромагнитного излучения в среде: $ n_1 = c / v_1,~n_2 = c / v_2\,\! $.

В итоге на границе раздела двух сред наблюдается преломление луча, качественно состоящее в том, что углы к нормали к границе раздела сред для падающего и преломлённого луча отличаются друг от друга, то есть ход луча вместо прямого становится ломаным — луч преломляется.

Заметим, что практически тождественным способом вывода закона Снелла является построение прошедшей волны с помощью принципа Гюйгенса — Френеля (см. рисунок).

При движении волны в средах с разными показателями преломления её частота сохраняется, а длина волны изменяется пропорционально скорости.

В изотропной среде для синусоидальной волны, характеризуемой частотой и волновым вектором, перпендикулярным направлению распространения волны, соображения, что составляющая волнового вектора, параллельная границе раздела, должна быть одинаковой до и после прохождения этой границы, приводят к такому же виду закона преломления.

Дополнительно стоит отметить, что волновой вектор фотона равен вектору его импульса, делённому на постоянную Планка, и это дает возможность естественной физической интерпретации закона Снелла как сохранения проекции импульса фотона на пересекаемую им границу раздела сред.

Интенсивность света

Единица измерения света  интенсивность измеряется при обустройстве освещения в комнате либо при подготовке фотоаппарата к съемке. Опытные фотографы и светотехники-профессионалы, пользуются цифровыми экспонометрами, однако можно изготовить и простой прибор с похожим принципом работы своими руками.

Многие аппараты предназначены для отдельного типа освещения. Например, измеряя свечение натриевых ламп, вы добьетесь более точного результата, чем проводя расчеты над лампой накаливания.

Можете установить приложение на смартфон, которое определит интенсивность света. Какими бы хорошими ни были ваш телефон и выбранное приложение, результаты будут искаженными и неточными, поэтому лучше воспользоваться специализированным прибором.

Большинство устройств измеряют показатели освещенности в люксах, так как это общепринятая единица, однако некоторые настроены на отображение фут-кандел.

Если вам неудобен один из этих способов измерения, можете перевести люксы в канделы и наоборот на этом ресурсе:

История теорий света в хронологическом порядке

Античные Греция и Рим

В V веке до н. э., Эмпедокл предположил, что всё в мире состоит из четырёх элементов: огня, воздуха, земли и воды. Он считал, что из этих четырёх элементов, богиня Афродита создала человеческий глаз, и зажгла в нём огонь, свечение которого и делало зрение возможным. Для объяснения факта, что тёмной ночью человек видит не так хорошо, как днём, Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами, идущими из глаз и лучами от светящихся источников, таких, как солнце.

Примерно в 300 году до н. э. Евклидом был написан труд «Оптика», дошедший до наших дней, в котором он исследовал свойства света. Евклид утверждал, что свет распространяется по прямой линии, он изучал законы отражения света и описал их математически. Он выразил сомнение в том, что зрение является следствием исхождения луча из глаза, задаваясь вопросом: как человек, открыв в ночное время глаза, устремлённые в небо, может моментально увидеть звёзды. Проблема решалась только, если скорость луча света, исходящего из человеческого глаза, была бесконечно большой.

В 55 году до н. э. римский писатель Лукреций, продолживший идеи ранних греческих философов-атомистов, в своём сочинении «О природе вещей» писал, что свет и тепло солнца состоят из мельчайших движущихся частиц. Однако общего признания взгляды Лукреция на природу света не получили.

Птолемей (около II века) в своей книге «Оптика» описал преломление света.

Корпускулярная и волновая теории света

Начиная с 17 века научные споры о природе света шли между сторонниками волновой и корпускулярной теорий.

Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции — пленуме. Волновую теорию света разрабатывали Роберт Гук, предположивший и то, что свет является поперечной волной, и Христиан Гюйгенс, давший правильную теорию отражения и преломления света исходя из его волновой природы. По мнению Гюйгенса, световые волны распространяются в особой среде — эфире. Несколько раньше Гримальди открыл интерференцию и дифракцию света, объясняя их с помощью идеи волн, хотя в не слишком ясном и чистом виде, также предположив и связь цвета с волновыми свойствами света.

Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон.

В начале 19 века опыты Томаса Юнга с дифракцией дали убедительные свидетельства в пользу волновой теории. Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны. В то же время опыты Малюса и Био с поляризацией дали, как казалось тогда, убедительные свидетельства в пользу корпускулярной теории и против волновой теории. Но в 1815 году Ампер сообщил Френелю, что поляризацию света можно объяснить и с волновой точки зрения, если предположить, что свет представляет собой поперечные волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в заметке для Академии наук Огюстен Френель.

После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован как электромагнитные волны.

Победа волновой теории пошатнулась в конце XIX века, когда опыты Майкельсона-Морли не обнаружили эфира. Волны нуждаются в существовании среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности.

Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно чёрного тела со своим излучением Максом Планком привело к появлению идеи об излучении света порциями — световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта Эйнштейном показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.

С развитием квантовой механики стало развиваться и понимание того, что вещество (частицы) также имеют волновую природу и во многом подобны свету.

В современной фундаментальной физике (см. например ) свет и «материальные частицы» рассматриваются по сути равноправно — как квантовые поля (хотя и разных типов, имеющих некоторые существенные различия). Корпускулярный (в основном представленный техникой интегралов по траекториям) и волновой подход в современном виде являются скорее разными техническими подходами или представлениями в рамках одной картины.

Закон обратных квадратов

Не лишним будет упомянуть здесь также закон обратных квадратов, с действием которого вы непременно столкнётесь. Звучит он так: интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния от его источника. Это означает, что с увеличением расстояния от источника света в два раза, освещённость какого-либо объекта упадёт вчетверо. Это много – две ступени экспозиции. Наше зрение адаптируется к изменению освещённости, и на глаз разница в две ступени будет не слишком заметна. На фотографии же она станет очевидной.

Представьте, что три человека сидят в комнате при свете настольной лампы. Один из них находится в метре от лампы, другой – в двух метрах, а третий – в трёх. Согласно закону обратных квадратов, второй человек получит в четыре раза, а третий – в девять раз меньше света, чем первый, а, стало быть, сделать хороший групповой портрет без дополнительной подсветки будет трудновато.

Прямой солнечный свет не подпадает под закон обратных квадратов опять же в силу большого расстояния до солнца. Как бы вы не перемещали объект съёмки по поверхности нашей небольшой планеты, изменения в его расстоянии до солнца будут пренебрежимо малы.

Максвелл.

У истоков другого пути поисков природы света лежало открытие Дж.Максвелла, сделанное в 1861 и состоявшее в том, что световые явления связаны с электричеством и магнетизмом. Поначалу эфир рассматривался Максвеллом как сложная механическая система, действие которой проявляется в электрических и магнитных силах, но подчиняется законам механики. На основе уравнений, описывающих этот механизм, Максвелл установил возможность существования электромагнитного поля, способного отделяться от порождающих его зарядов и токов и уже независимо от них распространяться в пространстве с постоянной скоростью 310 745 км/с. Хотя Максвелл не занимался непосредственно построением теории света, совпадение этого числа с величиной скорости света, среднее значение которой по имевшимся тогда данным составляло 311 215 км/с, показалось ему крайне удивительным. (Результаты современных измерений дают 299 792 км/с, что согласуется с расчетами на основе уравнений Максвелла.) 10 декабря 1861 он писал своему другу У.Томсону (впоследствии лорду Кельвину): «Я составлял и решал уравнения, даже не подозревая, что скорость распространения магнитных эффектов может быть близка к скорости света, а потому, думаю, у меня есть основания полагать, что магнитная и светоносная среды идентичны».

Однако самой большой заслугой Максвелла было, пожалуй, то, что он сразу же понял: механическая модель не очень существенна для сделанных выводов. В его более поздней работе эти выводы представлены в их современном виде как соотношения между электрическими и магнитными величинами, остающиеся верными независимо от механического объяснения. Г.Герц показал на опыте, что теория Максвелла количественно верна при описании процессов испускания, распространения и поглощения излучения. Эти открытия сделали задачу сторонников эфира еще более сложной, т.к. теперь им следовало дать объяснение не только явлению света, но и электромагнитным явлениям. См. также ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Заключение

Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь, закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц – фотонов.

Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).