SVETLOBA: ZGODOVINA, NARAVA, VEDENJE, ŠIRJENJE - FIZIČNO

Svetloba je elektromagnetno valovanje lahko zazna smislu pogled. Sestavlja del elektromagnetnega spektra: tako imenovano vidno svetlobo. Z leti so bile predlagane različne teorije, ki pojasnjujejo njegovo naravo.

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

Slika 1. Nebo je modro zahvaljujoč sevanju sončne svetlobe v atmosferi. Vir: Pixabay.

Čeprav je Newton sumil, da ima svetloba valovne lastnosti in je Christian Huygens (1629-1695) uspel razložiti lom in odboj z valovno teorijo, je bilo prepričanje o svetlobi kot delcu razširjeno med vsemi znanstveniki do začetka 19. stoletja. .

Na zori tistega stoletja je angleški fizik Thomas Young brez dvoma dokazal, da lahko svetlobni žarki motijo drug drugega, tako kot mehanski valovi v strunah.

To bi lahko pomenilo le, da je svetloba val in ne delček, čeprav nihče ni vedel, za kakšen val gre, dokler ni bil leta 1873, James Clerk Maxwell je trdil, da je svetloba elektromagnetno valovanje.

S podporo eksperimentalnih rezultatov Heinricha Hertza leta 1887 smo valovno naravo svetlobe uveljavili kot znanstveno dejstvo.

Toda na začetku 20. stoletja so se pojavili novi dokazi o telesni svetlobi. Ta narava je prisotna v pojavih emisij in absorpcije, v katerih se svetlobna energija prevaža v pakiranjih, imenovanih "fotoni".

Tako, ker se svetloba širi kot val in med maščobo deluje kot delček, je v svetlobi trenutno prepoznana dvojna narava: valovni delci.

Narava svetlobe

Jasno je, da je narava svetlobe dvojna, ki se širi kot elektromagnetno valovanje, katerega energija prihaja v fotone.

Te, ki nimajo mase, se gibljejo v vakuumu s konstantno hitrostjo 300.000 km / s. To je znana hitrost svetlobe v vakuumu, vendar lahko svetloba potuje skozi druge medije, čeprav z različno hitrostjo.

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

Ko vir odda večje število fotonov, ga vidimo kot svetel vir. Če nasprotno odda le malo, se to razlaga kot moten vir. Vsak foton ima določeno energijo, ki jo možgani razlagajo kot barvo. Na primer, modri fotoni so bolj energični kot rdeči fotoni.

Vsak vir na splošno oddaja fotone različnih energij, od tod tudi barvo, s katero je viden.

Če nič drugega ne oddaja fotone z eno samo energijo, se imenuje enobarvna svetloba. Laser je dober primer enobarvne svetlobe. Končno porazdelitev fotonov v viru imenujemo spekter.

Za val je značilno tudi, da ima določeno valovno dolžino. Kot rečeno, svetloba spada v elektromagnetni spekter, ki pokriva izjemno širok razpon valovnih dolžin, od radijskih valov do gama žarkov. Naslednja slika prikazuje, kako žarek bele svetlobe raztrese trikotno prizmo. Svetloba je ločena na dolge (rdeče) in kratke (modre) valovne dolžine.

V sredini je ozek pas valovnih dolžin, znan kot vidni spekter, ki sega od 400 nanometrov (nm) do 700 nm.

Slika 2. Elektromagnetni spekter prikazuje območje vidne svetlobe. Vir: Vir: Wikimedia Commons. Avtor: Horst Frank

Obnašanje svetlobe

Svetloba ima dvojno, valovanje in vedenje delcev, kot je bila pregledana. Svetloba se širi na enak način kot elektromagnetno valovanje in kot taka je sposobna prenašati energijo. Ko pa svetloba posega v materijo, se obnaša kot snop delcev, imenovan fotoni.

Slika 4. Širjenje elektromagnetnega vala. Vir: Wikimedia Commons. SuperManu.

Leta 1802 je fizik Thomas Young (1773-1829) dokazal, da ima svetloba valovanje z eksperimentom z dvojno režo.

Na ta način je lahko ustvaril največ in najmanjše motnje na zaslonu. Takšno vedenje je značilno za valove in zato je Young lahko pokazal, da je svetloba val in da je bil tudi sposoben izmeriti svojo valovno dolžino.

Drugi vidik svetlobe je delček, ki ga predstavljajo paketi energije, imenovani fotoni, ki se v vakuumu gibljejo s hitrostjo c = 3 x 10 ⁸ m / s in nimajo mase. Imajo pa E energijo:

In tudi zagon veličine:

Kjer je h stalnica Plancka, katere vrednost je 6,63 x 10 ^-34 Joule.sekunda in f je frekvenca vala. Združevanje teh izrazov:

In ker sta valovna dolžina λ in frekvenca povezana s c = λ.f, ostane:

Huygensovo načelo

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

Pri preučevanju vedenja svetlobe je treba upoštevati dve pomembni načeli: Huygensov princip in Fermatov princip. Huygensovo načelo navaja, da:

Zakaj sferični valovi? Če predpostavimo, da je medij homogen, se bo svetloba, ki jo oddaja točkovni vir, širila v vse smeri enako. Lahko si predstavljamo, da se svetloba širi sredi velike krogle z enakomerno razporejenimi žarki. Kdor opazuje to svetlobo, zazna, da potuje v ravni črti proti očesu in se premika pravokotno na valovno fronto.

Če svetlobni žarki prihajajo iz zelo oddaljenega vira, na primer Sonca, je valovna fronta ravna in žarki vzporedni. To je tisto, kar je pristop geometrične optike.

Fermatov princip

Fermatovo načelo navaja, da:

To načelo dolguje svojemu imenu francoski matematik Pierre de Fermat (1601-1665), ki ga je prvič ustanovil leta 1662.

Po tem načelu se v homogenem srednjem delu svetloba širi s konstantno hitrostjo, zato ima enakomerno pravokotno gibanje in njegova pot je ravna črta.

Širjenje svetlobe

Svetloba potuje kot elektromagnetno valovanje. Električno in magnetno polje se med seboj ustvarjata in tvorita sklopljene valove, ki so v fazi in so pravokotni drug na drugega in na smer širjenja.

Na splošno se lahko val, ki se širi v vesolju, opiše v smislu valovne fronte. To je niz točk, ki imata enako amplitudo in fazo. Če poznamo lokacijo valovite fronte v določenem trenutku, je po Huygensovem principu mogoče poznati vsako poznejšo lokacijo.

Difrakcija

Laser difrakcija s šesterokotno režo. Lienzocian

Valovanje vedenja svetlobe jasno dokazujeta dva pomembna pojava, ki se pojavita med njenim širjenjem: difrakcija in interferenca. Pri difrakciji se valovi, bodisi vode, zvoka ali svetlobe, popačijo, ko prehajajo skozi odprtine, hodijo okoli ovir ali hodijo po vogalih.

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

Motnje in polarizacija

Motnja svetlobe se pojavi, ko se elektromagnetni valovi, ki jih sestavljajo, prekrivajo. Pri tem jih dodamo vektorsko in to lahko povzroči dve vrsti motenj:

–Konstruktivno, kadar je intenzivnost nastalega vala večja od intenzitete sestavnih delov.

–Destruktivno, če je intenzivnost sestavnih delov manjša od intenzitete.

Motnje v svetlobnih valovih se pojavijo, kadar so valovi enobarvni in ves čas ohranjajo isto fazno razliko. Temu pravimo doslednost. Takšna svetloba lahko na primer prihaja iz laserja. Običajni viri, kot so žarnice z žarilno nitko, ne proizvajajo koherentne svetlobe, ker svetloba, ki jo oddajajo milijoni atomov v nitki, stalno spreminja fazo.

Če pa je na isti žarnici nameščen neprozoren zaslon z dvema majhnima odprtinama, ki se nahajajo na isti žarnici, svetloba, ki izhaja iz vsake reže, deluje kot skladen vir.

Nazadnje, ko so nihanja elektromagnetnega polja v isti smeri, pride do polarizacije. Naravna svetloba ni polarizirana, saj je sestavljena iz številnih komponent, od katerih vsaka niha v drugo smer.

Young-ov poskus

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

V svojem znamenitem eksperimentu z dvojno režo je skozi režo na neprozornem zaslonu prehajal svetlobo. Po Huygensovem principu nastajata dva sekundarna vira, ki sta nato prešla skozi drugi neprozorni zaslon z dvema režama.

Slika 6. Animacija Youngovega poskusa z dvojno režo Vir: Wikimedia Commons.

Tako pridobljena svetloba je osvetlila steno v temni sobi. Viden je bil vzorec, sestavljen iz izmeničnih svetlih in temnih področij. Obstoj tega vzorca je razložen zgoraj opisan pojav interference.

Young-ov eksperiment je bil zelo pomemben, ker je razkril valovno naravo svetlobe. Nato je bil izveden poskus s temeljnimi delci, kot so elektroni, nevtroni in protoni, s podobnimi rezultati.

Pojavi svetlobe

Odsev

Odboj svetlobe v vodi

Ko žarek svetlobe zadene površino, se lahko nekaj svetlobe odbije in nekaj absorbira. Če gre za prozoren medij, nekaj svetlobe nadaljuje svojo pot skozi to.

Tudi površina je lahko gladka, kot ogledalo, ali hrapava in neravna. Odboj, ki se pojavi na gladki površini, se imenuje zrcalni odboj, sicer pa difuzni odboj ali nepravilni odboj. Zelo polirana površina, kot je ogledalo, lahko odseva do 95% vpadne svetlobe.

Spekularni odboj

Slika prikazuje žarek svetlobe, ki potuje v mediju, ki je lahko zrak. Incident pod kotom θ ₁ na ravninski spekularni površini in odražen pod kotom θ ₂ . Črta, označena kot normalna, je pravokotna na površino.

Vpadni kot je enak odsevnemu kotu. Vir: Serway. R. Fizika za znanost in inženirstvo.

Tako incident kot tudi odbijeni žarek in normalen na očesni površini sta v isti ravnini. Že stari Grki so opažali, da je vpadni kot enak kotu odseva:

Ta matematični izraz je zakon odboja svetlobe. Vendar so tudi drugi valovi, kot je na primer zvok, sposobni razmišljati.

Večina površin je hrapavih, zato je odboj svetlobe razpršen. Na ta način se svetloba, ki jo odsevajo, pošlje v vse smeri, tako da se predmeti vidijo od koder koli.

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

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

Prelomitev

Pojav loma. Josell7

Prelomitev svetlobe se pojavi, ker svetloba potuje z različnimi hitrostmi, odvisno od medija. V vakuumu je svetlobna hitrost c = 3 x 10 ⁸ m / s, ko pa svetloba doseže materialni medij, nastanejo postopki absorpcije in emisije, ki povzročajo zmanjšanje energije in s tem hitrost.

Na primer, ko se premikate po zraku, svetloba potuje s skoraj enako hitrostjo do c, pri vodi pa svetloba potuje pri treh četrtinah c, medtem ko v steklu potuje pri približno dveh tretjinah c.

Lomni količnik

Indeks loma je označen s n in je opredeljen kot količnik med hitrostjo svetlobe v vakuumu c in hitrostjo v omenjenem mediju v:

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

-Letal: 1.0003

-Voda: 1,33

-Sloja: 1.5

-Diamond: 2,42

Snellov zakon

Ko žarek svetlobe poševno udari ob mejo med dvema medijema, na primer zrak in steklo, se del svetlobe odbije, drugi del pa nadaljuje svojo pot znotraj stekla.

V tem primeru se valovna dolžina in hitrost spreminjata pri prehodu iz enega medija na drugega, ne pa tudi frekvence. Ker je v = c / n = λ.f in tudi v vakuumu c = λo. f, potem imamo:

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

Slika 8. Snellov zakon. Vir: Leva slika: diagram loma svetlobe. Rex, A. Osnove fizike. Desna številka: Wikimedia Commons. Josell7.

Upoštevajte trikotnike, ki imajo skupno rdečo hipotenuzo. V vsakem mediju hipotenuza meri λ ₁ / sin θ ₁ in λ ₂ / sin θ ₂ , saj sta λ in v sorazmerna, torej:

Ker je λ = λ _o / n, imamo:

Ki se lahko izrazi kot:

To je formula Snellovega zakona v čast nizozemskega matematika Willebrorda Snela (1580-1626), ki ga je eksperimentalno izpeljal z opazovanjem svetlobe, ki prehaja iz zraka v vodo in steklo.

Snelllov zakon je zapisan glede na hitrost svetlobe v vsakem nosilcu, pri čemer uporablja definicijo indeksa loma: n = c / v:

Disperzija

Kot je razloženo zgoraj, svetlobo sestavljajo fotoni z različnimi energijami in vsaka energija je zaznana kot barva. Bela svetloba vsebuje fotone vseh energij in jih je zato mogoče razbiti na različne barvne luči. To je sipanje svetlobe, ki ga je že proučil Newton.

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

Newton je prevzel optično prizmo, šel skozi njo snop bele svetlobe in dobil barvne črte od rdeče do vijolične. Ta meja je spekter vidne svetlobe, ki ga vidimo na sliki 2.

Sipanje svetlobe je naravni pojav, katerega lepota občudujemo na nebu, ko se oblikuje mavrica. Sončna svetloba pade na kapljice vode v atmosferi, ki delujejo kot drobne newtonske prizme in tako razpršijo svetlobo.

Modra barva, s katero vidimo nebo, je tudi posledica razpršenosti. Atmosfera bogata z dušikom in kisikom v glavnem razprši odtenke modre in vijolične, vendar je človeško oko bolj občutljivo na modro in zato vidimo nebo te barve.

Ko je Sonce na obzorju nižje, med sončnim vzhodom ali sončnim zahodom nebo postane oranžno zahvaljujoč dejstvu, da morajo svetlobni žarki preiti skozi debelejši sloj atmosfere. Rdečkasti toni nižjih frekvenc manj vplivajo na elemente ozračja in izkoristijo prednost, da pridejo neposredno na površino.

Atmosfere, ki obilujejo prah in onesnaženje, kot so nekatere v večjih mestih, imajo sivkasto nebo zaradi razpršenosti nizkih frekvenc.

Teorije o svetlobi

Svetloba je bila obravnavana predvsem kot delček ali kot val. Korpuskularna teorija, ki jo je zagovarjal Newton, je svetlobo obravnavala kot snop delcev. Medtem ko bi odsev in lom lahko ustrezno pojasnili s predpostavko, da je svetloba val, kot je trdil Huygens.

Toda že dolgo pred temi izjemnimi znanstveniki so ljudje že ugibali o naravi svetlobe. Med njimi grški filozof Aristotel ni mogel biti odsoten. Tu je kratek povzetek teorij o svetlobi skozi čas:

Aristotelovska teorija

Pred 2500 leti je Aristotel trdil, da je svetloba izvirala iz opazovalčevih oči, osvetljevala predmete in se na nek način vrnila s sliko, da bi jo človek lahko cenil.

Newtonova korpuskularna teorija

Newton se je držal prepričanja, da je svetloba sestavljena iz drobnih delcev, ki se širijo v ravni črti v vseh smereh. Ko dosežejo oči, občutek registrirajo kot svetlobo.

Huygenska teorija valov

Huygens je objavil delo z naslovom Treatise on light, v katerem je predlagal, da gre za motenje medija, podobnega zvočnim valovom.

Maxwell-ova elektromagnetna teorija

Čeprav eksperiment z dvojno špranjo ni pustil dvoma o valovni naravi svetlobe, se je večji del devetnajstega stoletja špekuliralo o vrsti vala, dokler Maxwell v svoji elektromagnetni teoriji ni izjavil, da je svetloba sestavljena iz širjenje elektromagnetnega polja.

Svetloba kot elektromagnetno valovanje pojasnjuje širjenje svetlobe, kot je opisano v prejšnjih razdelkih in je koncept, ki ga je sprejela trenutna fizika, prav tako tudi telesna svetloba.

Einsteinova korpuskularna teorija

Po sodobni predstavi o svetlobi je sestavljena iz brezmasnih in nezapolnjenih delcev, imenovanih fotoni. Kljub temu, da nimajo mase, imajo zagon in energijo, kot je razloženo zgoraj. Ta teorija uspešno razlaga način interakcije svetlobe s snovjo z izmenjavo energije v diskretnih (kvantiziranih) količinah.

Obstoj kvante svetlobe je predlagal Albert Einstein, da bi razložil fotoelektrični učinek, ki ga je odkril Heinrich Hertz nekaj let prej. Fotoelektrični učinek je sestavljen iz oddajanja elektronov s snovjo, na katero je vpadla neka vrsta elektromagnetnega sevanja, skoraj vedno v območju od ultravijolične do vidne svetlobe.

Reference

Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 7. Valovi in kvantna fizika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
Fizično. Teorije svetlobe. Pridobljeno: fisic.ch.
Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. 6. Dvorana Ed Prentice.
Gibanje valov. Fermatov princip. Pridobljeno: sc.ehu.es.
Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
Romero, O. 2009. Fizika. Santillana Hypertext.
Serway, R. 2019. Fizika za znanost in inženirstvo. Deseto. Izdaja. Zvezek 2. Zveza.
Shipman, J. 2009. Uvod v fizikalne vede. Dvanajsta izdaja. Brooks / Cole, Cengage Edition.
Wikipedija. Luč. Pridobljeno: es.wikipedia.org.

SVETLOBA: ZGODOVINA, NARAVA, VEDENJE, ŠIRJENJE - FIZIČNO - 2025