SVJETLO: POVIJEST, PRIRODA, PONAŠANJE, ŠIRENJE - FIZIČKA - 2024

Svjetlost je elektromagnetski val može biti otkriven smislu očima. Ona čini dio elektromagnetskog spektra: ono što je poznato kao vidljiva svjetlost. Tijekom godina predložene su razne teorije kako bi se objasnila njegova priroda.

Na primjer, vjerovanje da se svjetlost sastoji od toka čestica koje emitiraju predmeti ili oči promatrača dugo se zadržalo. To vjerovanje Arapa i starih Grka dijelio je Isaac Newton (1642-1727) kako bi objasnio pojave svjetlosti.

Slika 1. Nebo je plavo zahvaljujući rasipanju sunčeve svjetlosti u atmosferi. Izvor: Pixabay.

Iako je Newton sumnjao da svjetlost ima valne kvalitete i Christian Huygens (1629-1695) je uspio objasniti refrakciju i refleksiju s teorijom valova, vjerovanje o svjetlosti kao čestici bilo je rašireno među svim znanstvenicima do početka 19. stoljeća.,

U zoru tog stoljeća engleski fizičar Thomas Young pokazao je bez sumnje da svjetlosne zrake mogu interferirati jedna s drugom, baš kao što to čine mehanički valovi u žicama.

To bi moglo značiti samo da je svjetlost val, a ne čestica, iako nitko nije znao o kakvom se valu radi sve dok 1873. James Clerk Maxwell nije tvrdio da je svjetlost elektromagnetski val.

Uz potporu eksperimentalnih rezultata Heinricha Hertza 1887. godine, valna priroda svjetlosti utvrđena je kao znanstvena činjenica.

Ali početkom 20. stoljeća pojavili su se novi dokazi o korpuskularnoj prirodi svjetla. Ta je priroda prisutna u fenomenima emisije i apsorpcije u kojima se svjetlosna energija transportira u paketima koji se nazivaju "fotoni".

Dakle, budući da se svjetlost širi kao val i djeluje s materijom poput čestice, u svjetlu je trenutačno prepoznata dvostruka priroda: val-čestica.

Priroda svjetla

Jasno je da je priroda svjetlosti dvostruka, koja se širi kao elektromagnetski val, čija energija dolazi u fotonima.

Oni, koji nemaju masu, kreću se u vakuumu konstantnom brzinom od 300 000 km / s. To je poznata brzina svjetlosti u vakuumu, ali svjetlost može putovati kroz druge medije, iako različitom brzinom.

Kad fotoni dođu do naših očiju, aktiviraju se senzori koji otkrivaju prisutnost svjetlosti. Informacije se prenose u mozak i tamo se tumače.

Kad izvor emitira veliki broj fotona, mi to vidimo kao svijetli izvor. Ako, naprotiv, emitira malo, to se tumači kao neproziran izvor. Svaki foton ima određenu energiju, koju mozak tumači kao boju. Na primjer, plavi fotoni su energičniji od crvenih fotona.

Bilo koji izvor obično emitira fotone različite energije, otuda i boja s kojom se vidi.

Ako ništa drugo ne emitira fotone s jednom vrstom energije, to se zove monokromatska svjetlost. Laser je dobar primjer jednobojne svjetlosti. Konačno, raspodjela fotona u izvoru naziva se spektrom.

Val se također karakterizira određenom valnom duljinom. Kao što smo rekli, svjetlost pripada elektromagnetskom spektru, koji pokriva izuzetno širok raspon valnih duljina, od radio valova do gama zraka. Sljedeća slika prikazuje kako snop bijele svjetlosti raspršuje trokutastu prizmu. Svjetlost je odvojena na duge (crvene) i kratke (plave) valne duljine.

U sredini je uski pojas valnih duljina poznat kao vidljivi spektar, a kreće se od 400 nanometara (nm) do 700 nm.

Slika 2. Elektromagnetski spektar koji prikazuje raspon vidljive svjetlosti. Izvor: Izvor: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Ponašanje svjetlosti

Kao što je ispitano, svjetlost ima dvostruko ponašanje, val i čestice. Svjetlost se širi na isti način kao i elektromagnetski val, te je kao takva sposobna prenijeti energiju. No, kada svjetlost djeluje s materijom, ona se ponaša poput snopa čestica zvanih fotoni.

Slika 4. širenje elektromagnetskog vala. Izvor: Wikimedia Commons. SuperManu.

1802. fizičar Thomas Young (1773.-1829.) Pokazao je da svjetlost ima valno ponašanje eksperimentom s dvostrukim prorezom.

Na taj je način uspio proizvesti maksimalne i minimalne smetnje na ekranu. Ovo je ponašanje tipično za valove i stoga je Young mogao pokazati da je svjetlost val, a također je u stanju izmjeriti i svoju valnu duljinu.

Drugi aspekt svjetlosti je onaj čestice, predstavljen paketima energije zvanim fotoni, koji se u vakuumu kreću brzinom c = 3 x 10 ⁸ m / s i nemaju masu. Ali oni imaju E energiju:

A također i zamah veličine:

Gdje je h Planckova konstanta, čija je vrijednost 6,63 x 10 ^-34 Joule.sekunda, a f je frekvencija vala. Kombinacija ovih izraza:

A budući da su valna duljina λ i frekvencija povezane c = λ.f, ostaje:

Huygensov princip

Slika 5. Prednje i svjetlosne zrake koje se šire u ravnoj liniji. Izvor: Serway. R. Fizika za znanost i inženjerstvo.

Kada proučavamo ponašanje svjetla, potrebno je razmotriti dva važna principa: Huygensov princip i Fermatov princip. Huygensov princip kaže da:

Zašto sferni valovi? Ako pretpostavimo da je medij homogen, svjetlost koju emitira točkasti izvor će se širiti u svim smjerovima jednako. Možemo zamisliti kako se svjetlost širi usred velike sfere kojom su zrake ravnomjerno raspoređene. Tko promatra ovo svjetlo, opaža da ono putuje ravno u pravcu prema njegovom oku i da se kreće okomito na valnu frontu.

Ako zrake svjetlosti dolaze iz vrlo udaljenog izvora, na primjer, Sunca, val vala je ravan, a zrake paralelne. O tome se radi u pristupu geometrijske optike.

Fermatov princip

Fermatov princip kaže da:

Ovaj princip duguje svom imenu francuskom matematičaru Pierreu de Fermatu (1601-1665) koji ga je prvi uspostavio 1662. godine.

Prema ovom principu, u homogenom srednjem svjetlu širi se konstantnom brzinom, stoga ima jednoliko pravocrtno kretanje, a njegova putanja je ravna linija.

Širenje svjetlosti

Svjetlost putuje poput elektromagnetskog vala. I električno i magnetsko polje generiraju se međusobno, tvoreći povezane valove koji su u fazi i okomiti su jedan na drugi i na smjer širenja.

Općenito, val koji se širi u prostoru može se opisati terminom valnog fronta. Ovo je skup točaka koje imaju jednake amplitude i faze. Znajući mjesto valovnog fronta u datom trenutku, prema Huygensovom principu može biti poznato svako sljedeće mjesto.

difrakcija

Laser se difrira šesterokutnim prorezom. Lienzocian

Valjno ponašanje svjetlosti jasno dokazuje dvije važne pojave koje nastaju tijekom njegovog širenja: difrakcija i interferencija. Za razliku od toga, valovi, bilo da su voda, zvuk ili svjetlost, izobličeni su kad prolaze kroz otvore, prolaze oko prepreka ili zalaze okolo.

Ako je otvor blende velik u odnosu na valnu duljinu, izobličenje nije jako veliko, ali ako je otvor mali, promjena oblika valnog oblika je primjetnija. Difrakcija je ekskluzivno svojstvo valova, pa kad svjetlost pokazuje difrakciju znamo da ima valno ponašanje.

Interferencija i polarizacija

Sa svoje strane, interferencija svjetla nastaje kada se elektromagnetski valovi koji ih čine preklapaju. Pri tome se dodaju vektorski i to bi moglo dovesti do dvije vrste smetnji:

–Konstruktivno, kada je intenzitet rezultirajućeg vala veći od intenziteta sastavnih dijelova.

- razorno ako je intenzitet manji od intenziteta komponenata.

Smetnje svjetlosnih valova nastaju kada su valovi jednobojni i cijelo vrijeme održavaju istu faznu razliku. To se naziva dosljednost. Svjetlost poput ove može doći primjerice od lasera. Uobičajeni izvori, poput žarulja sa žarnom niti, ne proizvode koherentnu svjetlost, jer svjetlost koju ispuštaju milioni atoma u žarulji stalno mijenja fazu.

Ali ako je ta ista žarulja opremljena neprozirnim zaslonom s dva mala otvora blizu jedan drugom, svjetlost koja izlazi iz svakog utora djeluje kao koherentan izvor.

Konačno, kada su oscilacije elektromagnetskog polja sve u istom smjeru, dolazi do polarizacije. Prirodno svjetlo nije polarizirano, jer se sastoji od mnogih komponenti, od kojih svaka oscilira u drugom smjeru.

Youngov eksperiment

Početkom 19. stoljeća engleski fizičar Thomas Young prvi je dobio koherentnu svjetlost s običnim izvorom svjetla.

U svom poznatom eksperimentu s dvostrukim prorezom, on je prolazio svjetlost kroz prorez u neprozirnom zaslonu. Prema Huygenskom principu, nastaju dva sekundarna izvora koji su zauzvrat prošli kroz drugi neprozirni zaslon s dva proreza.

Slika 6. Animacija Young-ovog eksperimenta s dvostrukim prorezom. Izvor: Wikimedia Commons.

Tako dobiveno svjetlo osvjetljavalo je zid u mračnoj sobi. Ono što je bilo vidljivo bio je uzorak koji se sastojao od naizmjeničnih svijetlih i tamnih područja. Postojanje ovog obrasca objašnjeno je gore opisanim fenomenom interferencije.

Youngov eksperiment bio je vrlo važan jer je otkrivao valnu prirodu svjetlosti. Nakon toga je proveden eksperiment s osnovnim česticama poput elektrona, neutrona i protona, sa sličnim rezultatima.

Fenomeni svjetlosti

Odraz

Odbojnost svjetlosti u vodi

Kad zrak svjetlosti udari u površinu, dio svjetlosti može se odbiti, a neki apsorbirati. Ako je proziran medij, neka svjetlost nastavlja svoj put kroz njega.

Također, površina može biti glatka, poput zrcala, ili gruba i neravna. Odboj koji nastaje na glatkoj površini naziva se spekularni odraz, inače je difuzni odraz ili nepravilni odraz. Visoko polirana površina, poput ogledala, može odražavati do 95% upadne svjetlosti.

Spekularni odraz

Na slici je prikazana zraka svjetlosti koja putuje u mediju, a to može biti zrak. Pada pod kutom θ ₁ na ravnoj spekularnoj površini i odražava se pod kutom θ ₂. Linija označena kao normalna okomito je na površinu.

Upadni kut jednak je kutu refleksije. Izvor: Serway. R. Fizika za znanost i inženjerstvo.

I incident i odbijena zraka i normalno na zrcalnoj površini nalaze se u istoj ravnini. Stari Grci su već primijetili da je upadni kut jednak kutu refleksije:

Ovaj matematički izraz zakon je refleksije svjetlosti. Međutim, i drugi valovi poput zvuka, na primjer, također su sposobni reflektirati.

Većina je površina hrapava, pa je stoga refleks svjetlosti difuzan. Na taj se način svjetlost koju odražavaju šalje u svim smjerovima, tako da se predmeti mogu vidjeti s bilo kojeg mjesta.

Kako se neke valne duljine odražavaju više od drugih, predmeti imaju različite boje.

Na primjer, lišće stabala odražava svjetlost koja se nalazi približno na sredini vidljivog spektra, što odgovara zelenoj boji. Ostale vidljive valne duljine apsorbiraju se: ultraljubičasto blizu plave (350-450 nm) i crvene svjetlosti (650-700 nm).

refrakcija

Fenomen refrakcije. Josell7

Refrakcija svjetlosti nastaje zato što svjetlost putuje različitim brzinama, ovisno o mediju. U vakuumu je brzina svjetlosti c = 3 x 10 ⁸ m / s, ali kada svjetlost dosegne materijalni medij, nastaju procesi apsorpcije i emisije koji uzrokuju smanjenje energije, a s njom i brzinu.

Na primjer, kada se kreće u zraku, svjetlost putuje gotovo jednakom brzinom do c, ali u vodi svjetlost putuje na tri četvrtine c, dok u staklu putuje na otprilike dvije trećine c.

Indeks loma

Indeks loma označava se n i definira kao kvocijent između brzine svjetlosti u vakuumu c i njene brzine u navedenom mediju v:

Indeks loma je uvijek veći od 1, jer je brzina svjetlosti u vakuumu uvijek veća nego u materijalnom mediju. Neke tipične vrijednosti n su:

-Air: 1.0003

-Voda: 1,33

-Sjaja: 1.5

-Dijamant: 2,42

Snellov zakon

Kad zraka svjetlosti koso dosegne granicu između dva medija, na primjer zraka i stakla, dio svjetla se reflektira, a drugi dio nastavlja svoj put u čašu.

U ovom slučaju valna duljina i brzina podliježu promjenama pri prelasku s jednog medija na drugi, ali ne i frekvencija. Budući da je v = c / n = λ.f i također u vakuumu c = λo. f, tada imamo:

Odnosno, valna duljina u određenom mediju uvijek je manja od valne duljine u vakuumu λo.

Slika 8. Snellov zakon. Izvor: Lijeva figura: dijagram loma svjetlosti. Rex, A. Osnove fizike. Desna brojka: Wikimedia Commons. Josell7.

Obratite pažnju na trokut koji imaju zajedničku hipotenuzu crvene boje. U svakom mediju hipotenuza mjeri λ ₁ / sin θ ₁ i λ ₂ / sin θ ₂, budući da su λ i v proporcionalni:

Budući da je λ = λ _o / n imamo:

Koje se mogu izraziti kao:

Ovo je formula Snell-ovog zakona, u čast nizozemskog matematičara Willebrorda Snell-a (1580-1626) koji ga je eksperimentalno promatrao promatrajući svjetlost koja prolazi iz zraka u vodu i staklo.

Snell-ov zakon, inače, piše se brzinom svjetlosti u svakom mediju, koristeći definiciju indeksa loma: n = c / v:

Disperzija

Kao što je gore objašnjeno, svjetlost se sastoji od fotona s različitim energijama, a svaka energija doživljava se kao boja. Bijelo svjetlo sadrži fotone svih energija i zato ih je moguće razbiti na različite boje svjetla. Ovo je raspršenje svjetlosti, koje je Newton već proučavao.

Kapi vode u atmosferi ponašaju se poput malih prizmi. Izvor: Pixabay.

Newton je uzeo optičku prizmu, prošao snop bijele svjetlosti kroz nju i dobio obojene trake u rasponu od crvene do ljubičaste. Ovaj rub je spektar vidljive svjetlosti koji se vidi na slici 2.

Raspršivanje svjetlosti prirodni je fenomen, čijoj se ljepoti divimo na nebu kada se formira duga. Sunčeva svjetlost pada na kapljice vode u atmosferi, koje djeluju poput sićušnih Newtonovih prizmi i tako raspršuju svjetlost.

Plava boja kojom vidimo nebo također je posljedica raspršenosti. Bogata dušikom i kisikom atmosfera uglavnom raspršuje nijanse plave i ljubičaste, ali ljudsko oko je osjetljivije na plavu i zato vidimo nebo ove boje.

Kad je Sunce niže na horizontu, za vrijeme izlaska ili zalaska sunca, nebo postaje narančasto zahvaljujući činjenici da svjetlosne zrake moraju prolaziti kroz deblji sloj atmosfere. Crvenkasti tonovi nižih frekvencija manje komuniciraju s elementima atmosfere i iskorištavaju prednost izravno na površinu.

Atmosfere bogate prašinom i zagađenjem, poput onih u nekim većim gradovima, imaju sivkasto nebo zbog disperzije niskih frekvencija.

Teorije o svjetlosti

Svjetlost se prije svega smatra česticom ili valom. Korpuskularna teorija koju je Newton branio smatrala je svjetlost snopom čestica. Dok bi se refleksija i lomljenje mogli na odgovarajući način objasniti pretpostavkom da je svjetlost val, kao što tvrdi Huygens.

Ali mnogo prije tih izuzetnih znanstvenika, ljudi su već nagađali o prirodi svjetlosti. Među njima grčki filozof Aristotel nije mogao biti prisutan. Evo kratkog sažetka teorija svjetlosti kroz vrijeme:

Aristotelovska teorija

Prije 2500 godina Aristotel je tvrdio da svjetlost izlazi iz očiju promatrača, osvjetljava predmete i na neki se način vraća slikom kako bi je osoba mogla procijeniti.

Newtonova korpuskularna teorija

Newton se držao uvjerenja da se svjetlost sastoji od sićušnih čestica koje se šire ravno u svim pravcima. Kad dođu do očiju, registriraju osjećaj kao svjetlost.

Huygenska teorija valova

Huygens je objavio rad pod nazivom "Treatise on light" u kojem je predložio da je to poremećaj medija sličnog zvučnim valovima.

Maxwell-ova elektromagnetska teorija

Iako je eksperiment s dvostrukim prorezom ne ostavljao sumnju u valnu prirodu svjetlosti, veći dio devetnaestog stoljeća bilo je nagađanja o vrsti vala, sve dok Maxwell nije u svojoj elektromagnetskoj teoriji izjavio da se svjetlost sastoji od širenje elektromagnetskog polja.

Svjetlost kao elektromagnetski val objašnjava pojave širenja svjetlosti opisane u prethodnim odjeljcima i koncept je prihvaćen od strane trenutne fizike, kao i tjelesnu prirodu svjetlosti.

Einsteinova korpuskularna teorija

Prema modernoj koncepciji svjetlosti, ona se sastoji od bezmasnih i neispranih čestica zvanih fotoni. Iako nemaju masu, imaju zamah i energiju, kao što je gore objašnjeno. Ova teorija uspješno objašnjava način na koji svjetlost djeluje na materiju razmjenom energije u diskretnim (kvantiziranim) količinama.

Postojanje kvanta svjetla predložio je Albert Einstein kako bi objasnio fotoelektrični učinak koji je Heinrich Hertz otkrio nekoliko godina ranije. Fotoelektrični učinak sastoji se od emisije elektrona tvari koje su ugrizle neke vrste elektromagnetskog zračenja, gotovo uvijek u rasponu od ultraljubičastog do vidljive svjetlosti.

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 7. Valovi i kvantna fizika. Uredio Douglas Figueroa (USB).
2. Purgativ. Teorije svjetlosti. Oporavak od: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. 6.. Ed Prentice Hall.
4. Kretanje valova. Fermatov princip. Oporavak od: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fizika. Santillana Hypertext.
7. Serway, R. 2019. Fizika za znanost i inženjerstvo. 10.. Izdanje. Svezak 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Uvod u fizikalne znanosti. Dvanaesto izdanje. Brooks / Cole, izdanja u registru.
9. Wikipedia. Svjetlo. Oporavak od: es.wikipedia.org.