Lyshistorie, natur, oppførsel, forplantning

De lys Det er en elektromagnetisk bølge som kan fanges opp av synssansen. Hun utgjør en del av det elektromagnetiske spekteret: den som er kjent som synlig lys. Gjennom årene har forskjellige teorier blitt foreslått for å forklare deres natur.

For eksempel, i lang tid, ble troen på at lyset besto av en strøm av partikler som sendes ut av objektene eller av observatørens øyne, opprettholdt. Denne troen på araberne og de gamle grekerne ble delt av Isaac Newton (1642-1727) for å forklare fenomenene lys.

Figur 1. Himmelen er blå takket være spredningen av sollys i atmosfæren. Kilde: Pixabay.

Selv om Newton kom til å mistenke at lys hadde bølgende egenskaper og Christian Huygens (1629-1695) administrert.

Ved begynnelsen av det århundret viste den engelske fysikeren Thomas Young uten tvil at lysstråler kan forstyrre hverandre, slik mekaniske bølger gjør på strengene.

Det kan bare bety at lyset var en bølge og ikke en partikkel, selv om ingen visste hva slags bølge før i 1873, sa James Clerk Maxwell at lyset var en elektromagnetisk bølge.

Med støtte fra de eksperimentelle resultatene fra Heinrich Hertz i 1887, ble den bølgende naturen til lyset etablert som et vitenskapelig faktum.

Men på begynnelsen av 1900 -tallet oppsto nye bevis på lysets korpuskulære natur. Denne art er til stede i utslipps- og absorpsjonsfenomener, der lysenergi transporteres i pakker kalt "Photons".

Siden lyset sprer seg som en bølge og samhandler med materie så vel som en partikkel, gjenkjennes for øyeblikket en dobbel karakter i lyset: bølgepartikkel.

[TOC]

Lysens natur

Det er tydelig at lysets natur er dobbelt, og sprer seg som en elektromagnetisk bølge, hvis energi kommer i fotoner.

Disse, som ikke har noen masse, beveger seg i et vakuum med en konstant hastighet på 300.000 km/s. Det er den velkjente lyshastigheten i et vakuum, men lys kan reise gjennom andre medier, selv om det med forskjellige hastigheter.

Når fotoner når øynene, blir sensorer som oppdager tilstedeværelsen av lys aktivert. Informasjonen overføres til hjernen og tolkes der.

Når en kilde avgir et stort antall fotoner, ser vi det som en strålende kilde. Hvis det tvert imot avgir det få, tolkes det som en ugjennomsiktig kilde. Hvert foton har en viss energi, som hjernen tolker som en farge. For eksempel er blå fotoner mer energiske enn røde fotoner.

Enhver kilde avgir vanligvis fotoner med forskjellige energier, derfra kommer fargen den sees på.

Hvis ingenting annet avgir fotoner med en enkelt type energi, kalles det Monokromatisk lys. Laser er et godt eksempel på monokromatisk lys. Til slutt kalles fordelingen av fotoner i en kilde spektrum.

En bølge er også preget av å ha en viss bølgelengde. Som vi har sagt, hører lyset til det elektromagnetiske spekteret, som dekker et ekstremt bredt bølgelengdeområde, fra radiobølger til gammastråler. Følgende bilde viser en hvitt lysstråle et trekantet prisme. Lyset er atskilt i lang (rød) og korte bølgelengder (blå).

Der i midten er den smale bølgelengden kjent med navnet synlig spekter, som går fra 400 nanometer (nm) til 700 nm.

Figur 2. Det elektromagnetiske spekteret som viser det synlige lysområdet. Kilde: Kilde: Wikimedia Commons. Forfatter: Horst Frank.

Lett oppførsel

Lyset har en dobbel, bølge og partikkelatferd som undersøkt. Lyset sprer seg på samme måte som en elektromagnetisk bølge, og som sådan er det i stand til å transportere energi. Men når lyset samhandler med saken, oppfører det seg som om det var en partikkelstråle kalt fotoner.

Figur 4. Forplantning av en elektromagnetisk bølge. Kilde: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0/]].

I 1802 viste fysikeren Thomas Young (1773-1829) at lys hadde en oppførsel uklarende Gjennom dobbeltspalteeksperimentet.

På denne måten var han i stand til å produsere maksimal og minimum interferens på en skjerm. Denne oppførselen er typisk for bølger, og dermed kunne ung vise at lys var en bølge og kunne også måle bølgelengden.

Det andre aspektet av lyset er det av partikkel, representert av energipakker kalt Photons, som i et vakuum beveger seg med hastighet C = 3 x 10⁸ m/s og har ingen masse. Men de har energi OG:

E = hf

Og også mengden størrelsesbevegelse:

Kan tjene deg: Flytnummer: Hvordan det beregnes og eksempler

 P = E/C

Hvor h Det er Plancks konstante, hvis verdi er 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.andre og F er frekvensen av bølgen. Kombinere disse uttrykkene:

P = hf/c

Og siden bølgelengden λ og frekvens er relatert av C = λ.F, er til overs:

P = h/λ → λ = h/p

Huygens -prinsipp

Figur 5. Bølge- og lysstråler som sprer seg i en rett linje. Kilde: Serway. R. Fysikk for vitenskap og ingeniørfag.

Når du studerer lysets oppførsel, er det to viktige prinsipper å ta hensyn til: Huygens -prinsippet og Fermat -prinsippet. Huygens -prinsippet sier at:

Ethvert punkt i bølgefronten oppfører seg som en spesifikk kilde, som igjen produserer sekundære sfæriske bølger.

Hvorfor sfæriske bølger? Hvis vi antar at mediet er homogent, vil lyset som avgir en spesifikk kilde spre seg i alle retninger likt. Vi kan forestille oss at lyset sprer seg midt i en stor sfære med strålene fordelt jevnt. Den som observerer dette lyset, oppfatter at det reiser i en rett linje for øyet og beveger seg vinkelrett på bølgefronten.

Hvis lysstrålene kommer fra en veldig fjern kilde, for eksempel solen, er bølgefronten flat og strålene er parallelle. Dette er tilnærmingen til Geometrisk optikk.

Fermat -prinsippet

Fermats prinsipp sier at:

Et lynlys som reiser mellom to poeng følger banen som kreves av minimumstid.

Dette prinsippet skylder navnet til den franske matematikeren Pierre de Fermat (1601-1665), som etablerte det for første gang i 1662.

I henhold til dette prinsippet, i et homogent medium, har lyset spredt med konstant hastighet, derfor en jevn rettlinjet bevegelse og dens bane er en rett linje.

Forplantning av lys

Lys sprer seg som en elektromagnetisk bølge. Både det elektriske feltet og magnetfeltet genereres til hverandre, og utgjør koblede bølger som er i fase og er vinkelrett på hverandre og forplantningsretningen.

Generelt kan en bølge som sprer seg i verdensrommet beskrives i form av Bølge foran. Dette er settet med punkter som har samme amplitude og fase. Når du kjenner til bølgefronts plassering på et gitt øyeblikk, kan du kjenne til ethvert påfølgende sted, i henhold til Huygens -prinsippet.

Diffraksjon

Laser diffraktet med en sekskantet spalte. Lienzocian [CC By-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/4.0)]

Lysens utulerende oppførsel avslører tydelig i to viktige fenomener som oppstår under dens forplantning: diffraksjon og interferens. I diffraksjon, Bølger, enten det er fra vann, lyd eller lys, blir forvrengt når de passerer gjennom åpninger, omgir hindringer eller redder hjørner.

Hvis åpningen er stor sammenlignet med bølgelengden, er forvrengningen ikke veldig stor, men hvis åpningen er liten, er endringen i bølgeformen mer forståelig. Diffraksjon er en eksklusiv bølgeregenskap, så når lyset viser diffraksjon, vet vi at det har bølgende oppførsel.

Interferens og polarisering

For sin del innblanding av lys oppstår når elektromagnetiske bølger overlapper hverandre som komponerer dem. Dermed blir de med vektor, og dette kan føre til to typer interferens:

-Konstruktiv, når intensiteten til den resulterende bølgen er større enn intensiteten til komponentene.

-Ødeleggende hvis intensiteten er mindre enn komponentene.

Lysende bølgeforstyrrelser oppstår når bølger er monokromatisk og opprettholder den samme faseforskjellen hele tiden. Dette kalles sammenheng. Et lys som dette kan komme fra en laser for eksempel. De vanlige kildene som glødende pærer produserer ikke sammenhengende lys fordi lyset som sendes ut av millioner av atomer i glødetråden endrer fasen konstant.

Men hvis en ugjennomsiktig skjerm med to små og nære åpninger med hverandre, fungerer lyset som kommer ut av hvert spor som en sammenhengende kilde til den samme pæren.

Til slutt, når svingningene av det elektromagnetiske feltet er i samme retning, Polarisering. Naturlig lys er ikke polarisert, siden det dannes av mange komponenter og hver svinger i en annen retning.

Ung eksperiment

På begynnelsen av 1800 -tallet var den engelske fysikeren Thomas Young den første som fikk lys i samsvar med en vanlig lyskilde.

I sitt berømte dobbeltslitt eksperiment ga han lys gjennom en spalte som ble praktisert på en ugjennomsiktig skjerm. I følge Huygens -prinsippet genereres to sekundære kilder, som igjen passerte gjennom en annen ugjennomsiktig skjerm med to spalter.

Kan tjene deg: Absorbert varme: Formler, hvordan du beregner det og løste øvelserFigur 6. Youngs unge eksperimentanimasjon. Kilde: Wikimedia Commons.

Lyset som således oppnådde opplyst en vegg i et mørkt rom. Det som ble sett var et mønster bestående av alternative og mørke områder. Eksistensen av dette mønsteret forklares med fenomenet interferens beskrevet ovenfor.

Youngs eksperiment var veldig viktig fordi det viste lysets bølgende natur. Deretter har eksperimentet blitt utført med grunnleggende partikler som elektroner, nøytroner og protoner, med lignende resultater.

Lette fenomener

Speilbilde

Refleksjon av lys i vann

Når en lysstråle påvirker en overflate, kan en del av lyset reflekteres og en annen absorberer. Hvis det er et gjennomsiktig medium, fortsetter en del av lyset sin vei gjennom det.

Overflaten kan også være glatt, som et speil eller grovt og uregelmessig. Til refleksjonen som oppstår på en glatt overflate kalles Spekulær refleksjon, Ellers er det Diffus refleksjon eller uregelmessig refleksjon. En veldig polert overflate, for eksempel et speil, kan gjenspeile opptil 95% av hendelseslyset.

Spekulær refleksjon

Figuren viser en lysstråle som reiser i et medium, som kan være luften. Tilstå med vinkel θ₁ På en flat spekulær overflate og reflekteres med vinkel θ₂. Linjen betegnet som normal er vinkelrett på overflaten.

Forekomstvinkelen er lik refleksjonsvinkelen. Kilde: Serway. R. Fysikk for vitenskap og ingeniørfag.

Både hendelsesstrål og reflektert og normal til den spekulære overflaten er i samme plan. De gamle grekerne hadde allerede observert at forekomstvinkelen er lik refleksjonsvinkelen:

θ₁ = θ₂

Dette matematiske uttrykket er den lette refleksjonsloven. Imidlertid er andre bølger som lyd for eksempel også i stand til å oppleve refleksjon.

De fleste av overflatene er grove, og derfor er refleksjonen av lys diffus. På denne måten blir lyset de reflekterer sendt til alle retninger, slik at objekter kan sees hvor som helst.

Siden noen bølgelengder gjenspeiles mer enn andre, har objekter forskjellige farger.

For eksempel reflekterer bladene på trærne lyset som er omtrent midt i det synlige spekteret, som tilsvarer den grønne fargen. Resten av de synlige bølgelengdene blir absorbert: fra ultrafiolet nær det blå (350-450 nm) og det røde lyset (650-700 nm).

Brytning

Refraksjonsfenomen. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/4.0)]

Brytning av lys oppstår fordi lys reiser til forskjellige hastigheter i henhold til mediet. I et vakuum er lysets hastighet C = 3 x 10⁸ M/s, men når lyset når et materielt medium, oppstår absorpsjons- og utslippsprosesser som får energi til å avta, og med det hastigheten.

For eksempel, når du beveger seg i luften, beveger lyset seg raskt så vel som C, men i vannet reiser lyset tre kvartaler av c, Mens det er i glasset, gjør det omtrent to tredjedeler av c.

Brytningsindeks

Brytningsindeksen er betegnet n Og det er definert som kvotienten mellom lysets hastighet i vakuum c og hastigheten i nevnte medium v:

N = c/v

Brytningsindeksen er alltid større enn 1, siden lysets hastighet i et vakuum alltid er større enn i et materielt medium. Noen typiske N -verdier er:

-Luft: 1.0003

-Vann: 1.33

-Glass: 1.5

-Diamant: 2.42

Snell Law

Når en lysstråle påvirker skrått i grensen mellom to medier, for eksempel luft og glass for eksempel, reflekteres en del av lyset og en annen del følger banen inne i glasset.

I dette tilfellet opplever bølgelengden og hastigheten en variasjon når du går fra et medium til et annet, men frekvensen. Siden v = c/n = λ.F  Og også i et vakuum C = λo. F, Da har du:

(λ_enten.f /n) = λ.f → λ = λ_enten/n

Det vil si at bølgelengden i et gitt medium alltid er mindre enn bølgelengden i et vakuum λo.

Figur 8. Snell Law. Kilde: Venstre Figur: Lys refraksjonsskjema. Rex, a. Fundamentals of Physics. Right Figur: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/4.0)].

Legg merke til trekantene som har en vanlig hypotenuse i rødt i fargen. I hvert medium måler hypotenuse λ₁/sin θ₁ og λ₂/sin θ₂ med tanke på det faktum at λ og V er proporsjonale, derfor:

Kan tjene deg: optiske egenskaper til materialer

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Som λ = λ_enten/n Du må:

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

Som kan uttrykkes som:

n_{1 .} sin θ₁ = n₂ .sin θ₂

Dette er formelen for Snells lov, til ære for den nederlandske matematiske.

Alternativt er Snells lov skrevet i form av lysets hastighet i hvert miljø, ved å bruke definisjonen av brytningsindeks: N = c/v:

(CV₁) . sin θ₁ = (CV₂) .sin θ₂

v_{2 .} sin θ₁ = v₁ .sin θ₂

Spredning

Som forklart ovenfor, er lyset sammensatt av fotoner med forskjellige energier, og hver energi oppfattes som en farge. Hvitt lys inneholder fotoner av alle energier og kan derfor brytes ned i lys i forskjellige farger. Dette består av spredning av lys, som allerede var studert av Newton.

Vann synker i atmosfæren oppfører seg som små prismer. Kilde: Pixabay.

Newton tok et optisk prisme, Ray A Beam of White Light gjennom ham og skaffet seg strimler av farger som gikk fra rødt til fiolett. Denne stripen er spekteret av det synlige lyset som er sett i figur 2.

Spredningen av lys er et naturlig fenomen, hvis skjønnhet vi beundrer på himmelen når regnbuen er dannet. Sollys påvirker vannfall i atmosfæren, som fungerer som bittesmå prismer lik Newtons, og sprer lyset.

Den blå fargen som vi ser himmelen er også en konsekvens av spredningen. Atmosfæren er rik på nitrogen og oksygen.

Når solen er lavere i horisonten, under soloppgang eller solnedgang, er himmelen farget fra oransje toner takket være lysstrålene må krysse et tykkere lag av atmosfæren. Den nedre frekvensen rødlige tonene samhandler mindre med elementene i atmosfæren og benytter anledningen til å nå overflaten.

Rikelig atmosfærer i støv og forurensning, som for eksempel noen store byer, ser gråaktig himmel på grunn av spredning av lave frekvenser.

Lette teorier

Lys har blitt ansett som grunnleggende som en partikkel eller som en bølge. Den korpuskulære teorien som Newton forsvarte, anså som en lysstråle. Mens refleksjon og refraksjon kunne forklares riktig forutsatt at lyset var en bølge, som Huygens sa.

Men lenge før disse bemerkelsesverdige forskerne hadde folk allerede spekulert i lysets natur. Blant dem kunne ikke gå glipp av den greske filosofen Aristoteles. Nedenfor er et kort sammendrag av teoriene om lys over tid:

Aristotelian teori

2.500 år Aristotel.

Newton Corpuscular Theory

Newton mente troen på at lyset besto av bittesmå partikler som spredte seg i en rett linje i alle retninger. Når de når øynene, registrerer de sensasjonen som lys.

Huygens bølgende teori

Huygens publiserte et verk kalt Lystraktat der han foreslo at dette var en forstyrrelse av miljøet som ligner lydbølger.

Maxwell elektromagnetisk teori

Mens det doble krawling -eksperimentet uten tvil overlot den bølgende naturens natur, ble det i store deler av det nittende århundre spekulert i den typen bølge som var, inntil Maxwell sa i hans elektromagnetiske teori at lyset besto av utbredelsen av en elektromagnetisk felt.

Lys som en elektromagnetisk bølge forklarer fenomenene for forplantning av lys som beskrevet i de foregående seksjonene og er et konsept akseptert av nåværende fysikk, og det samme er lysets korpuskulære natur.

Einsteins korpuskulære teori

I følge den moderne lysoppfatningen består dette av partikler uten masse og uten belastning kalt fotoner. Til tross for at de ikke har noen masse, har de tid og energi, som forklart ovenfor. Denne teorien forklarer tilfredsstillende måten lys samhandler med materie, ved å utveksle energi i diskrete (kvantiserte) mengder.

Eksistensen av lysene ble foreslått av Albert Einstein for å forklare fotoelektrisk effekt Oppdaget av Heinrich Hertz noen år før. Den fotoelektriske effekten består i utslipp av elektroner ved et stoff som en slags elektromagnetisk stråling har blitt påvirket, nesten alltid i rang av ultrafiolett til synlig lys.

Referanser

1. Figueroa, d. (2005). Serier: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 7. Bølger og kvantefysikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
2. Fysisk. Lette teorier. Gjenopprettet fra: Fysisk.Ch.
3. Giancoli, d.  2006. Fysikk: Prinsipper med applikasjoner. 6. Ed Prentice Hall.
4. Bølgebevegelse. Fermats prinsipp. Hentet fra: SC.Ehu.er.
5. Rex, a. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Romero, o. 2009. Fysisk. Santillana hypertekst.
7. Serway, r. 2019. Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. 10. Utgave. Volum 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. En introduksjon til fysisk vitenskap. Tolvte utgave. Brooks/Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Lys. Gjenopprettet fra: er.Wikipedia.org.