СВЕТЛО: ИСТОРИЈА, ПРИРОДА, ПОНАШАЊЕ, ШИРЕЊЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Светло је електромагнетни талас може детектовати чула вида. Састоји од дела електромагнетног спектра: оно што је познато као видљива светлост. Током година предложене су разне теорије да би се објаснила његова природа.

На пример, веровање да се светлост састоји од тока честица које емитују предмети или очи посматрача дуго се задржавало. Ово веровање Арапа и старих Грка делио је Исак Њутн (1642-1727) да би објаснио појаве светлости.

Слика 1. Небо је плаво захваљујући расипању сунчеве светлости у атмосфери. Извор: Пикабаи.

Иако је Невтон сумњао да светлост има таласне квалитете и Цхристиан Хуигенс (1629-1695) је успео да објасни рефракцију и рефлексију са теоријом таласа, веровање светлости као честице било је широко распрострањено међу свим научницима све до почетка 19. века. .

У зору тог века, енглески физичар Тхомас Иоунг показао је без сумње да светлосни зраци могу ометати једни друге, баш као што то раде механички таласи у жицама.

То би могло само значити да је светлост талас, а не честица, мада нико није знао о каквом таласу је било тек 1873. године, Џејмс Клерк Максвел тврдио је да је светлост електромагнетни талас.

Уз подршку експерименталних резултата Хеинрицха Хертза из 1887., таласна природа светлости утврђена је као научна чињеница.

Али почетком 20. века појавили су се нови докази о корпускуларној природи светлости. Ова природа присутна је у феноменима емисије и апсорпције, у којима се светлосна енергија преноси у паковањима која се називају "фотони".

Дакле, будући да се светлост шири као талас и у интеракцији са материјом попут честице, у светлости је тренутно препозната двострука природа: талас-честица.

Природа светлости

Јасно је да је природа светлости двострука, која се шири као електромагнетни талас, чија енергија долази у фотонима.

Они, који немају масу, крећу се у вакууму константном брзином од 300 000 км / с. То је позната брзина светлости у вакууму, али светлост може путовати кроз друге медије, иако различитом брзином.

Када фотони дођу до наших очију, активирају се сензори који детектују присуство светлости. Информације се преносе у мозак и тамо се интерпретирају.

Кад извор емитује велики број фотона, ми то видимо као сјајан извор. Ако, напротив, емитује мало њих, то се тумачи као непрозиран извор. Сваки фотон има одређену енергију коју мозак тумачи као боју. На примјер, плави фотони су енергичнији од црвених фотона.

Било који извор обично емитује фотоне различите енергије, отуда и боја са којом се види.

Ако ништа друго не емитује фотоне са једном врстом енергије, то се назива монохроматска светлост. Ласер је добар пример једнобојне светлости. Коначно, расподјела фотона у извору назива се спектром.

Талас се такође карактерише тиме што има одређену таласну дужину. Као што смо рекли, светлост припада електромагнетном спектру који покрива изузетно широк распон таласних дужина, од радио таласа до гама зрака. Следећа слика показује како сноп беле светлости распршује трокутасту призму. Светлост је раздвојена на дуге (црвене) и кратке (плаве) таласне дужине.

У средини је уски појас таласних дужина познат као видљиви спектар, који се креће од 400 нанометара (нм) до 700 нм.

Слика 2. Електромагнетни спектар који приказује распон видљиве светлости. Извор: Извор: Викимедиа Цоммонс. Аутор: Хорст Франк

Понашање светлости

Светлост има двоструко, таласно и честица понашање као испитано. Светлост се шири на исти начин као и електромагнетни талас, и као таква, способна је да преноси енергију. Али када светлост у интеракцији са материјом, понаша се попут снопа честица званих фотони.

Слика 4. Ширење електромагнетног таласа. Извор: Викимедиа Цоммонс. СуперМану.

1802, физичар Тхомас Иоунг (1773-1829) показао је да светлост има таласно понашање користећи експеримент са двоструким прорезом.

На овај начин је могао да произведе максималне и минималне сметње на екрану. Ово понашање је типично за таласе и зато је Иоунг могао да покаже да је светлост талас, а такође је био у стању да измери своју таласну дужину.

Други аспект светлости је онај честице, представљен пакетима енергије зване фотони, који се у вакууму крећу брзином ц = 3 к 10 ⁸ м / с и немају масу. Али они имају Е енергију:

И такође замах:

Где је х Планцкова константа, чија је вредност 6,63 к 10 ^-34 Јоуле.секунде, а ф је фреквенција таласа. Комбиновање ових израза:

А пошто су таласна дужина λ и фреквенција повезани са ц = λ.ф, остаје:

Хуигенс-ов принцип

Слика 5. Предњи талас и светлосни зраци који се шире у правој линији. Извор: Серваи. Р. Физика за науку и инжењерство.

Када проучавамо понашање светлости, морамо узети у обзир два важна принципа: Хуигенсов принцип и Ферматов принцип. Хуигенсов принцип каже да:

Зашто сферни таласи? Ако претпоставимо да је медијум хомоген, светлост коју емитује тачкасти извор ће се ширити у свим смеровима једнако. Можемо замислити како се светлост шири усред велике сфере са равномерно распоређеним зрацима. Ко посматра ову светлост, опажа да путује правоцртном линијом према његовом оку и да се креће окомито на таласни фронт.

Ако светлосне зраке потичу из врло удаљеног извора, на пример Сунца, талас фронта је раван а зраке су паралелне. О томе се ради у приступу геометријске оптике.

Ферматов принцип

Ферматов принцип каже да:

Овај принцип дугује свом имену француском математичару Пиерре де Фермату (1601-1665) који га је први пут основао 1662.

Према овом принципу, у хомогеном средњем светлу се шири константном брзином, па има једнолико правоцртно кретање и његова путања је равна линија.

Ширење светлости

Светлост путује попут електромагнетног таласа. И електрично и магнетно поље генеришу једни друге, чинећи таласе који су у фази и који су окомити једни на друге и на смер ширења.

Уопште, талас који се шири у простору може се описати терминима таласног фронта. Ово је скуп тачака које имају једнаку амплитуду и фазу. Познавајући локацију таласне фронте у датом тренутку, свака наредна локација може бити позната, по Хуигенсовом принципу.

Дифракција

Ласер дифрактован шестерокутним прорезом. Лиензоциан

Таласно понашање светлости јасно доказују две важне појаве које настају током његовог ширења: дифракција и интерференција. За време дифракције таласи, било да су вода, звук или светло, изобличени су када пролазе кроз отворе, пролазе око препрека или обилазе углове.

Ако је отвор бленде велик у односу на таласну дужину, дисторзија није велика, али ако је отвор бленде мали, промена облика таласа је уочљивија. Дифракција је ексклузивно својство таласа, па када светлост показује дифракцију знамо да има таласно понашање.

Интерференција и поларизација

Са своје стране, интерференција светлости настаје када се електромагнетни таласи који их чине преклапају. При томе се додају векторско и то би могло да произведе две врсте сметњи:

–Конструктивно, када је интензитет резултујућег таласа већи од интензитета компонената.

–Деструктивно ако је интензитет мањи од интензитета компонената.

Сметање светлосних таласа настаје када су таласи једнобојни и стално одржавају исту фазну разлику. То се назива конзистентност. Светлост попут ове може доћи на пример од ласера. Уобичајени извори, као што су сијалице са жарном нити, не производе кохерентну светлост, јер се светлост коју емитују милиони атома у нитима непрестано мења.

Али ако се на исту жаруљу стави непрозирна нијанса са два мала отвора близу једног другог, светлост која излази из сваког утора делује као кохерентан извор.

Коначно, када су осцилације електромагнетног поља у истом смеру, долази до поларизације. Природна светлост није поларизована, јер је састављена од многих компоненти, од којих свака осцилира у другом правцу.

Иоунг-ов експеримент

Почетком 19. века енглески физичар Тхомас Иоунг први је добио кохерентну светлост са обичним извором светлости.

У свом чувеном експерименту са двоструким прорезом он је кроз прорез пролазио кроз непрозиран екран. Према Хуигенсовом принципу, стварају се два секундарна извора који су заузврат прошли кроз други непрозирни екран са два прореза.

Слика 6. Анимација Иоунг-овог експеримента са двоструким прорезом. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Тако добијена светлост осветљавала је зид у мрачној соби. Оно што је било видљиво био је образац који се састојао од наизменичних светлих и тамних подручја. Постојање овог обрасца објашњено је горе описаним феноменом интерференције.

Иоунг-ов експеримент је био веома важан јер је откривао таласну природу светлости. Након тога експеримент је изведен са основним честицама попут електрона, неутрона и протона, са сличним резултатима.

Феномени светлости

Рефлексија

Одбојност светлости у води

Када зрак светлости удари на површину, део светлости се може одбити, а неки апсорбовати. Ако је транспарентан медијум, нека светлост наставља свој пут кроз њу.

Такође, површина може бити глатка, попут огледала, или храпава и неравна. Одраз који настаје на глаткој површини назива се спекуларним одразом, иначе дифузним или неправилним одразом. Високо полирана површина, попут огледала, може да одражава до 95% упадне светлости.

Спекуларна рефлексија

На слици је приказана зрака светлости која путује у медијуму који може бити ваздух. Падне под углом θ ₁ на равну спекуларну површину и одражава се под углом θ ₂ . Линија означена као нормална је окомита на површину.

Угао упадања једнак је углу рефлексије. Извор: Серваи. Р. Физика за науку и инжењерство.

И инцидент и рефлектирани зрак и нормално на зрцалну површину су у истој равнини. Стари Грци су већ приметили да је упадни угао једнак угао рефлексије:

Овај математички израз је закон рефлексије светлости. Међутим, и други таласи, на пример звук, такође су способни да одражавају.

Већина површина је храпава, па је рефлексија светлости дифузна. На овај начин се светлост коју одражавају шаље у свим правцима, тако да предмети могу да се виде са било ког места.

Пошто се неке таласне дужине одражавају више него друге, предмети имају различите боје.

На пример, лишће дрвећа одсликава светлост која се налази приближно на средини видљивог спектра, што одговара зеленој боји. Остале видљиве таласне дужине су апсорбиране: од ултраљубичастог близу плавог (350-450 нм) и црвеног светла (650-700 нм).

Рефракција

Феномен рефракције. Јоселл7

Рефракција светлости настаје зато што светлост путује различитим брзинама, зависно од медијума. У вакууму је брзина светлости ц = 3 к 10 ⁸ м / с, али када светлост достигне материјални медијум, настају процеси апсорпције и емисије који узрокују смањење енергије, а са њом и брзину.

На пример, када се креће у ваздуху, светлост путује готово једнаком брзином до ц, али у води светлост путује на три четвртине ц, док у стаклу путује на приближно две трећине ц.

Индекс преламања

Индекс лома се означава н и дефинише као квоцијент између брзине светлости у вакууму ц и њене брзине у поменутом медију в:

Индекс лома је увек већи од 1, јер је брзина светлости у вакууму увек већа него у материјалном медијуму. Неке типичне вредности н су:

-Ваздух: 1.0003

-Вода: 1,33

-Сласи: 1.5

-Дијамант: 2,42

Снеллов закон

Када зрак светлости коси погоди границу између два медија, на пример ваздуха и стакла, део светлости се одбија, а други део наставља свој пут у чашу.

У овом случају таласна дужина и брзина подлежу варијацији при преласку из једног медија на други, али не и у фреквенцији. Пошто је в = ц / н = λ.ф и такође у вакууму ц = λо. ф, онда имамо:

Односно, таласна дужина у датом медијуму је увек мања од таласне дужине у вакууму λо.

Слика 8. Снеллов закон. Извор: Лева фигура: дијаграм рефракције светлости. Рек, А. Основе физике. Права бројка: Викимедиа Цоммонс. Јоселл7.

Обратите пажњу на троуглове који имају црвену хипотенузу. У сваком медијуму хипотенуза мери λ ₁ / син θ ₁ и λ ₂ / син θ ₂ , пошто су λ и в пропорционални:

Пошто је λ = λ _о / н имамо:

Који се може изразити као:

Ово је формула Снеловог закона, у част холандског математичара Виллеброрда Снелл-а (1580-1626), који га је експериментално извео посматрајући светлост која пролази из ваздуха у воду и стакло.

Алтернативно, Снеллов закон је написан у погледу брзине светлости у сваком медијуму, користећи дефиницију индекса лома: н = ц / в:

Дисперзија

Као што је горе објашњено, светлост се састоји од фотона са различитим енергијама, а свака енергија се доживљава као боја. Бијела свјетлост садржи фотоне свих енергија и стога се могу рашчланити на свјетла различитих боја. Ово је распршење светлости, које је Невтон већ проучавао.

Капи воде у атмосфери понашају се попут малих призми. Извор: Пикабаи.

Њутн је узео оптичку призму, прошао сноп беле светлости кроз њу и добио обојене траке у распону од црвене до љубичасте. Овај руб је спектар видљиве светлости који се види на слици 2.

Распршивање светлости је природна појава, чијој се лепоти дивимо на небу када се формира дуга. Сунчева светлост пада на капљице воде у атмосфери, које делују као сићушне призме једнаке Невтоновим, и тако распршују светлост.

Плава боја којом видимо небо такође је последица расипности. Богата азотом и кисеоником атмосфера распршује углавном нијансе плаве и љубичасте, али људско око је осетљивије на плаво и зато видимо небо ове боје.

Када је Сунце ниже на хоризонту, за време изласка или заласка сунца, небо постаје наранџасто захваљујући чињеници да светлосне зраке морају проћи кроз дебљи слој атмосфере. Црвенкасти тонови нижих фреквенција мање комуницирају са елементима атмосфере и користе предност да директно дођу до површине.

Атмосфере које обилују прашином и загађењем, попут оних у неким већим градовима, имају сивкасто небо због дисперзије ниских фреквенција.

Теорије о светлости

Светлост се превасходно сматра честицом или таласом. Корпускуларна теорија коју је Њут бранио сматрала је светлост снопом честица. Док се рефлексија и рефракција могу на одговарајући начин објаснити претпоставком да је светлост талас, као што тврди Хуигенс.

Али много пре него што су ови изванредни научници људи већ нагађали о природи светлости. Међу њима грчки филозоф Аристотел није могао да изостане. Ево кратког прегледа теорија о светлости током времена:

Аристотеловска теорија

Пре 2500 година Аристотел је тврдио да светлост излази из посматрачких очију, осветљава предмете и враћа се на неки начин са сликом како би је особа могла проценити.

Њутонова корпускуларна теорија

Невтон се држао уверења да се светлост састоји од сићушних честица које се шире у правој линији у свим правцима. Када дођу до очију, региструју осећај као светлост.

Хуигенсова теорија таласа

Хуигенс је објавио рад под називом Треатисе он лигхт у којем је предложио да то буде поремећај медија сличног звучним таласима.

Маквелл-ова електромагнетна теорија

Иако је експеримент са двоструким прорезом не остављао сумњу у таласну природу светлости, током већег дела деветнаестог века постојала су спекулације о типу таласа, све док Маквелл у својој електромагнетној теорији није изјавио да се светлост састоји од ширење електромагнетног поља.

Светлост као електромагнетни талас објашњава појаве ширења светлости као што је описано у претходним одељцима и концепт је прихваћен од стране тренутне физике, као и телесна природа светлости.

Аинстеинова корпускуларна теорија

Према савременој концепцији светлости, она се састоји од безмасних и неиспраних честица које се зову фотони. Упркос томе што немају масу, имају замах и енергију, као што је горе објашњено. Ова теорија успешно објашњава начин на који интеракција светлости са материјом размењује енергију у дискретним (квантизованим) количинама.

Постојање кванте светлости предложио је Алберт Еинстеин како би објаснио фотоелектрични ефекат који је Хеинрицх Хертз открио неколико година раније. Фотоелектрични ефекат састоји се од емисије електрона супстанцом на коју је утиснута нека врста електромагнетног зрачења, готово увек у распону од ултраљубичастог до видљиве светлости.

Референце

1. Фигуероа, Д. (2005). Серија: Физика за науку и инжењерство. Том 7. Таласи и квантна физика. Уредио Доуглас Фигуероа (УСБ).
2. Физички. Теорије светлости. Опоравак од: фисиц.цх.
3. Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. 6. Ед Прентице Халл.
4. Таласно кретање. Ферматов принцип. Опоравак од: сц.еху.ес.
5. Рек, А. 2011. Основе физике. Пеарсон.
6. Ромеро, О. 2009. Физика. Сантиллана Хипертект.
7. Серваи, Р. 2019. Физика за науку и инжењерство. 10тх. Едитион. Волуме 2. Ценгаге.
8. Схипман, Ј. 2009. Увод у физичке науке. Дванаесто издање. Броокс / Цоле, издања у регистру.
9. Википедиа. Светлост. Опоравак од: ес.википедиа.орг.