Svetlá história, príroda, správanie, šírenie

Ten svetlo Je to elektromagnetická vlna, ktorú je možné zachytiť pocitom zraku. Predstavuje časť elektromagnetického spektra: to je známe ako viditeľné svetlo. V priebehu rokov boli navrhnuté rôzne teórie na vysvetlenie svojej povahy.

Napríklad po dlhú dobu sa presvedčilo, že svetlo pozostávalo z toku častíc emitovaných predmetmi alebo očami pozorovateľov. Túto vieru Arabov a starovekých Grékov zdieľa Isaac Newton (1642-1727) na vysvetlenie javov svetla.

postava 1. Obloha je modrá vďaka rozptylu slnečného svetla v atmosfére. Zdroj: Pixabay.

Aj keď Newton prišiel na podozrenie, že svetlo malo zvlnené vlastnosti a Christian Huygens (1629-1695) spravoval.

Na úsvite toho storočia anglický fyzik Thomas Young nepochybne ukázal, že svetelné lúče môžu navzájom rušiť, ako to robia mechanické vlny na reťazcoch.

To mohlo znamenať iba to, že svetlo bolo vlnou a nie časticou, hoci nikto nevedel, aký druh vlny je až do roku 1873, James Clerk Maxwell povedal, že svetlo bolo elektromagnetická vlna.

S podporou experimentálnych výsledkov Heinricha Hertza v roku 1887 bola zvlnená povaha svetla zavedená ako vedecká skutočnosť.

Ale na začiatku 20. storočia vznikli nové dôkazy o korpuskulárnej povahe svetla. Táto povaha je prítomná v emisných a absorpčných javoch, v ktorých sa ľahká energia prepravuje v obaloch nazývaných „fotóny“.

Pretože sa svetlo šíri ako vlna a interaguje s hmotou a časticou, v svetle sa v súčasnosti rozpoznáva duálna povaha: vlnová častíc.

[TOC]

Povaha svetla

Je zrejmé, že povaha svetla je duálna a šíri sa ako elektromagnetická vlna, ktorej energia prichádza vo fotónoch.

Tieto, ktoré nemajú hmotnosť, sa pohybujú vo vákuu s konštantnou rýchlosťou 300.000 km/s. Je to dobre známa rýchlosť svetla vo vákuu, ale svetlo môže prechádzať inými médiami, aj keď s rôznymi rýchlosťami.

Keď fotóny dorazia na naše oči, aktivujú sa senzory, ktoré detekujú prítomnosť svetla. Informácie sa prenášajú do mozgu a interpretujú sa tam.

Keď zdroj emituje veľké množstvo fotónov, vidíme ho ako vynikajúci zdroj. Ak naopak, emituje málo, interpretuje sa ako nepriehľadný zdroj. Každý fotón má určitú energiu, že mozog interpretuje ako farbu. Napríklad modré fotóny sú energickejšie ako červené fotóny.

Každý zdroj zvyčajne emituje fotóny rôznych energií, odtiaľ prichádza farba, s ktorou je videný.

Ak nič iné nevyjadruje fotóny s jedným typom energie, nazýva sa to Monochromatické svetlo. Laser je dobrým príkladom monochromatického svetla. Nakoniec sa distribúcia fotónov v zdroji nazýva spektrum.

Vlna sa tiež vyznačuje tým, že má isté vlnová dĺžka. Ako sme už povedali, svetlo patrí do elektromagnetického spektra, ktoré pokrýva extrémne široký rozsah vlnových dĺžok, od rádiových vĺn po gama lúče. Nasledujúci obrázok ukazuje lúč bieleho svetla trojuholníkového hranolu. Svetlo je oddelené dlhými (červenými) a krátkymi vlnovými dĺžkami (modrá).

V strede je úzky pás vlnových dĺžok známy s názvom viditeľného spektra, ktorý prechádza od 400 nanometrov (NM) do 700 nm.

Obrázok 2. Elektromagnetické spektrum zobrazujúce rozsah viditeľného svetla. Zdroj: Zdroj: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Ľahké správanie

Svetlo má, ako sa skúmalo duálne, vlnové a časticové správanie. Svetlo sa šíri rovnakým spôsobom ako elektromagnetická vlna a ako taká je schopná prepravovať energiu. Ale keď svetlo s touto hmotou interaguje, správa sa, akoby to bol časticový lúč nazývaný fotónmi.

Obrázok 4. Šírenie elektromagnetickej vlny. Zdroj: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0/]].

V roku 1802 fyzik Thomas Young (1773-1829) ukázal, že svetlo malo správanie nedulačný Cez experiment s dvojitým štrbinou.

Týmto spôsobom bol schopný produkovať maximálne a minimálne rušenie na obrazovke. Toto správanie je typické pre vlny, a tak Young mohol ukázať, že svetlo bolo vlnou a mohlo tiež zmerať jeho vlnovú dĺžku.

Ďalším aspektom svetla je aspekt častica, predstavené energetickými balíčkami nazývanými fotónmi, ktoré vo vákuu pohybujú rýchlosťou C = 3 x 10⁸ m/s a nemajú hmotnosť. Ale majú energiu A:

E = HF

A tiež množstvo pohybu veľkosti:

Môže vám slúžiť: číslo toku: Ako sa vypočíta a príklady

 P = e/c

Kde h Je to Planckova konštanta, ktorej hodnota je 6.63 x 10^{-3. 4} Šarvák.druhé a F je frekvencia vlny. Kombinácia týchto výrazov:

P = hf/c

A od vlnovej dĺžky λ a frekvencia súvisí C = λ.F, Zostane:

P = h/λ → λ = h/p

Huygens

Obrázok 5. Vlnové a svetelné lúče, ktoré sa šíria v priamej línii. Zdroj: Serway. R. Fyzika pre vedu a inžinierstvo.

Pri štúdiu správania svetla existujú dva dôležité princípy, ktoré treba zohľadniť: princíp Huygens a princíp Fermat. Zásada Huygens uvádza, že:

Akýkoľvek bod v prednej časti vlny sa správa ako špecifický zdroj, ktorý zase vytvára sekundárne sférické vlny.

Prečo sférické vlny? Ak predpokladáme, že médium je homogénne, svetlo, ktoré vydáva konkrétny zdroj. Dokážeme si predstaviť, že sa svetlo šíri uprostred veľkej gule s lúčmi distribuovanými rovnomerne. Ten, kto pozoruje toto svetlo, vníma, že cestuje v priamej línii k jeho oku a pohybuje sa kolmo na prednú vlnu.

Ak svetelné lúče pochádzajú z veľmi vzdialeného zdroja, napríklad z slnka, predná vlna je plochá a lúče sú rovnobežné. Toto je prístup Geometrická optika.

Fermat

Fermatova princíp uvádza, že:

Blesky, ktoré cestuje medzi dvoma bodmi, sleduje trajektóriu požadovanú v minimálnom čase.

Tento princíp dlhuje svoj názov francúzskemu matematikovi Pierre de Fermat (1601-1665), ktorý ho založil prvýkrát v roku 1662.

Podľa tohto princípu je v homogénnom médiu svetlo roztiahnuté konštantnou rýchlosťou, preto má rovnomerný priamy pohyb a jeho trajektória je priama čiara.

Propagácia svetla

Svetlo sa šíri ako elektromagnetická vlna. Elektrické pole a magnetické pole sa navzájom generujú, predstavujú spojené vlny, ktoré sú vo fáze a sú kolmé na seba a smerom šírenia.

Všeobecne platí, že vlna, ktorá sa šíri vo vesmíre Predná vlna. Toto je súbor bodov, ktoré majú rovnakú amplitúdu a fázu. Poznanie umiestnenia čela vlny v danom okamihu môžete poznať akékoľvek nasledujúce miesto podľa princípu Huygens.

Difrakcia

Laser difrakovaný šesťuholníkovou štrbinou. Lienzocian [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/4.0)]

Ulčité správanie svetla jasne odhaľuje v dvoch dôležitých javoch, ktoré vznikajú počas jeho šírenia: difrakcia a rušenie. V difrakcia, Vlny, či už z vody, zvuku alebo svetla, sú zdeformované, keď prechádzajú otvormi, obklopujú prekážky alebo šetria rohy.

Ak je otvor veľký v porovnaní s vlnovou dĺžkou, skreslenie nie je príliš veľké, ale ak je otvor malý, zmena tvaru vlny je výraznejšia. Difrakcia je výhradnou vlastnosťou vĺn, takže keď svetlo vykazuje difrakciu, vieme, že má zvlnené správanie.

Rušenie a polarizácia

Na jeho časť zasahovanie svetla dochádza, keď sa elektromagnetické vlny prekrývajú, ktoré ich skladajú. Pritom sa pripoja k vektorovo a to by mohlo viesť k dvom typom rušenia:

-Konštruktívne, keď je intenzita výslednej vlny väčšia ako intenzita komponentov.

-Deštruktívne, ak je intenzita menšia ako intenzita komponentov.

Interferencia svetelnej vlny dochádza, keď sú vlny monochromatické a neustále udržiavajú rovnaký fázový rozdiel. Toto sa volá súdržnosť. Takéto svetlo môže pochádzať napríklad z lasera. Zvyčajné zdroje, ako sú žiarovky, nevytvárajú koherentné svetlo, pretože svetlo emitované miliónmi atómov vlákna sa fáza neustále mení.

Ale ak je nepriehľadná obrazovka s dvoma malými a blízkymi otvormi navzájom, svetlo, ktoré vychádza z každého slotu, pôsobí ako koherentný zdroj, je umiestnené na tej istej žiarovke.

Nakoniec, keď sú oscilácie elektromagnetického poľa v rovnakom smere, Polarizácia. Prirodzené svetlo nie je polarizované, pretože je tvorené mnohými komponentmi a každé osciluje iným smerom.

Experiment

Na začiatku 19. storočia bol anglický fyzik Thomas Young prvý, kto získal svetlo v súlade s bežným zdrojom svetla.

Vo svojom slávnom experimente s dvojitým experimentom dal svetlo cez štrbinu praktizovanú na nepriehľadnej obrazovke. Podľa princípu Huygens sa generujú dva sekundárne zdroje, ktoré zase prešli druhou nepriehľadnou obrazovkou s dvoma štrbinami.

Môže vám slúžiť: Absorbované teplo: vzorce, ako ho vypočítať a vyriešiť cvičeniaObrázok 6. Young's Young Experiment Animácia. Zdroj: Wikimedia Commons.

Svetlo takto získalo osvetlené stenu v tmavej miestnosti. To, čo bolo vidieť, bol vzor pozostávajúci z alternatívnych a tmavých oblastí. Existencia tohto vzoru je vysvetlená fenoménom interferencie opísaného vyššie.

Youngov experiment bol veľmi dôležitý, pretože ukázal zvlnenú povahu svetla. Následne sa experiment uskutočnil so základnými časticami, ako sú elektróny, neutróny a protóny, s podobnými výsledkami.

Ľahké javy

Odraz

Odraz svetla vo vode

Keď lúč svetla ovplyvňuje povrch, môže sa odrážať časť svetla a iná absorbovať. Ak je to priehľadné médium, časť svetla pokračuje v ceste cez ňu.

Povrch môže byť tiež hladký, ako zrkadlo alebo drsné a nepravidelné. Na odraz, ktorý sa vyskytuje na hladkom povrchu zrozumiteľné odrazy, Inak to je rozptýlený odraz alebo nepravidelné odrazy. Veľmi leštený povrch, napríklad zrkadlo, sa môže odrážať až 95% dopadajúceho svetla.

Zrozumiteľné odrazy

Obrázok ukazuje lúč svetla, ktorý sa pohybuje v médiu, ktorým môže byť vzduch. Inštalovať s uhlom 9₁ Na plochom povrchovom povrchu a odráža sa s uhlom 9₂. Čiara označená ako normálna je kolmá na povrch.

Uhol incidencie sa rovná uhlu odrazu. Zdroj: Serway. R. Fyzika pre vedu a inžinierstvo.

Dopadajúci lúč a odrazený a normálny na povrchový povrch sú v rovnakej rovine. Starí Gréci už pozorovali, že uhol výskytu sa rovná uhlu odrazu:

θ₁ = 9₂

Tento matematický výraz je zákonom o odrazu svetla. Avšak aj iné vlny, ako napríklad zvuk, sú tiež schopné zažiť reflexiu.

Väčšina povrchov je drsná, a preto je odraz svetla rozptýlený. Týmto spôsobom sa svetlo, ktoré odrážajú, posielajú do všetkých smerov, takže objekty je možné vidieť odkiaľkoľvek.

Pretože niektoré vlnové dĺžky sa odrážajú viac ako iné, objekty majú rôzne farby.

Napríklad listy stromov odrážajú svetlo, ktoré je približne v strede viditeľného spektra, čo zodpovedá zelenej farbe. Zvyšok viditeľných vlnových dĺžok sa absorbuje: z ultrafialovej farby v blízkosti modrej (350-450 nm) a červeného svetla (650-700 nm).

Lom

Fenomén refrakcie. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/4.0)]

Refrakcia svetla dochádza, pretože svetlo prechádza rôznymi rýchlosťami podľa média. Vo vákuu je rýchlosť svetla C = 3 x 10⁸ m/s, ale keď svetlo dosiahne materiálové médium, vznikajú procesy absorpcie a emisie, ktoré spôsobujú zníženie energie a s ňou rýchlosť.

Napríklad pri pohybe vo vzduchu sa svetlo pohybuje rýchlo, ako aj C, ale vo vode svetlo cestuje tri štvrtiny c, Zatiaľ čo v pohári sa robí približne dve tretiny c.

Index lomu

Index lomov je označený n A je definovaný ako kvocient medzi rýchlosťou svetla vo vákuu c a jeho rýchlosť v uvedenom médiu vložka:

N = c/v

Index lomu je vždy väčší ako 1, pretože rýchlosť svetla vo vákuu je vždy väčšia ako v materiálovom médiu. Niektoré typické hodnoty N sú:

-Vzduch: 1.0003

-Voda: 1.33

-Sklo: 1.5

-Diamant: 2.42

Zákon

Keď lúč svetla ovplyvňuje šikmo na hranici medzi dvoma médiami, napríklad vzduch a sklo, odráža sa jedna časť svetla a druhá časť sleduje jeho cestu vo vnútri skla.

V tomto prípade vlnová dĺžka a rýchlosť zažívajú variáciu pri prechode z jedného média na druhý, ale frekvencia. Od v = c/n = λ.F  A tiež vo vákuu C = λo. F, Potom máte:

(λ_ani.f /n) = λ.f → λ = λ_ani/n

To znamená, že vlnová dĺžka v danom médiu je vždy menšia ako vlnová dĺžka vo vákuu λo.

Obrázok 8. Zákon. Zdroj: Vľavo Obrázok: Schéma refrakcie svetla. Rex, a. Základy fyziky. Správna postava: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/4.0)].

Všimnite si trojuholníky, ktoré majú bežnú hypotenus v červenej farbe. V každom médiu sa opatrenia na hypotenus λ₁/hriech θ₁ a λ₂/hriech θ₂ Vzhľadom na skutočnosť, že λ a V sú proporcionálne, preto:

Môže vám slúžiť: optické vlastnosti materiálov

λ₁/hriech θ₁ = λ₂/hriech θ₂

Ako λ = λ_ani/n Musíš:

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

Ktoré možno vyjadriť ako:

n_{1 .} hriech₁ = n₂ .hriech₂

Toto je vzorec Snellovho zákona na počesť holandského matematického.

Alternatívne je Snellov zákon napísaný z hľadiska rýchlosti svetla v každom prostredí pomocou definície indexu lomu: N = c/v:

(ŽIVOTOPIS₁) . hriech₁ = (ŽIVOTOPIS₂) .hriech₂

vložka_{2 .} hriech₁ = v₁ .hriech₂

Rozptyl

Ako je uvedené vyššie, svetlo sa skladá z fotónov s rôznymi energiami a každá energia je vnímaná ako farba. Biele svetlo obsahuje fotóny všetkých energií, a preto sa dá rozdeliť na svetlá rôznych farieb. Skladá sa z rozptylu svetla, ktorú už študoval Newton.

Voda kvapky v atmosfére sa správajú ako malé hranoly. Zdroj: Pixabay.

Newton vzal optický hranol, lúč bieleho svetla cez neho a získal prúžky farieb, ktoré prešli z červenej na fialovú. Tento prúžok je spektrom viditeľného svetla zobrazené na obrázku 2.

Rozptyl svetla je prírodný fenomén, ktorého krása obdivujeme na oblohe, keď sa formuje dúha. Slnečné svetlo ovplyvňuje kvapky vody v atmosfére, ktoré pôsobia ako drobné hranoly rovnajúce sa Newtonovým, čím sa rozptyľujú svetlo.

Modrá farba, s ktorou vidíme oblohu, je tiež dôsledkom disperzie. Atmosféra bohatá na dusík a kyslík sa rozptyľuje hlavne tóny modrej a fialovej, ale ľudské oko je citlivejšie na modrú, a preto vidíme oblohu tejto farby.

Keď je slnko nižšie na obzore, počas východu slnka alebo západu slnka sa obloha zafarbuje z oranžových tónov vďaka lúčom svetla, musí prejsť hrubšou vrstvou atmosféry. Nižšie frekvenčné červenkasté tóny interagujú menej s prvkami atmosféry a využívajú príležitosť na dosiahnutie povrchu.

Bohaté atmosféry v prachu a znečistení, ako sú napríklad atmosféry niektorých veľkých miest, vyzerajú sivé oblohy kvôli rozptylu nízkych frekvencií.

Ľahké teórie

Svetlo bolo v zásade považované za časticu alebo za vlnu. Korpuskulárna teória, ktorú Newton bránil, považoval svetlo ako lúč častíc. Zatiaľ čo odraz a lom možno správne vysvetliť za predpokladu, že svetlo bolo vlnou, ako povedal Huygens.

Ale dlho predtým, ako títo pozoruhodní vedci, ľudia už špekulovali o povahe svetla. Medzi nimi nemohol nechať ujsť grécky filozof Aristoteles. Nižšie je uvedené stručné zhrnutie teórií svetla v priebehu času:

Aristotelská teória

2.500 rokov Aristoteles povedal, že svetlo vzniklo z očí pozorovateľa, osvetlilo predmety a nejakým spôsobom sa vrátilo s obrazom, aby ho dalo oceniť osoba.

Newton Corpuscular Theory

Newton držal presvedčenie, že svetlo pozostávalo z malých častíc, ktoré sa šírili v priamke vo všetkých smeroch. Keď sa dostanú do očí, zaznamenávajú pocit ako svetlo.

Huygens zvlnená teória

Huygens publikoval dielo s názvom Zmluva svetla v ktorom navrhol, že išlo o narušenie prostredia podobného zvukovým vlnám.

Maxwell elektromagnetická teória

Zatiaľ čo experiment s dvojitým vylučovaním nepochyboval o zvlnenej povahe svetla, počas väčšiny devätnásteho storočia sa špekulovalo o type vlny, ktorá bola, kým Maxwell vo svojej elektromagnetickej teórii povedal, že svetlo pozostávalo z šírenia elektromagnetickej lúka.

Svetlo ako elektromagnetická vlna vysvetľuje javy šírenia svetla, ako je opísané v predchádzajúcich častiach, a je to koncept akceptovaný súčasnou fyzikou, rovnako ako korpuskulárna povaha svetla.

Einsteinova korpuskulárna teória

Podľa modernej koncepcie svetla to pozostáva z častíc bez hmotnosti a bez záťaže nazývané fotóny. Napriek tomu, že nemajú hmotnosť, majú čas a energiu, ako je vysvetlené vyššie. Táto teória uspokojivo vysvetľuje spôsob, akým svetlo interaguje s hmotou, výmenou energie v diskrétnych (kvantifikovaných) množstvách.

Albert Einstein navrhol existenciu svetla na vysvetlenie fotoelektrický efekt Objavil Heinrich Hertz pred pár rokmi. Fotoelektrický efekt spočíva v emisiách elektrónov látkou, na ktorej je ovplyvnený určitý typ elektromagnetického žiarenia, takmer vždy v hodnosti ultrafialového k viditeľnému svetlu.

Odkazy

1. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a inžinierstvo. Zväzok 7. Vlny a kvantová fyzika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Fyzika. Ľahké teórie. Obnovené z: fyziky.chvály.
3. Giancoli, D.  2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6. Ed Prentice Hall.
4. Vlnový pohyb. Fermat. Zdroj: SC.Ehu.je.
5. Rex, a. 2011. Základy fyziky. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fyzický. Hypertext Santillana.
7. Serway, r. 2019. Fyzika pre vedu a inžinierstvo. 10. Vydanie. Zväzok 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Úvod do fyzickej vedy. Dvanáste vydanie. Brooks/Cole, edície Cengage.
9. Wikipedia. Svetlo. Obnovené z: je.Wikipedia.orgán.