Historia światła, natura, zachowanie, propagacja

 światło Jest to fala elektromagnetyczna, którą można uchwycić przez rozczucie wzroku. Stanowi część spektrum elektromagnetycznego: ten znany jako światło widzialne. Przez lata zaproponowano różne teorie w celu wyjaśnienia ich natury.

Na przykład przez długi czas przekonanie, że światło składało się z przepływu cząstek emitowanych przez obiekty lub oczu obserwatorów, było podtrzymywane. To przekonanie Arabów i starożytnych Greków podzieliło Izaaka Newtona (1642-1727) w celu wyjaśnienia zjawisk światła.

Rysunek 1. Niebo jest niebieskie dzięki rozproszeniu światła słonecznego w atmosferze. Źródło: Pixabay.

Chociaż Newton podejrzewał, że światło ma pofalowane cechy i zarządzał Christian Huygens (1629-1695).

O świcie tego stulecia angielski fizyk Thomas Young pokazał bez wątpienia, że ​​promienie świetlne mogą się ze sobą zakłócać, tak jak fale mechaniczne na strunach.

To mogło tylko oznaczać, że światło było falą, a nie cząsteczką, chociaż nikt nie wiedział, jaki jest fala do 1873 roku, James Clerk Maxwell powiedział, że światło jest falą elektromagnetyczną.

Dzięki wsparciu eksperymentalnych wyników Heinricha Hertza w 1887 r.

Ale na początku XX wieku pojawiły się nowe dowody na temat ciałej natury światła. Ta natura jest obecna w zjawiskach emisji i absorpcji, w których energia światła jest transportowana w pakietach zwanych „fotonami”.

Zatem, ponieważ światło rozprzestrzenia się jako fala i oddziałuje zarówno z materią, jak i cząsteczką, podwójna natura jest obecnie rozpoznawana w świetle: cząstka fali.

[TOC]

Natura światła

Oczywiste jest, że natura światła jest podwójna, rozprzestrzenia się jako fala elektromagnetyczna, której energia jest w fotonach.

Te, które nie mają masy, poruszają się w próżni ze stałą prędkością 300.000 km/s. Jest to znana prędkość światła w próżni, ale światło może podróżować przez inne media, choć z różnymi prędkościami.

Kiedy fotony docierają do naszych oczu, aktywowane są czujniki wykrywające obecność światła. Informacje są przekazywane do mózgu i tam interpretowane.

Kiedy źródło emituje dużą liczbę fotonów, postrzegamy je jako genialne źródło. Jeśli wręcz przeciwnie, emituje się niewiele, jest interpretowany jako nieprzezroczyste źródło. Każdy foton ma pewną energię, że mózg interpretuje się jako kolor. Na przykład niebieskie fotony są bardziej energetyczne niż czerwone fotony.

Każde źródło zwykle emituje fotony o różnych energii, stamtąd pojawia się kolor, z którym widać.

Jeśli nic innego nie emituje fotonów z jednym rodzajem energii, nazywa się to Światło monochromatyczne. Laser jest dobrym przykładem światła monochromatycznego. Wreszcie nazywana jest rozkład fotonów w źródle widmo.

Fala charakteryzuje się również posiadaniem pewnego długość fali. Jak powiedzieliśmy, światło należy do spektrum elektromagnetycznego, które obejmuje wyjątkowo szeroki zakres długości fali, od fal radiowych po promienie gamma. Poniższy obraz pokazuje wiązkę białego światła trójkątny pryzmat. Światło jest oddzielone długimi (czerwonymi) i krótkimi długościami fali (niebieski).

W środku znajduje się wąski pasek długości fali znany o nazwie widma widzialnego, który wychodzi z 400 nanometrów (nm) do 700 nm.

Rysunek 2. Widmo elektromagnetyczne pokazujące widzialny zakres światła. Źródło: Źródło: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Lekkie zachowanie

Światło ma podwójne zachowanie fali i cząstek, jak badano. Światło rozprzestrzenia się w taki sam sposób jak fala elektromagnetyczna i jako takie jest w stanie transportować energię. Ale kiedy światło oddziałuje z tą materią, zachowuje się tak, jakby była to wiązka cząstek zwana fotonami.

Rysunek 4. Propagacja fali elektromagnetycznej. Źródło: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0/]].

W 1802 r. Fizyk Thomas Young (1773–1829) wykazał, że światło ma zachowanie nierozstrzygające Poprzez eksperyment podwójny.

W ten sposób był w stanie wytworzyć maksymalną i minimalną ingerencję na ekranie. To zachowanie jest typowe dla fal, a zatem Young może wykazać, że światło było falą i może również zmierzyć długość fali.

Drugi aspekt światła jest cząstka, reprezentowane przez pakiety energetyczne zwane fotonami, które w próżniowym ruchu z prędkością c = 3 x 10⁸ m/s i nie mają masy. Ale mają energię I:

E = hf

A także ruch wielkości:

Może ci służyć: Numer przepływu: jak jest obliczany i przykłady

 P = E/C

Gdzie H To stała Plancka, której wartość wynosi 6.63 x 10^{-3. 4} Dżul.drugi i F to częstotliwość fali. Łączenie tych wyrażeń:

P = HF/C

A od czasu długości fali λ a częstotliwość jest powiązana przez C = λ.F, zostaje:

P = h/λ → λ = h/p

Zasada Huygensa

Rysunek 5. Promienie falowe i lekkie, które rozprzestrzeniły się w linii prostej. Źródło: Serway. R. Fizyka nauk i inżynierii.

Podczas badania zachowania światła istnieją dwie ważne zasady, które należy wziąć pod uwagę: zasada Huygensa i zasada Fermat. Zasada Huygens stwierdza, że:

Każdy punkt na froncie falowym zachowuje się jak określone źródło, które z kolei wytwarzają wtórne fale sferyczne.

Dlaczego fale sferyczne? Jeśli założymy, że medium jest jednorodne, światło emitujące określone źródło rozprzestrzeni się we wszystkich kierunkach. Możemy sobie wyobrazić, że światło rozprzestrzenia się na środku dużej kuli z promieniami rozmieszczonymi równomiernie. Ktokolwiek zauważa to światło, dostrzega, że ​​podróżuje prosto do oka i porusza się prostopadle do przodu falowego.

Jeśli promienie świetlne pochodzą z bardzo odległego źródła, na przykład słońce, przód fali jest płaski, a promienie są równoległe. To jest podejście Optyka geometryczna.

Zasada fermat

Zasada Fermata stwierdza, że:

Błyskawicy, które podróżuje między dwoma punktami, podąża za trajektorią wymaganą przez minimalny czas.

Ta zasada zawdzięcza swoją nazwę francuskiemu matematykowi Pierre de Fermat (1601-1665), która po raz pierwszy ustanowiła ją.

Zgodnie z tą zasadą, w jednorodnym ośrodku światło rozprzestrzeniają się ze stałą prędkością, dlatego ma jednolity ruch prostoliniowy, a jego trajektoria jest linią prostą.

Rozmnażanie światła

Światło rozprzestrzenia się jak fala elektromagnetyczna. Zarówno pole elektryczne, jak i pole magnetyczne są wytwarzane dla siebie, stanowiąc sprzężone fale, które są w fazie i są prostopadłe do siebie oraz kierunek propagacji.

Ogólnie rzecz biorąc, fala, która rozprzestrzenia się w przestrzeni, można opisać w kategoriach Fala przód. To jest zestaw punktów, które mają tę samą amplitudę i fazę. Znając lokalizację frontu falowego w danej chwili, możesz znać dowolną kolejną lokalizację, zgodnie z zasadą Huygensa.

Dyfrakcja

Laserowo dyfraktowany przez sześciokątną szczelinę. Lienzocian [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/nabrzeże/4.0)]

Niedokulacze zachowanie światła wyraźnie ujawnia się w dwóch ważnych zjawiskach, które powstają podczas jego propagacji: dyfrakcja i zakłócenia. w dyfrakcja, Fale, zarówno z wody, dźwięku, jak i światła, są zniekształcone, gdy przechodzą przez otwory, otaczają przeszkody lub oszczędzają zakręty.

Jeśli otwarcie jest duże w porównaniu z długością fali, zniekształcenie nie jest bardzo duże, ale jeśli otwór jest niewielki, zmiana kształtu fali jest bardziej znacząca. Dyfrakcja jest wyłączną właściwością fal, więc gdy światło wykazuje dyfrakcję, wiemy, że ma ono nieznaczne zachowanie.

Zakłócenia i polaryzacja

Ze swojej strony ingerencja światła występuje, gdy fale elektromagnetyczne nakładają się na to, które je komponują. W ten sposób dołączają do Vectorly, a to może prowadzić do dwóch rodzajów zakłóceń:

-Konstruktywny, gdy intensywność powstałej fali jest większa niż intensywność składników.

-Niszczycielski, jeśli intensywność jest mniejsza niż intensywność komponentów.

Zakłócenia fali świetlnej występują, gdy fale są monochromatyczne i utrzymują tę samą różnicę fazową przez cały czas. To się nazywa konsekwencja. Takie światło może pochodzić na przykład z lasera. Zwykłe źródła, takie jak żarówki, nie wytwarzają spójnego światła, ponieważ światło emitowane przez miliony atomów włókna zmienia się faza stale.

Ale jeśli nieprzezroczysty ekran z dwoma małymi i bliskimi otworami, światło wychodzące z każdego gniazda działa, ponieważ spójne źródło jest umieszczone na tej samej żarówki.

Wreszcie, gdy oscylacje pola elektromagnetycznego są w tym samym kierunku, Polaryzacja. Naturalne światło nie jest spolaryzowane, ponieważ jest tworzone przez wiele komponentów i każdy oscyluje w innym kierunku.

Młody eksperyment

Na początku XIX wieku angielski fizyk Thomas Young jako pierwszy uzyskał światło zgodne z zwykłym źródłem światła.

W swoim słynnym eksperymencie z podwójnym ślizganiem się wygłosił światło przez szczelinę praktykowaną na nieprzezroczystym ekranie. Zgodnie z zasadą Huygensa generowane są dwa źródła wtórne, które z kolei przechodziły przez drugi nieprzezroczysty ekran z dwoma szczelinami.

Może ci służyć: pochłaniane ciepło: wzory, jak je obliczyć i rozwiązane ćwiczeniaRysunek 6. Animacja młodego eksperymentu Younga. Źródło: Wikimedia Commons.

W ten sposób światło oświetlało ścianę w ciemnym pokoju. To, co widziały, był wzór składający się z alternatywnych i ciemnych obszarów. Istnienie tego wzorca wyjaśniono zjawiskiem interferencji opisanych powyżej.

Eksperyment Younga był bardzo ważny, ponieważ wykazał się pofałdowanej natury światła. Następnie eksperyment przeprowadzono z podstawowymi cząsteczkami, takimi jak elektrony, neutrony i protony, z podobnymi wynikami.

Zjawiska świetlne

Odbicie

Odbicie światła w wodzie

Gdy promień światła wpływa na powierzchnię, część światła może być odbita, a druga absorbowana. Jeśli jest to przezroczyste medium, część światła kontynuuje swoją ścieżkę.

Również powierzchnia może być gładka, jak lustro lub szorstkie i nieregularne. Do odbicia, które występuje na gładkiej powierzchni, nazywa się Odbicie dne, W przeciwnym razie jest odbicie rozproszone lub nieregularne odbicie. Bardzo wypolerowana powierzchnia, taka jak lustro, może odbijać do 95% padającego światła.

Odbicie dne

Rysunek pokazuje promień światła poruszający się w medium, który może być powietrzem. Podżeganie z kątem θ₁ Na płaskiej powierzchni i jest odbijana z kątem θ₂. Linia oznaczona normą jest prostopadła do powierzchni.

Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Źródło: Serway. R. Fizyka nauk i inżynierii.

Zarówno promień padający, jak i odbijane, jak i normalne do powierzchni szkieletowej znajdują się w tej samej płaszczyźnie. Starożytni Grecy zaobserwowali już, że kąt padania jest równy kąta odbicia:

θ₁ = θ₂

To matematyczne wyrażenie jest prawem do odbicia światła. Jednak inne fale, takie jak na przykład dźwięk, mogą również doświadczyć refleksji.

Większość powierzchni jest szorstka, a zatem odbicie światła jest rozproszone. W ten sposób światło, które odbijają, jest wysyłane do wszystkich kierunków, więc obiekty można zobaczyć z dowolnego miejsca.

Ponieważ niektóre długości fali są odzwierciedlone bardziej niż inne, obiekty mają różne kolory.

Na przykład liście drzew odzwierciedlają światło, które znajduje się w przybliżeniu w środku widma widzialnego, co odpowiada zielonym kolorze. Reszta widocznych długości fali są wchłaniane: z ultrafioletu w pobliżu niebieskiego (350-450 nm) i czerwonego światła (650-700 nm).

Refrakcja

Zjawisko refrakcji. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/nabrzeże/4.0)]

Załamanie światła występuje, ponieważ światło przemieszcza się do różnych prędkości w zależności od medium. W próżni prędkość światła wynosi c = 3 x 10⁸ m/s, ale gdy światło osiąga pożywkę materialną, powstają procesy wchłaniania i emisji, które zmniejszają energię, a wraz z nią prędkość.

Na przykład, gdy porusza się w powietrzu, światło porusza się szybko, a także C, ale w wodzie światło podróżuje trzy czwarte C, Podczas gdy w szkle ma około dwóch trzecich C.

Współczynnik załamania światła

Wskaźnik refrakcji jest oznaczony N I jest zdefiniowany jako iloraz między prędkością światła w próżni C i jego prędkość we wspomnianych średnich v:

N = c/v

Współczynnik załamania światła jest zawsze większy niż 1, ponieważ prędkość światła w próżni jest zawsze większa niż w medium materialnym. Niektóre typowe n wartości to:

-Powietrze: 1.0003

-Woda: 1.33

-Szkło: 1.5

-Diament: 2.42

Snell Law

Kiedy promień światła wpływa ukośnie na granicy między dwoma mediami, takimi jak na przykład powietrze i szkło, jedna część światła jest odbijana, a inna część podąża jego ścieżką w szklance.

W tym przypadku długość fali i prędkość doświadczają zmiany podczas przechodzenia z jednego medium do drugiego, ale częstotliwość. Od v = c/n = λ.F  A także w próżni C = λO. F, To masz:

(λ_albo.f /n) = λ.f → λ = λ_albo/N

To znaczy długość fali w danym pożywce jest zawsze mniejsza niż długość fali w próżni λO.

Cyfra 8. Snell Law. Źródło: lewy rysunek: Schemat światła refrakcji. Rex, a. Podstawy fizyki. Racja: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/nabrzeże/4.0)].

Zwróć uwagę na trójkąty, które mają wspólną hipotencję w kolorze czerwonym. W każdym pożywce mierzy hipotenus λ₁/sin θ₁ i λ₂/sin θ₂ odpowiednio, biorąc pod uwagę fakt, że λ i v są zatem proporcjonalne:

Może ci służyć: właściwości optyczne materiałów

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Jak λ = λ_albo/N Musisz:

(λ_albo/N₁) /Sen θ₁ = (λ_albo/N₂) /Sen θ₂

Można to wyrazić jako:

N_{1 .} sin θ₁ = n₂ .sin θ₂

To jest formuła prawa Snella, na cześć holenderskiej matematyki.

Alternatywnie, prawo Snella jest napisane w kategoriach prędkości światła w każdym środowisku, stosując definicję współczynnika załamania światła: N = c/v:

(C/v₁) . sin θ₁ = (C/v₂) .sin θ₂

v_{2 .} sin θ₁ = v₁ .sin θ₂

Dyspersja

Jak wyjaśniono powyżej, światło składa się z fotonów o różnych energii, a każda energia jest postrzegana jako kolor. Białe światło zawiera fotony wszystkich energii i dlatego można je podzielić na światła w różnych kolorach. Składa się to z rozproszenia światła, które zostało już zbadane przez Newton.

Woda spada w atmosferze, zachowuje się jak małe pryzmaty. Źródło: Pixabay.

Newton wziął pryzmat optyczny, promień przez niego wiązki białego światła i uzyskał paski kolorów, które przechodzą z czerwonego do fioletu. Ten pasek jest widmem światła widzialnego widocznego na rycinie 2.

Rozproszenie światła jest zjawiskiem naturalnym, którego piękno podziwiamy na niebie. Światło słoneczne wpływa na krople wody w atmosferze, które działają jak małe pryzmaty równe Newtona, rozpraszając światło.

Niebieski kolor, z którym widzimy niebo, jest również konsekwencją dyspersji. Bogata w azot i tlen, atmosfera rozprasza głównie odcienie niebieskiego i fioletowego, ale ludzkie oko jest bardziej wrażliwe na niebieski i dlatego widzimy niebo tego koloru.

Kiedy słońce jest niżej na horyzoncie, podczas wschodu lub zachodu słońca niebo jest barwione od tonów pomarańczowych dzięki promieniom światła musi przekroczyć grubszą warstwę atmosfery. Czerwone tony z niższej częstotliwości mniej oddziałują z elementami atmosfery i skorzystaj z okazji, aby dotrzeć do powierzchni.

Obfite atmosfery w pyle i zanieczyszczeniu, takie jak niektóre duże miasta, wyglądają na szarawe niebo z powodu rozproszenia niskich częstotliwości.

Teorie światła

Światło uznano zasadniczo za cząstkę lub fala. Teoria korpusarkowa, której bronił Newton, uważany za światło za wiązkę cząstek. Podczas gdy odbicie i załamanie można było odpowiednio wyjaśnić, zakładając, że światło było falą, jak powiedział Huygens.

Ale na długo przed tym znaczącymi naukowcami ludzie już spekulowali na temat natury światła. Wśród nich nie mogło przegapić greckiego filozofa Arystotelesa. Poniżej znajduje się krótkie podsumowanie teorii światła w czasie:

Teoria arystotelesowska

2.500 lat Arystoteles powiedział, że światło powstało z oczu obserwatora, oświetlało obiekty i wróciło w jakiś sposób z obrazem, aby osoba mogła docenić tę osobę.

Newton Corpuscular Theory

Newton utrzymywał przekonanie, że światło składało się z drobnych cząstek, które rozprzestrzeniły się w linii prostej we wszystkich kierunkach. Kiedy docierają do oczu, rejestrują uczucie jako światło.

Huygens pofałdująca się teoria

Huygens opublikował dzieło o nazwie Traktat światła w którym zaproponował, że było to zakłócenie środowiska podobnego do fal dźwiękowych.

Teoria elektromagnetyczna Maxwell

Podczas gdy eksperyment podwójnego szczelinowania nie pozostawił wątpliwości co do pofałdowanej natury światła, przez większą część dziewiętnastego wieku spekulowano na temat rodzaju fali, dopóki Maxwell powiedział w swojej teorii elektromagnetycznej, że światło polegało na propagacji elektromagnetycznej pole.

Światło jako fala elektromagnetyczna wyjaśnia zjawiska propagacji światła, jak opisano w poprzednich sekcjach i jest koncepcją zaakceptowaną przez obecną fizykę, podobnie jak ciałkowy charakter światła.

Teoria korpuskularna Einsteina

Według współczesnej koncepcji światła składa się z cząstek bez masy i bez obciążenia zwanych fotonami. Pomimo braku masy, mają czas i energię, jak wyjaśniono powyżej. Ta teoria zadowalająco wyjaśnia sposób, w jaki światło oddziałuje z materią, poprzez wymianę energii w dyskretnych (kwantyzowanych) ilościach.

Istnienie światła zostało zaproponowane przez Alberta Einsteina w celu wyjaśnienia efekt fotoelektryczny Odkryte przez Heinricha Hertza kilka lat wcześniej. Efekt fotoelektryczny polega na emisji elektronów przez substancję, na której wpłynęło pewne rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, prawie zawsze w stopniu ultrafioletu do światła widzialnego.

Bibliografia

1. Figueroa, zm. (2005). Seria: Fizyka nauk i inżynierii. Tom 7. Fale i fizyka kwantowa. Pod redakcją Douglas Figueroa (USB).
2. Lekarstwo. Teorie światła. Odzyskane z: fizyka.Ch.
3. Giancoli, zm.  2006. Fizyka: zasady z aplikacjami. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Ruch falowy. Zasada Fermata. Źródło: SC.Ehu.Jest.
5. Rex, a. 2011. Podstawy fizyki. osoba.
6. Romero, o. 2009. Fizyczny. Santillana Hypertext.
7. Serway, r. 2019. Fizyka nauk i inżynierii. 10. Wydanie. Głośność 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Wprowadzenie do nauk fizycznych. Dwunaste wydanie. Brooks/Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Światło. Odzyskane z: jest.Wikipedia.org.