Svetlobna zgodovina, narava, vedenje, širjenje

The svetloba Gre za elektromagnetni val, ki ga lahko zajame občutek vida. Je del elektromagnetnega spektra: tistega, ki je znan kot vidna svetloba. Skozi leta so bile predlagane različne teorije za razlago njihove narave.

Na primer, dolgo časa je bilo vzdržno prepričanje, da je svetloba sestavljena iz pretoka delcev, ki jih oddajajo predmeti ali oči opazovalcev. To prepričanje Arabcev in starih Grkov je Isaac Newton (1642-1727) delil, da bi razložil pojave svetlobe.

Slika 1. Nebo je modro, zahvaljujoč razpršenosti sončne svetlobe v ozračju. Vir: Pixabay.

Čeprav je Newton sumil, da ima svetloba valovitih lastnosti, Christian Huygens (1629-1695).

Ob zori tistega stoletja je angleški fizik Thomas Young brez dvoma pokazal, da se lahko svetlobni žarki med seboj motijo, kot to počnejo mehanski valovi na strunah.

To bi lahko pomenilo le, da je svetloba val in ne delček, čeprav nihče ni vedel, kakšen val je do leta 1873, James Clerk Maxwell je dejal, da je luč elektromagnetni val.

S podporo eksperimentalnih rezultatov Heinricha Hertza leta 1887 je bila utečeno naravo svetlobe vzpostavljena kot znanstveno dejstvo.

Toda na začetku 20. stoletja so se pojavili novi dokazi o korpuskularni naravi svetlobe. Ta narava je prisotna v pojavih emisij in absorpcije, v katerih se lahka energija prevaža v paketih, imenovanih "fotoni".

Ker se svetloba širi kot val in sodeluje tako z materijo kot tudi z delcem, je v svetlobi trenutno prepoznana dvojna narava: valovni delček.

[TOC]

Narava svetlobe

Jasno je, da je narava svetlobe dvojna in se širi kot elektromagnetni val, katerega energija prihaja v fotonih.

Ti, ki nimajo mase, se premikajo v vakuumu s konstantno hitrostjo 300.000 km/s. To je dobro znana svetlobna hitrost v vakuumu, vendar lahko svetloba potuje skozi druge medije, čeprav z različnimi hitrostmi.

Ko fotoni dosežejo oči, se aktivirajo senzorji, ki zaznajo prisotnost svetlobe. Informacije se prenašajo v možgane in tam razlagajo.

Ko vir oddaja veliko število fotonov, ga vidimo kot sijajen vir. Če nasprotno oddaja le malo, se razlaga kot neprozoren vir. Vsak foton ima določeno energijo, ki jo možgani razlagajo kot barvo. Na primer, modri fotoni so bolj energični kot rdeči fotoni.

Vsak vir običajno oddaja fotone različnih energij, od tam prihaja barva, s katero se vidi.

Če nič drugega ne oddaja fotonov z eno vrsto energije, se imenuje Monokromatska svetloba. Laser je dober primer enobarvne svetlobe. Končno se imenuje porazdelitev fotonov v viru spekter.

Za val je značilen tudi z določenim valovna dolžina. Kot smo že rekli, svetloba pripada elektromagnetnemu spektru, ki pokriva izjemno širok razpon valovne dolžine, od radijskih valov do gama žarkov. Naslednja slika prikazuje žarek bele svetlobe Trikotna prizma. Svetloba je ločena v dolgih (rdečih) in kratkih valovnih dolžinah (modra).

Tam na sredini je ozek trak valovnih dolžin, znan z imenom vidnega spektra, ki sega od 400 nanometrov (NM) do 700 nm.

Slika 2. Elektromagnetni spekter, ki prikazuje vidno območje svetlobe. Vir: Vir: Wikimedia Commons. Avtor: Horst Frank.

Svetlobno vedenje

Svetloba ima dvojno, valovno in delce, kot je pregledano. Svetloba se širi na enak način kot elektromagnetni val in kot taka lahko prevaža energijo. Ko pa svetloba vpliva na zadevo, se obnaša, kot da gre za delce, imenovan fotoni.

Slika 4. Širjenje elektromagnetnega vala. Vir: Wikimedia Commons. Supermanu [cc by-sa 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0/]].

Leta 1802 je fizik Thomas Young (1773-1829) pokazal, da ima svetloba vedenje UNLANTOVNO Skozi eksperiment z dvojno režo.

Na ta način je lahko ustvaril največ in najmanjše motnje na zaslonu. To vedenje je značilno za valove in tako je Young lahko pokazalo, da je svetloba val in bi lahko tudi izmerila njegovo valovno dolžino.

Drugi vidik svetlobe je delček, Predstavljeni z energijskimi paketi, imenovani fotoni, ki se v vakuumu premikajo s hitrostjo c = 3 x 10⁸ m/s in nimajo mase. Vendar imajo energijo In:

E = Hf

In tudi gibanje velikosti:

Vam lahko služi: Številka toka: kako se izračuna in primeri

 P = e/c

Kje h To je Planckova konstanta, katere vrednost je 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.drugi in F je frekvenca vala. Združevanje teh izrazov:

P = hf/c

In od valovne dolžine λ in frekvenca je povezana s C = λ.F, je ostalo:

P = h/λ → λ = h/p

Huygens načelo

Slika 5. Wave in svetlobni žarki, ki se širijo v ravni črti. Vir: Serway. R. Fizika za znanost in inženiring.

Pri preučevanju vedenja svetlobe je treba upoštevati dva pomembna načela: načelo Huygens in načelo Fermata. Načelo Huygens navaja, da:

Vsaka točka v valovni sprednji strani se obnaša kot poseben vir, ki posledično proizvaja sekundarne sferične valove.

Zakaj sferični valovi? Če predpostavimo, da je medij homogen, se bo svetloba, ki oddaja določen vir. Lahko si predstavljamo, da se svetloba širi sredi velike krogle z enakomerno razporejenimi žarki. Kdor opazi to luč, zazna, da potuje v ravni črti do očesa in se pravokotno premika na sprednji del vala.

Če lahki žarki prihajajo iz zelo oddaljenega vira, na primer sonca, je spredaj valovanje ravna in žarki so vzporedni. To je pristop Geometrijska optika.

Načelo fermata

Fermatovo načelo navaja, da:

Luč strele, ki potuje med dvema točkama, sledi poti, ki jo zahteva minimalni čas.

To načelo svoje ime dolguje francoskemu matematiku Pierreju de Fermatu (1601-1665), ki ga je prvič ustanovil leta 1662.

V skladu s tem načelom se v homogenem mediju svetloba širi s konstantno hitrostjo, zato ima enakomerno pravokotno gibanje in njegova usmeritev je ravna črta.

Širjenje svetlobe

Svetloba se širi kot elektromagnetni val. Električno in magnetno polje se ustvarjata drug drugemu, ki sestavljajo vezane valove, ki so v fazi in so pravokotni drug na drugega in smeri širjenja.

Na splošno je mogoče opisati val, ki se širi v vesolju Valovno spredaj. To je niz točk, ki imajo enako amplitudo in fazo. Če poznate lokacijo valovnega fronta v danem trenutku, lahko poznate katero koli naslednjo lokacijo, v skladu z načelom Huygens.

Difrakcija

Laserski difraktiran s šesterokotno režo. Lienzokian [cc by-sa 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/4.0)]

Utečeno vedenje svetlobe jasno razkrije v dveh pomembnih pojavih, ki nastanejo med njenim širjenjem: difrakcija in motnje. V difrakcija, Valovi, bodisi iz vode, zvoka ali svetlobe, so popačeni, ko gredo skozi odprtine, obkrožajo ovire ali prihranijo kotičke.

Če je odprtina velika v primerjavi z valovno dolžino, popačenje ni zelo veliko, če pa je odprtina majhna, je sprememba valovne oblike bolj pomembna. Difrakcija je ekskluzivna lastnost valov, zato ko svetloba kaže difrakcijo, vemo, da ima valovito vedenje.

Motnje in polarizacija

S svojim delom vmešavanje svetlobe se pojavi, ko se elektromagnetni valovi prekrivajo, ki jih sestavljajo. Pri tem se pridružijo vektorsko in to bi lahko privedlo do dveh vrst motenj:

-Konstruktivno, kadar je intenzivnost nastalega vala večja od intenzivnosti komponent.

-Destruktivno, če je intenzivnost manjša od intenzivne.

Svetlobne motnje valov se pojavijo, ko so valovi enobarvni in ohranjajo isto fazno razliko ves čas. To se imenuje skladnost. Takšna luč lahko na primer prihaja iz laserja. Običajni viri, kot so žarnice z žarilnico.

Če pa neprozoren zaslon z dvema majhnimi in tesnimi odprtinami drug z drugim, svetloba, ki izhaja iz vsake reže.

Končno, ko so nihanja elektromagnetnega polja v isti smeri Polarizacija. Naravna svetloba ni polarizirana, saj jo tvorijo številne komponente in vsaka niha v drugi smeri.

Mladi eksperiment

Na začetku 19. stoletja je angleški fizik Thomas Young prvi pridobil svetlobo, ki je skladna z navadnim svetlobnim virom.

V svojem znamenitem eksperimentu z dvojnim trakom je dal svetlobo skozi režo, ki je bila prakticirana na neprozornem zaslonu. Po načelu Huygens se ustvarita dva sekundarna vira, ki sta skozi drugi neprozorni zaslon prešla z dvema režnima zaslonom.

Vam lahko služi: absorbirana toplota: formule, kako jo izračunati in rešiti vajeSlika 6. Young's Young Experiment Animacija. Vir: Wikimedia Commons.

Tako pridobljena svetloba je osvetlila steno v temni sobi. Kar je bilo videti, je bil vzorec, sestavljen iz nadomestnih in temnih območij. Obstoj tega vzorca je razložen z zgoraj opisanim pojavom motenj.

Youngov eksperiment je bil zelo pomemben, ker je pokazal valovito naravo svetlobe. Nato je bil poskus izveden s temeljnimi delci, kot so elektroni, nevtroni in protoni, s podobnimi rezultati.

Lahki pojavi

Odsev

Odsev svetlobe v vodi

Ko žarek svetlobe vpliva na površino, se lahko odseva del svetlobe in drugi absorbira. Če gre za prozoren medij, del svetlobe nadaljuje svojo pot skozi njega.

Tudi površina je lahko gladka, kot ogledalo ali grobo in nepravilno. Do odseva, ki se pojavi na gladki površini, se imenuje Spekularni odsev, sicer je Razpršeni odsev ali nepravilen odsev. Zelo polirana površina, kot je ogledalo, lahko odraža do 95% vpadne svetlobe.

Spekularni odsev

Slika prikazuje žarek svetlobe, ki potuje v mediju, ki je lahko zrak. Zapisovanje s kotom θ₁ Na ravni spekularni površini in se odraža s kotom θ₂. Črta, označena kot običajno, je pravokotna na površino.

Vpadni kot je enak kot refleksije. Vir: Serway. R. Fizika za znanost in inženiring.

Tako vpadni žarek kot odbit ter normalen na spekularni površini sta v isti ravnini. Starodavni Grki so že opazili, da je vpadni kot enak kot odsevni kot:

θ₁ = θ₂

Ta matematični izraz je zakon o svetlobnem odsevu. Vendar pa lahko tudi drugi valovi, kot je zvok.

Večina površin je grobih, zato je odboj svetlobe razpršen. Na ta način je svetloba, ki jo odsevajo, poslana v vse smeri, zato je mogoče predmete videti od koder koli.

Ker se nekatere valovne dolžine odražajo bolj kot druge, imajo predmeti različne barve.

Na primer, listi dreves odražajo svetlobo, ki je približno na sredini vidnega spektra, kar ustreza zeleni barvi. Preostale vidne valovne dolžine se absorbirajo: od ultravijoličnega bližine modre (350-450 nm) in rdeče luči (650-700 nm).

Refrakcija

Pojav refrakcije. Josel7 [cc by-sa 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/4.0)]

Refrakcija svetlobe se pojavi, ker svetloba potuje do različnih hitrosti glede na medij. V vakuumu je hitrost svetlobe c = 3 x 10⁸ m/s, toda ko svetloba doseže materialni medij, se pojavijo procesi absorpcije in emisij, zaradi katerih se energija zmanjšuje, s tem pa hitrost.

Na primer, ko se premikate po zraku, se svetloba premika hitro in C, v vodi pa svetloba potuje tri četrtine c, Medtem ko je v kozarcu približno dve tretjini c.

Lomni količnik

Indeks refrakcije je označen n In je opredeljen kot količnik med hitrostjo svetlobe v vakuumu c in njegova hitrost v omenjenem mediju v:

N = c/v

Indeks loma je vedno večji od 1, saj je hitrost svetlobe v vakuumu vedno večja kot v materialnem mediju. Nekatere značilne N vrednosti so:

-Zrak: 1.0003

-Voda: 1.33

-Steklo: 1.5

-Diamant: 2.42

Snell zakon

Ko žarek svetlobe poševno vpliva na mejo med dvema medijem, kot sta na primer zrak in steklo, se odraža en del svetlobe, drugi del pa sledi njeni poti znotraj stekla.

V tem primeru doživita valovno dolžino in hitrost, ko se premikamo iz enega medija na drugega, vendar frekvenca. Od v = c/n = λ.F  In tudi v vakuumu C = λO. F, Potem imate:

(λ_tudi.f /n) = λ.f → λ = λ_tudi/n

To pomeni, da je valovna dolžina v določenem mediju vedno manjša od valovne dolžine v vakuumu λO.

Slika 8. Snell zakon. Vir: Leva Slika: Shema loma svetlobe. Rex, a. Osnove fizike. Prava številka: Wikimedia Commons. Josel7 [cc by-sa 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/4.0)].

Upoštevajte trikotnike, ki imajo v rdeči barvi skupno hipotenuzo. V vsakem mediju meri hipotenza λ₁/greh θ₁ in λ₂/greh θ₂ Zato glede na dejstvo, da sta λ in V sorazmerna:

Vam lahko služi: optične lastnosti materialov

λ₁/greh θ₁ = λ₂/greh θ₂

Kot λ = λ_tudi/n Moraš:

(λ_tudi/n₁) /Sen θ₁ = (λ_tudi/n₂) /Sen θ₂

Ki je mogoče izraziti kot:

n_{1 .} greh θ₁ = n₂ .greh θ₂

To je formula Snellovega zakona v čast nizozemske matematike.

Snellov zakon je zapisan v smislu hitrosti svetlobe v vsakem okolju z uporabo definicije refrakcijskega indeksa: N = c/v:

(C/v₁) . greh θ₁ = (C/v₂) .greh θ₂

v_{2 .} greh θ₁ = v₁ .greh θ₂

Disperzija

Kot je razloženo zgoraj, je svetloba sestavljena iz fotonov z različnimi energijami in vsaka energija se dojema kot barva. Bela svetloba vsebuje fotone vseh energij in jih je zato mogoče razčleniti na luči različnih barv. To je sestavljeno iz disperzije svetlobe, ki jo je Newton že preučeval.

Kapljice vode v ozračju se obnašajo kot majhne prizme. Vir: Pixabay.

Newton je vzel optično prizmo, skozi njega žark bele svetlobe in pridobil trakove barv, ki so šli od rdeče do vijolične. Ta trak je spekter vidne svetlobe, prikazanega na sliki 2.

Disperzija svetlobe je naravni pojav, katerega lepota občudujemo na nebu, ko se oblikuje mavrica. Sončna svetloba vpliva na kapljice vode v ozračju, ki delujejo kot drobne prizme, ki so enake Newtonovemu, in razpršijo svetlobo.

Modra barva, s katero vidimo nebo, je tudi posledica disperzije. Vzdušje bogato z dušikom in kisikom se razprši predvsem tone modre in vijolice, vendar je človeško oko bolj občutljivo na modro in zato vidimo nebo te barve.

Ko je sonce nižje na obzorju, se med sončnim vzhodom ali sončnim zahodom nebo pobarva iz oranžnih tonov, zahvaljujoč žarkom svetlobe. Rdečkasti toni z nižjo frekvenco manj delujejo z elementi atmosfere in izkoristijo priložnost, da pridejo do površine.

Obilna atmosfera v prahu in onesnaževanju, kot so nekatera velika mesta, je videti sivkasto nebo zaradi razpršenosti nizkih frekvenc.

Svetlobne teorije

Svetloba je v bistvu obravnavana kot delček ali kot val. Trupkularna teorija, ki jo je Newton branil, je svetlobo veljala za žarek delcev. Medtem ko je bilo mogoče pravilno razložiti odsev in refrakcijo, ob predpostavki, da je svetloba val, kot je dejal Huygens.

Toda dolgo pred temi opaznimi znanstveniki so ljudje že špekulirali o naravi svetlobe. Med njimi ni mogel zamuditi grškega filozofa Aristotela. Spodaj je kratek povzetek teorij svetlobe skozi čas:

Aristotelijanska teorija

2.500 let Aristotel je dejal, da je svetloba nastala iz opazovalnih oči, osvetlila predmete in se na nek način vrnila s sliko, da bi jo lahko cenila oseba.

Newton Corpuscular teorija

Newton je imel prepričanje, da je svetloba sestavljena iz drobnih delcev, ki se širijo v ravni črti v vse smeri. Ko dosežejo oči, zapišejo občutek kot svetlobo.

Huygens valovita teorija

Huygens je objavil delo z imenom Pogodba o svetlobi v katerem je predlagal, da gre za motnje okolja, podobnega zvočnim valovanjem.

Maxwell elektromagnetna teorija

Medtem ko je eksperiment z dvojnim razbijanjem ni dvomal o valoviti naravi svetlobe, je bilo v večjem devetnajstem stoletju špekulirano o vrsti vala, dokler Maxwell v svoji elektromagnetni teoriji ni zapisal, da je svetloba sestavljena iz širjenja elektromagnetnega Polje.

Svetloba kot elektromagnetni val pojasnjuje pojave širjenja svetlobe, kot je opisano v prejšnjih razdelkih in je koncept, ki ga sprejme trenutna fizika, prav tako tudi korpuskularna narava svetlobe.

Einsteinova korpuskularna teorija

Po sodobnem konceptu svetlobe je ta sestavljen iz delcev brez mase in brez obremenitve, imenovanih fotoni. Kljub temu, da nimajo mase, imajo čas in energijo, kot je razloženo zgoraj. Ta teorija zadovoljivo pojasnjuje način, kako svetloba deluje s snovjo, z izmenjavo energije v diskretnih (kvantiziranih) količinah.

Obstoj svetlobe je predlagal Albert Einstein, da bi razložil fotoelektrični učinek Odkril Heinrich Hertz nekaj let prej. Fotoelektrični učinek je sestavljen iz emisije elektronov s snovjo, na kateri je vplivala neka vrsta elektromagnetnega sevanja, skoraj vedno v čin ultravijolice do vidne svetlobe.

Reference

1. Figueroa, d. (2005). Serija: Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 7. Valovi in ​​kvantna fizika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
2. Fizika. Svetlobne teorije. Okrevano od: fizika.pogl.
3. Giancoli, d.  2006. Fizika: načela z aplikacijami. 6. Ed Prentice Hall.
4. Valovno gibanje. Fermatovo načelo. Pridobljeno iz: sc.Ehu.je.
5. Rex, a. 2011. Osnove fizike. Pearson.
6. Romero, o. 2009. Fizično. Santillana hipertekst.
7. Serway, r. 2019. Fizika za znanost in inženiring. 10. Izdaja. Zvezek 2. Cengage.
8. Shipman, j. 2009. Uvod v fizikalno znanost. Dvanajsta izdaja. Brooks/Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedija. Svetloba. Okrevano od: je.Wikipedija.org.