Lichte geschiedenis, aard, gedrag, verspreiding

De licht Het is een elektromagnetische golf die kan worden vastgelegd door het zichtgevoel. Ze vormt een deel van het elektromagnetische spectrum: degene die bekend staat als zichtbaar licht. Door de jaren heen zijn verschillende theorieën voorgesteld om hun aard uit te leggen.

Lange tijd bijvoorbeeld werd de overtuiging dat het licht bestond uit een stroom van deeltjes die door de objecten of door de ogen van de waarnemers werd uitgestoten, volgehouden. Dit geloof van de Arabieren en de oude Grieken werd gedeeld door Isaac Newton (1642-1727) om de fenomenen van het licht te verklaren.

Figuur 1. De lucht is blauw dankzij de dispersie van zonlicht in de sfeer. Bron: Pixabay.

Hoewel Newton kwam vermoeden dat licht golvende kwaliteiten had en christelijke Huygens (1629-1695) beheerde.

Aan het begin van die eeuw liet de Engelse natuurkundige Thomas Young zonder twijfel zien dat lichtstralen elkaar kunnen verstoren, zoals mechanische golven op de strings doen.

Dat kon alleen betekenen dat het licht een golf was en geen deeltje, hoewel niemand wist wat voor soort golf was tot in 1873, James Clerk Maxwell zei dat het licht een elektromagnetische golf was.

Met de steun van de experimentele resultaten van Heinrich Hertz in 1887, werd het golvende karakter van het licht vastgesteld als een wetenschappelijk feit.

Maar aan het begin van de 20e eeuw ontstond er nieuw bewijs over het corpusculaire karakter van het licht. Deze aard is aanwezig in emissie- en absorptieverschijnselen, waarbij lichte energie wordt getransporteerd in pakketten genaamd "fotonen".

Aangezien het licht zich dus als een golf verspreidt en interactie heeft met materie en een deeltje, wordt een dubbele aard momenteel herkend in het licht: golf deeltje.

[TOC]

Aard van licht

Het is duidelijk dat de aard van het licht dubbel is en zich verspreidt als een elektromagnetische golf, waarvan de energie in fotonen komt.

Deze, die geen massa hebben, bewegen in een vacuüm met een constante snelheid van 300.000 km/s. Het is de goed bekende lichtsnelheid in een vacuüm, maar licht kan door andere media reizen, hoewel met verschillende snelheden.

Wanneer fotonen onze ogen bereiken, worden sensoren die de aanwezigheid van licht detecteren geactiveerd. De informatie wordt naar de hersenen verzonden en daar geïnterpreteerd.

Wanneer een bron een groot aantal fotonen uitzendt, zien we het als een briljante bron. Als het daarentegen weinigen uitzendt, wordt het geïnterpreteerd als een ondoorzichtige bron. Elk foton heeft een bepaalde energie, die de hersenen interpreteren als een kleur. Blauwe fotonen zijn bijvoorbeeld energieker dan rode fotonen.

Elke bron stoot meestal fotonen van verschillende energieën uit, van daar komt de kleur waarmee het wordt gezien.

Als niets anders fotonen uitzendt met een enkel type energie, wordt het genoemd Monochromatisch licht. Laser is een goed voorbeeld van monochromatisch licht. Ten slotte wordt de verdeling van fotonen in een bron genoemd spectrum.

Een golf wordt ook gekenmerkt door een bepaalde golflengte. Zoals we hebben gezegd, behoort het licht tot het elektromagnetische spectrum, dat een extreem breed golflengtebereik bestrijkt, van radiogolven tot gammastralen. De volgende afbeelding toont een straal van wit licht een driehoekig prisma. Het licht is gescheiden in lange (rood) en korte golflengten (blauw).

Daar in het midden is de smalle strook golflengten die bekend zijn met de naam zichtbaar spectrum, die van 400 nanometer (nm) naar 700 nm gaat.

Figuur 2. Het elektromagnetische spectrum toont het zichtbare lichtbereik. Bron: Bron: Wikimedia Commons. Auteur: Horst Frank.

Lichtgedrag

Het licht heeft een dubbel, golf- en deeltjesgedrag zoals onderzocht. Het licht verspreidt zich op dezelfde manier als een elektromagnetische golf, en als zodanig is het in staat om energie te transporteren. Maar wanneer het licht met de materie in wisselwerking staat, gedraagt ​​het zich alsof het een deeltjesstraal is die fotonen wordt genoemd.

Figuur 4. Voortplanting van een elektromagnetische golf. Bron: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0/]].

In 1802 toonde natuurkundige Thomas Young (1773-1829) aan dat licht een gedrag had golvend Door het dubbele spleet -experiment.

Op deze manier kon hij maximale en minimale interferentie op een scherm produceren. Dit gedrag is typerend voor golven en dus kon jong aantonen dat licht een golf was en ook de golflengte kon meten.

Het andere aspect van licht is dat van deeltje, weergegeven door energiepakketten genaamd fotonen, die in een vacuümbeweging met snelheid C = 3 x 10⁸ m/s en heb geen massa. Maar ze hebben energie EN:

E = HF

En ook de hoeveelheid magnitude -beweging:

Kan u van dienst zijn: stroomnummer: hoe het wordt berekend en voorbeelden

 P = E/C

Waar H Het is de constante van Planck, wiens waarde 6 is.63 x 10^{-3. 4} Joule.tweede en F is de frequentie van de golf. Het combineren van deze uitdrukkingen:

P = HF/C

En sinds de golflengte λ en frequentie zijn gerelateerd door C = λ.F, is overgebleven:

P = h/λ → λ = h/p

Huygens -principe

Figuur 5. Golf- en lichtstralen die zich in een rechte lijn verspreiden. Bron: Serway. R. Natuurkunde voor wetenschap en engineering.

Bij het bestuderen van het gedrag van het licht zijn er twee belangrijke principes om rekening mee te houden: het Huygens -principe en het Fermat -principe. Het Huygens -principe stelt dat:

Elk punt in het golf front gedraagt ​​zich als een specifieke bron, die op zijn beurt secundaire sferische golven produceert.

Waarom bolvormige golven? Als we aannemen dat het medium homogeen is, zal het licht dat een specifieke bron uitzendt zich in alle richtingen in gelijke mate verspreiden. We kunnen ons de lichtspreiding voorstellen in het midden van een grote bol met de stralen die uniform zijn verdeeld. Degene die dit licht observeert, neemt waar dat het in een rechte lijn naar zijn oog reist en loodrecht op de golffront beweegt.

Als de lichtstralen uit een zeer verre bron komen, bijvoorbeeld de zon, is de golffront plat en zijn de stralen parallel. Dit is de aanpak van de Geometrische optiek.

Fermat -principe

Het principe van Fermat stelt dat:

Een bliksemlicht dat tussen twee punten reist, volgt het traject dat vereist is door de minimale tijd.

Dit principe is zijn naam verschuldigd aan de Franse wiskundige Pierre de Fermat (1601-1665), die het voor het eerst in 1662 heeft vastgesteld.

Volgens dit principe verspreidt het licht in een homogeen medium zich met constante snelheid, daarom heeft het een uniforme rechtlijnige beweging en is het traject een rechte lijn.

Voortplanting van licht

Licht verspreidt zich als een elektromagnetische golf. Zowel het elektrische veld als het magnetische veld worden voor elkaar gegenereerd, die gekoppelde golven vormen die in fase zijn en loodrecht op elkaar en de voortplantingsrichting staan.

Over het algemeen kan een golf die zich in de ruimte verspreidt, worden beschreven in termen van de Golf front. Dit is de set punten die dezelfde amplitude en fase hebben. Als je de locatie van de golffront op een bepaald moment kent, kun je elke volgende locatie kennen, volgens het Huygens -principe.

Diffractie

Laser afgebogen door een zeshoekige spleet. Lienzocian [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/4.0)]

Het golvende gedrag van licht onthult duidelijk in twee belangrijke fenomenen die zich voordoen tijdens de voortplanting ervan: diffractie en interferentie. In de diffractie, Golven, hetzij van water, geluid of licht, zijn vervormd wanneer ze door openingen gaan, obstakels omringen of hoeken redden.

Als de opening groot is in vergelijking met de golflengte, is de vervorming niet erg groot, maar als de opening klein is, is de verandering in de golfvorm aanzienlijker. Diffractie is een exclusieve eigenschap van golven, dus wanneer het licht diffractie vertoont, weten we dat het golvend gedrag heeft.

Interferentie en polarisatie

Voor zijn deel interferentie van licht treedt op wanneer elektromagnetische golven overlappen die ze samenstellen. Daarbij komen ze bij Vectorly en dit kan leiden tot twee soorten interferentie:

-Constructief, wanneer de intensiteit van de resulterende golf groter is dan de intensiteit van de componenten.

-Destructief als de intensiteit minder is dan die van de componenten.

Lankachtige golfinterferentie treedt op wanneer golven monochromatisch zijn en altijd hetzelfde faseverschil behouden. Dit heet samenhang. Een licht als dit kan bijvoorbeeld uit een laser komen. De gebruikelijke bronnen zoals de gloeilampen produceren geen coherent licht omdat het licht dat wordt uitgestoten door de miljoenen atomen van de gloeidraad de fase voortdurend verandert.

Maar als een ondoorzichtig scherm met twee kleine en nauwe openingen met elkaar, wordt het licht dat uit elke sleuf komt als een coherente bron op diezelfde lamp geplaatst.

Ten slotte, wanneer de oscillaties van het elektromagnetische veld allemaal in dezelfde richting zijn, de Polarisatie. Natuurlijk licht is niet gepolariseerd, omdat het wordt gevormd door veel componenten en elk in een andere richting oscilleert.

Jong experiment

Aan het begin van de 19e eeuw was de Engelse natuurkundige Thomas Young de eerste die licht verkreeg consistent met een gewone lichtbron.

In zijn beroemde dubbele -gesloten experiment gaf hij licht door een spleet die op een ondoorzichtig scherm werd beoefend. Volgens het Huygens -principe worden twee secundaire bronnen gegenereerd, die op hun beurt door een tweede ondoorzichtig scherm met twee spleten zijn gegaan.

Kan u van dienst zijn: geabsorbeerde hitte: formules, hoe u het kunt berekenen en oefeningen opgelostFiguur 6. Young's Young Experiment Animation. Bron: Wikimedia Commons.

Het aldus verkregen licht verlichtte een muur in een donkere kamer. Wat werd gezien was een patroon bestaande uit alternatieve en donkere gebieden. Het bestaan ​​van dit patroon wordt verklaard door het hierboven beschreven fenomeen van interferentie.

Het experiment van Young was erg belangrijk omdat het de golvende aard van het licht aantoonde. Vervolgens is het experiment uitgevoerd met fundamentele deeltjes zoals elektronen, neutronen en protonen, met vergelijkbare resultaten.

Lichte fenomenen

Reflectie

Reflectie van licht in water

Wanneer een lichtstraal een oppervlak beïnvloedt, kan een deel van het licht worden gereflecteerd en een ander absorberen. Als het een transparant medium is, zet een deel van het licht zijn pad door.

Ook kan het oppervlak glad zijn, zoals een spiegel of ruw en onregelmatig. Naar de reflectie die op een glad oppervlak optreedt, wordt genoemd Speculaire reflectie, anders is het diffuse reflectie of onregelmatige reflectie. Een zeer gepolijst oppervlak, zoals een spiegel, kan tot 95% van het invallende licht reflecteren.

Speculaire reflectie

De figuur toont een straal van het licht dat in een medium reist, dat de lucht kan zijn. Invatten met hoek θ₁ Op een plat spiegelend oppervlak en wordt gereflecteerd met hoek θ₂. De lijn die als normaal wordt aangeduid, staat loodrecht op het oppervlak.

De incidentiehoek is gelijk aan de reflectiehoek. Bron: Serway. R. Natuurkunde voor wetenschap en engineering.

Zowel invallende straal als gereflecteerd en normaal voor het spiegelende oppervlak bevinden zich in hetzelfde vlak. De oude Grieken hadden al opgemerkt dat de invalshoek gelijk is aan de reflectiehoek:

θ₁ = θ₂

Deze wiskundige uitdrukking is de lichte reflectiewet. Andere golven zoals geluid kunnen echter ook reflectie ervaren.

De meeste oppervlakken zijn ruw en daarom is de weerspiegeling van licht diffuus. Op deze manier wordt het licht dat ze reflecteren naar alle richtingen verzonden, dus objecten zijn overal te zien.

Aangezien sommige golflengten meer worden weerspiegeld dan andere, hebben objecten verschillende kleuren.

De bladeren van de bomen weerspiegelen bijvoorbeeld het licht dat ongeveer in het midden van het zichtbare spectrum ligt, wat overeenkomt met de groene kleur. De rest van de zichtbare golflengten worden geabsorbeerd: van de ultraviolet nabij het blauwe (350-450 nm) en het rode licht (650-700 nm).

Breking

Brekingsfenomeen. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/4.0)]

De breking van het licht treedt op omdat het licht volgens het medium naar verschillende snelheden reist. In een vacuüm is de lichtsnelheid C = 3 x 10⁸ m/s, maar wanneer het licht een materiaalmedium, absorptie- en emissieprocessen bereikt, ontstaan ​​dat de energie afneemt, en daarmee de snelheid.

Bijvoorbeeld, wanneer het in de lucht gaat, beweegt het licht snel en C, maar in het water reist het licht driekwart van C, Terwijl het in het glas ongeveer tweederde van C.

Brekingsindex

De brekingsindex is aangegeven N En het wordt gedefinieerd als het quotiënt tussen de snelheid van het licht in vacuüm C en zijn snelheid in genoemde medium v:

N = c/v

De brekingsindex is altijd groter dan 1, omdat de lichtsnelheid in een vacuüm altijd groter is dan in een materiaalmedium. Sommige typische N -waarden zijn:

-Lucht: 1.0003

-Water: 1.33

-Glas: 1.5

-Diamant: 2.42

Snell Law

Wanneer een lichtstraal schuin in de rand tussen twee media beïnvloedt, zoals bijvoorbeeld lucht en glas, wordt een deel van het licht gereflecteerd en volgt een ander deel zijn pad in het glas.

In dit geval ervaren de golflengte en snelheid een variatie wanneer ze van het ene medium naar het andere gaan, maar de frequentie. Sinds v = c/n = λ.F  En ook in een vacuüm C = λo. F, Dan heb je:

(λ_of.f /n) = λ.f → λ = λ_of/N

Dat wil zeggen, de golflengte in een bepaald medium is altijd minder dan de golflengte in een vacuüm λo.

Figuur 8. Snell Law. Bron: Links Figuur: lichtbrekingsschema. Rex, a. Fundamentals of Physics. Juiste figuur: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/4.0)].

Let op de driehoeken met een gemeenschappelijke hypotenuse in kleur van kleur. In elk medium meet de hypotenuse λ₁/sin θ₁ en λ₂/sin θ₂ respectievelijk, gezien het feit dat λ en V evenredig zijn, daarom:

Kan u van dienst zijn: optische eigenschappen van materialen

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Als λ = λ_of/N Je moet:

(λ_of/N₁)) /Sen θ₁ = (λ_of/N₂)) /Sen θ₂

Dat kan worden uitgedrukt als:

N_{1 .} Sin θ₁ = n₂ .Sin θ₂

Dit is de formule van de wet van Snell, ter ere van de Nederlandse wiskundige.

Als alternatief wordt de wet van Snell geschreven in termen van de snelheid van het licht in elke omgeving, met behulp van de definitie van brekingsindex: N = c/v:

(CV₁)) . Sin θ₁ = (CV₂)) .Sin θ₂

v_{2 .} Sin θ₁ = V₁ .Sin θ₂

Spreiding

Zoals hierboven uitgelegd, bestaat het licht uit fotonen met verschillende energieën en wordt elke energie als een kleur gezien. Wit licht bevat fotonen van alle energieën en kan daarom worden onderverdeeld in lichten van verschillende kleuren. Dit bestaat uit de verspreiding van licht, dat al door Newton was bestudeerd.

Waterdruppels in de atmosfeer gedragen zich als kleine prisma's. Bron: Pixabay.

Newton nam een ​​optisch prisma, straal een straal wit licht door hem en verkreeg strips van kleuren die van rood naar violet gingen. Deze strook is het spectrum van het zichtbare licht dat wordt gezien in figuur 2.

De verspreiding van licht is een natuurlijk fenomeen, wiens schoonheid we in de lucht bewonderen wanneer de regenboog wordt gevormd. Zonlicht beïnvloedt waterdruppels in de atmosfeer, die fungeren als kleine prisma's die gelijk zijn aan die van Newton, die het licht verspreiden.

De blauwe kleur waarmee we de hemel zien, is ook een gevolg van de dispersie. Rijk aan stikstof en zuurstof, verspreidt de atmosfeer vooral de tonen van blauw en violet, maar het menselijk oog is gevoeliger voor blauw en daarom zien we de hemel van deze kleur.

Wanneer de zon aan de horizon lager is, tijdens zonsopgang of zonsondergang, wordt de hemel geverfd door sinaasappeltinten dankzij de lichtstralen van het licht, moeten een dikkere laag van de atmosfeer kruisen. De lagere frequentie roodachtige tonen werken minder samen met de elementen van de atmosfeer en maken van de gelegenheid gebruik om het oppervlak te bereiken.

Overvloedige atmosferen in stof en vervuiling, zoals die van sommige grote steden, kijken grijsachtige luchten vanwege de dispersie van lage frequenties.

Lichttheorieën

Licht is fundamenteel beschouwd als een deeltje of als een golf. De corpusculaire theorie die Newton verdedigde, als licht beschouwd als een straal van deeltjes. Hoewel reflectie en breking goed kunnen worden verklaard, verondersteld dat het licht een golf was, zoals Huygens zei.

Maar lang voor deze opmerkelijke wetenschappers hadden mensen al gespeculeerd over de aard van het licht. Onder hen kon de Griekse filosoof Aristoteles niet missen. Hieronder is een korte samenvatting van de theorieën over licht in de loop van de tijd:

Aristotelische theorie

2.500 jaar Aristoteles zei dat het licht voortkwam uit de ogen van de waarnemer, de objecten verlichtte en op een of andere manier terugkeerde met het beeld zodat het door de persoon kon worden gewaardeerd.

Newton Corpuscular Theory

Newton hield de overtuiging dat het licht bestond uit kleine deeltjes die zich in een rechte lijn in alle richtingen verspreiden. Wanneer ze de ogen bereiken, nemen ze de sensatie op als licht.

Huygens golvende theorie

Huygens publiceerde een werk genaamd Lichtverdrag waarin hij voorstelde dat dit een verstoring was van de omgeving vergelijkbaar met geluidsgolven.

Maxwell elektromagnetische theorie

Hoewel het dubbel -kruipende experiment geen twijfel overliet over de golvende aard van het licht, werd het gedurende een groot deel van de negentiende eeuw gespeculeerd over het type golf dat was, totdat Maxwell in zijn elektromagnetische theorie zei dat het licht bestond uit de voortplanting van een elektromagnetische veld.

Licht als een elektromagnetische golf verklaart de fenomenen van de verspreiding van licht zoals beschreven in de voorgaande secties en is een concept geaccepteerd door de huidige fysica, evenals de corpusculaire aard van het licht.

Einstein's corpusculaire theorie

Volgens het moderne conceptie van licht bestaat dit uit deeltjes zonder massa en zonder belasting genaamd fotonen. Ondanks dat ze geen massa hebben, hebben ze tijd en energie, zoals hierboven uitgelegd. Deze theorie verklaart naar tevredenheid de manier waarop licht interageert met materie, door energie uit te wisselen in discrete (gekwantiseerde) hoeveelheden.

Het bestaan ​​van die van licht werd door Albert Einstein voorgesteld om de fotoëlektrisch effect Ontdekt door Heinrich Hertz een paar jaar eerder. Het foto -elektrische effect bestaat uit de emissie van elektronen door een stof waarop een bepaald type elektromagnetische straling is beïnvloed, bijna altijd in de rang van ultraviolet tot zichtbaar licht.

Referenties

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 7. Golven en kwantumfysica. Uitgegeven door Douglas Figueroa (USB).
2. Fysiek. Lichttheorieën. Hersteld van: fysiek.ch.
3. Giancoli, D.  2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
4. Golfbeweging. Fermat's principe. Opgehaald uit: SC.Ehu.is.
5. Rex, a. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fysiek. Santillana Hypertext.
7. Serway, r. 20199999999999999999999999999999999999999111 2019 2019 20199999 E moetene9999191999998311133113331322111152222222111231311111111111122111111111121111111111111111111111111111 -11111111111a's11111a's1a's1a's1a's1a's1a's D1a's Dam dat ’TO. Natuurkunde voor wetenschap en engineering. 10e. Editie. Deel 2. Hekelen.
8. Shipman, J. 2009. Een inleiding tot fysieke wetenschap. Twaalfde editie. Brooks/Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Licht. Hersteld van: is.Wikipedia.borg.