Det lys Det er en elektromagnetisk bølge, der kan fanges af synssansen. Det udgør en del af det elektromagnetiske spektrum: det, der kaldes synligt lys. I årenes løb er forskellige teorier blevet foreslået for at forklare dens natur.
For eksempel var troen på, at lys bestod af en strøm af partikler, der udsendes af genstande eller af observatørens øjne, længe holdt. Denne tro fra araberne og de gamle græker blev delt af Isaac Newton (1642-1727) for at forklare fænomenerne lys..
Selvom Newton kom på mistanke om, at lys havde bølgekvaliteter, og Christian Huygens (1629-1695) formåede at forklare brydning og refleksion med en bølgeteori, var troen på lys som en partikel udbredt blandt alle forskere indtil begyndelsen af det 19. århundrede..
Ved begyndelsen af dette århundrede demonstrerede den engelske fysiker Thomas Young uden tvivl, at lysstråler kan forstyrre hinanden, ligesom mekaniske bølger gør i strenge..
Det kunne kun betyde, at lyset var en bølge og ikke en partikel, selvom ingen vidste, hvilken slags bølge det var, før James Clerk Maxwell hævdede, at lys var en elektromagnetisk bølge..
Med støtte fra de eksperimentelle resultater fra Heinrich Hertz i 1887 blev lysets bølgevægt etableret som en videnskabelig kendsgerning..
Men i begyndelsen af det 20. århundrede opstod der nye beviser om lysets korpuskulære natur. Denne natur er til stede i emissions- og absorptionsfænomener, hvor lysenergi transporteres i pakker kaldet "fotoner".
Da lys således formerer sig som en bølge og interagerer med stof som en partikel, anerkendes i øjeblikket en dobbelt natur i lys: bølge-partikel.
Artikelindeks
Det er klart, at lysets natur er dobbelt og formerer sig som en elektromagnetisk bølge, hvis energi kommer i fotoner.
Disse, som ikke har nogen masse, bevæger sig i vakuum med en konstant hastighed på 300.000 km / s. Det er den kendte lyshastighed i vakuum, men lys kan bevæge sig gennem andre medier, omend med forskellige hastigheder.
Når fotoner når vores øjne, aktiveres de sensorer, der registrerer tilstedeværelsen af lys. Oplysningerne overføres til hjernen og fortolkes lige der.
Når en kilde udsender et stort antal fotoner, ser vi det som en lys kilde. Hvis det tværtimod udsender få, fortolkes det som en uigennemsigtig kilde. Hver foton har en bestemt energi, som hjernen fortolker som en farve. For eksempel er blå fotoner mere energiske end røde fotoner.
Enhver kilde udsender normalt fotoner med forskellige energier, derfra kommer den farve, som den ses med.
Hvis intet andet udsender fotoner med en enkelt type energi, kaldes det monokromatisk lys. Laseren er et godt eksempel på monokromatisk lys. Endelig kaldes fordelingen af fotoner i en kilde spektrum.
En bølge er også kendetegnet ved at have en bestemt bølgelængde. Som vi har sagt, hører lys til det elektromagnetiske spektrum, der dækker et ekstremt bredt spektrum af bølgelængder, fra radiobølger til gammastråler. Det følgende billede viser, hvordan et trekantet prisme spreder en stråle af hvidt lys. Lys er adskilt i lange (røde) og korte (blå) bølgelængder.
Der i midten er det smalle bånd af bølgelængder kendt som det synlige spektrum, som går fra 400 nanometer (nm) til 700 nm..
Lys har dobbelt-, bølge- og partikeladfærd som undersøgt. Lys forplantes på samme måde som en elektromagnetisk bølge, og som sådan er det i stand til at transportere energi. Men når lys interagerer med stof, opfører det sig som en stråle af partikler kaldet fotoner..
I 1802 viste fysikeren Thomas Young (1773-1829), at lys havde en opførsel undulatory ved hjælp af dobbelt slids eksperiment.
På denne måde var han i stand til at producere maksimal og minimal interferens på en skærm. Denne adfærd er typisk for bølger, og Young var således i stand til at demonstrere, at lys var en bølge og også var i stand til at måle dens bølgelængde.
Det andet aspekt af lys er det partikel, repræsenteret af energipakker kaldet fotoner, der bevæger sig i vakuum med hastighed c = 3 x 108 m / s og har ingen masse. Men de har energi OG:
E = hf
Og også størrelsesmoment:
p = E / c
Hvor h er Plancks konstant, hvis værdi er 6,63 x 10-3. 4 Joule anden og F er frekvensen af bølgen. Kombination af disse udtryk:
p = hf / c
Og siden bølgelængden λ og hyppighed er relateret til c = λ.f, forbliver:
p = h / λ → λ = h / p
Når man studerer lysets opførsel, er der to vigtige principper at overveje: Huygens 'princip og Fermats princip. Huygens 'princip siger, at:
Ethvert punkt på bølgefronten opfører sig som en punktkilde, som igen producerer sekundære sfæriske bølger.
Hvorfor sfæriske bølger? Hvis vi antager, at mediet er homogent, vil det udsendte lys fra en punktkilde sprede sig i alle retninger ens. Vi kan forestille os, at lys formerer sig midt i en stor kugle med strålerne jævnt fordelt. Den, der observerer dette lys, opfatter, at det bevæger sig i en lige linje mod hans øje og bevæger sig vinkelret på bølgefronten.
Hvis lysstrålerne kommer fra en meget fjern kilde, for eksempel solen, er bølgefronten flad, og strålene er parallelle. Dette er hvad tilnærmelsen af geometrisk optik.
Fermats princip siger, at:
En lysstråle, der bevæger sig mellem to punkter, følger stien, der kræver den minimale tid.
Dette princip skylder sit navn til den franske matematiker Pierre de Fermat (1601-1665), der først etablerede det i 1662.
Ifølge dette princip formeres lys i et homogent medium med konstant hastighed, derfor har det en ensartet retlinjet bevægelse, og dens bane er en lige linje..
Lys bevæger sig som en elektromagnetisk bølge. Både det elektriske felt og magnetfeltet genererer hinanden og udgør koblede bølger, der er i fase og er vinkelrette på hinanden og i retning af udbredelse..
Generelt kan en bølge, der formerer sig i rummet, beskrives i form af bølgefront. Dette er det sæt af punkter, der har samme amplitude og fase. At kende bølgefrontens placering på et givet øjeblik kan enhver efterfølgende placering være kendt ifølge Huygens 'princip.
Lysets bølgeopførsel fremgår tydeligt af to vigtige fænomener, der opstår under dets udbredelse: diffraktion og interferens. I diffraktion, Bølger, hvad enten det er af vand, lyd eller lys, er forvrængede, når de passerer gennem åbninger, går rundt om forhindringer eller går rundt om hjørner.
Hvis blænden er stor sammenlignet med bølgelængden, er forvrængningen ikke særlig stor, men hvis blænden er lille, er ændringen i bølgeform mere synlig. Diffraktion er en eksklusiv egenskab for bølger, så når lys udviser diffraktion, ved vi, at det har bølgeform.
For sin del interferens af lys opstår, når de elektromagnetiske bølger, der sammensætter dem, overlapper hinanden. Dermed tilføjes de vektorielt, og dette kan give anledning til to typer interferens:
-Konstruktivt, når intensiteten af den resulterende bølge er større end komponenternes intensitet.
-Destruktiv, hvis intensiteten er mindre end komponenterne.
Lysbølgeforstyrrelser opstår, når bølgerne er monokromatiske og opretholder den samme faseforskel hele tiden. Dette kaldes sammenhæng. Et lys som dette kan f.eks. Komme fra en laser. Almindelige kilder såsom glødepærer producerer ikke sammenhængende lys, fordi lyset, der udsendes af de millioner af atomer i glødetråden, konstant skifter fase..
Men hvis en uigennemsigtig skygge med to små åbninger tæt på hinanden placeres på den samme pære, fungerer lyset, der kommer ud af hver slot, som en sammenhængende kilde..
Endelig, når svingningerne i det elektromagnetiske felt alle er i samme retning, Polarisering. Naturligt lys er ikke polariseret, da det består af mange komponenter, der hver især svinger i en anden retning.
I begyndelsen af det 19. århundrede var den engelske fysiker Thomas Young den første til at opnå sammenhængende lys med en almindelig lyskilde..
I sit berømte dobbeltspalteeksperiment passerede han lys gennem en spalte i en uigennemsigtig skærm. I henhold til Huygens-princippet genereres to sekundære kilder, som igen føres gennem en anden uigennemsigtig skærm med to spalter.
Det således opnåede lys oplyste en mur i et mørkt rum. Hvad der blev set var et mønster bestående af skiftende lyse og mørke områder. Eksistensen af dette mønster forklares med det ovenfor beskrevne interferensfænomen..
Youngs eksperiment var meget vigtigt, fordi det afslørede lysets bølge. Derefter er eksperimentet udført med grundlæggende partikler såsom elektroner, neutroner og protoner med lignende resultater..
Når en lysstråle rammer en overflade, kan noget af lyset reflekteres og noget absorberes. Hvis det er et gennemsigtigt medium, fortsætter noget af lyset sig gennem det.
Overfladen kan også være glat, spejllignende eller ru og ujævn. Den refleksion, der opstår på en glat overflade kaldes spejlrefleksion, ellers er det diffus refleksion eller uregelmæssig refleksion. En meget poleret overflade, såsom et spejl, kan reflektere op til 95% af det indfaldende lys.
Figuren viser en lysstråle, der bevæger sig i et medium, som kan være luft. Hændelse med vinkel θ1 på en plan spekulær overflade og reflekteres i vinklen θto. Linjen betegnet som normal er vinkelret på overfladen.
Både hændelsen og den reflekterede stråle og den normale til den spekulære overflade er i samme plan. De gamle grækere havde allerede bemærket, at indfaldsvinklen er lig med refleksionsvinklen:
θ1 = θto
Dette matematiske udtryk er loven om refleksion af lys. Imidlertid er andre bølger som f.eks. Lyd også i stand til at blive reflekteret.
De fleste overflader er ru, og derfor er refleksionen af lyset diffust. På denne måde sendes det lys, de reflekterer, til alle retninger, så genstande kan ses hvor som helst.
Da nogle bølgelængder reflekteres mere end andre, har objekter forskellige farver.
F.eks. Reflekterer træernes blade lys, der er omtrent midt i det synlige spektrum, hvilket svarer til farven grøn. Resten af de synlige bølgelængder absorberes: fra ultraviolet tæt på blåt (350-450 nm) og rødt lys (650-700 nm).
Brydningen af lys opstår, fordi lys bevæger sig med forskellige hastigheder afhængigt af mediet. I vakuum er lysets hastighed c = 3 x 108 m / s, men når lys når et materialemedium, opstår absorptions- og emissionsprocesser, der får energien til at falde, og dermed hastigheden.
For eksempel, når man bevæger sig i luft, bevæger lys sig næsten lig med c, men i vand bevæger lys sig med tre fjerdedele af en hastighed. c, mens det i glas gør det ved ca. to tredjedele af c.
Brydningsindekset er angivet n og er defineret som kvotienten mellem lysets hastighed i vakuum c og dens hastighed i mediet v:
n = c / v
Brydningsindekset er altid større end 1, da lysets hastighed i vakuum altid er større end i et materialemedium. Nogle typiske værdier for n er:
-Luft: 1.0003
-Vand: 1,33
-Glas: 1,5
-Diamant: 2,42
Når en lysstråle skråt rammer grænsen mellem to medier, som f.eks. Luft og glas, reflekteres en del af lyset, og en anden del fortsætter sin vej inde i glasset.
I dette tilfælde undergår bølgelængden og hastigheden en variation, når de passerer fra et medium til et andet, men ikke frekvensen. Siden v = c / n = λ.f og også i tomrummet c = λo. F, så har du:
(λeller.f / n) = λ.f → λ = λeller/ n
Det vil sige, bølgelængden i et givet medium er altid mindre end bølgelængden i vakuum λo.
Se på trekanterne, der har en fælles hypotenus i rødt. I hvert medium måler hypotenusen λ1/ sen θ1 og λto/ sen θto da henholdsvis λ og v er proportionale, derfor:
λ1/ sen θ1 = λto/ sen θto
Hvad λ = λeller/ n du skal:
(λeller/ n1) / sen θ1 = (λeller/ nto) / sen θto
Som kan udtrykkes som:
n1 . sen θ1 = nto .sen θto
Dette er formlen i Snells lov til ære for den hollandske matematiker Willebrord Snell (1580-1626), der afledte den eksperimentelt ved at observere lys, der passerer fra luft til vand og glas.
Alternativt er Snells lov skrevet med hensyn til lysets hastighed i hvert medium ved hjælp af definitionen af brydningsindeks: n = c / v:
(c / v1) . sen θ1 = (c / vto) .sen θto
vto . sen θ1 = v1 .sen θto
Som forklaret ovenfor består lys af fotoner med forskellige energier, og hver energi opfattes som en farve. Hvidt lys indeholder fotoner af alle energier og kan derfor nedbrydes i forskellige farvede lys. Dette er spredning af lys, som allerede var undersøgt af Newton.
Newton tog et optisk prisme, ledte en stråle af hvidt lys igennem det og fik farvede striber fra rød til violet. Denne frynser er spektret af synligt lys set i figur 2.
Spredning af lys er et naturfænomen, hvis skønhed vi beundrer på himlen, når regnbuen dannes. Sollys falder på vanddråber i atmosfæren, der fungerer som små prismer svarende til Newtons og spreder således lyset.
Den blå farve, som vi ser himlen med, er også en konsekvens af spredning. Rig på kvælstof og ilt spreder atmosfæren hovedsageligt blå og violette nuancer, men det menneskelige øje er mere følsomt over for blå og derfor ser vi himlen i denne farve.
Når solen er lavere i horisonten, under solopgang eller solnedgang, bliver himlen orange takket være, at lysstrålene skal passere gennem et tykkere lag af atmosfæren. De rødlige toner ved lavere frekvenser interagerer mindre med elementerne i atmosfæren og drager fordel af at nå overfladen direkte.
Atmosfærer, der er rige på støv og forurening, såsom dem i nogle større byer, har grålig himmel på grund af spredning af lave frekvenser.
Lys er grundlæggende betragtet som en partikel eller som en bølge. Den korpuskulære teori, som Newton forsvarede, betragtede lys som en stråle af partikler. Mens refleksion og brydning kunne forklares tilstrækkeligt ved at antage, at lys var en bølge, som Huygens hævdede.
Men længe før disse bemærkelsesværdige forskere havde folk allerede spekuleret i lysets natur. Blandt dem kunne den græske filosof Aristoteles ikke være fraværende. Her er en kort sammenfatning af teorierne om lys over tid:
For 2500 år siden sagde Aristoteles, at der opstod lys fra observatørens øjne, belyste genstande og vendte tilbage på en eller anden måde med billedet, så det kunne værdsættes af personen.
Newton var af den overbevisning, at lys bestod af små partikler, der spredes i en lige linje i alle retninger. Når de når øjnene, registrerer de fornemmelsen som lys.
Huygens udgav et værk kaldet Afhandling af lys hvor han foreslog, at dette var en forstyrrelse af miljøet svarende til lydbølger.
Selvom eksperimentet med dobbelt spalte ikke efterlod nogen tvivl om lysets bølge, var der i store dele af det nittende århundrede spekulationer om, hvilken type bølge det var, indtil Maxwell i sin elektromagnetiske teori sagde, at lys bestod af udbredelsen af et elektromagnetisk felt.
Lys som en elektromagnetisk bølge forklarer fænomenerne med lysudbredelse som dem, der er beskrevet i de foregående afsnit og er et begreb, der accepteres af den nuværende fysik, ligesom lysets kropuskulære natur..
Ifølge den moderne opfattelse af lys består det af masseløse og uladede partikler kaldet fotoner. På trods af at de ikke har masse, har de fart og energi, som forklaret ovenfor. Denne teori forklarer tilfredsstillende den måde, hvorpå lys interagerer med stof ved at udveksle energi i diskrete (kvantiserede) størrelser..
Eksistensen af lyskvanta blev foreslået af Albert Einstein for at forklare fotoelektrisk effekt opdaget af Heinrich Hertz et par år tidligere. Den fotoelektriske effekt består af emission af elektroner fra et stof, som en slags elektromagnetisk stråling er blevet påvirket af, næsten altid i området fra ultraviolet til synligt lys..
Endnu ingen kommentarer