Ljus historia, natur, beteende, förökning

De ljus Det är en elektromagnetisk våg som kan fångas av synen. Hon utgör en del av det elektromagnetiska spektrumet: den som kallas synligt ljus. Genom åren har olika teorier föreslagits för att förklara sin natur.

Till exempel, under lång tid, tron ​​att ljuset bestod av ett flöde av partiklar som släpptes ut av föremålen eller av observatörernas ögon upprätthölls. Denna tro på araberna och de forntida grekerna delades av Isaac Newton (1642-1727) för att förklara ljusfenomen.

Figur 1. Himlen är blå tack vare spridningen av solljus i atmosfären. Källa: Pixabay.

Även om Newton misstänkte att ljuset hade böljande egenskaper och Christian Huygens (1629-1695) lyckades.

Vid början av det århundradet visade den engelska fysikern Thomas Young utan tvekan att ljusstrålar kan störa varandra, som mekaniska vågor gör på strängarna.

Det kunde bara betyda att ljuset var en våg och inte en partikel, även om ingen visste vilken typ av våg som var förrän 1873, sa James Clerk Maxwell att ljuset var en elektromagnetisk våg.

Med stöd av de experimentella resultaten från Heinrich Hertz 1887 upprättades ljusets böljande natur som ett vetenskapligt faktum.

Men i början av 1900 -talet uppstod nya bevis om ljusets korpuskulära natur. Denna natur finns i utsläpps- och absorptionsfenomen, där lätt energi transporteras i paket som kallas "fotoner".

Eftersom ljuset sprider sig som en våg och interagerar med materien såväl som en partikel, erkänns för närvarande en dubbel natur i ljuset: vågpartikel.

[TOC]

Ljusens natur

Det är uppenbart att ljusets natur är dubbel och sprider sig som en elektromagnetisk våg, vars energi kommer i fotoner.

Dessa, som inte har någon massa, rör sig i ett vakuum med en konstant hastighet på 300.000 km/s. Det är den välkända ljushastigheten i ett vakuum, men ljus kan resa genom andra medier, men med olika hastigheter.

När fotoner når våra ögon aktiveras sensorer som upptäcker närvaron av ljus. Informationen överförs till hjärnan och tolkas där.

När en källa avger ett stort antal fotoner ser vi det som en lysande källa. Om det tvärtom avger få, tolkas det som en ogenomskinlig källa. Varje foton har en viss energi, som hjärnan tolkar som en färg. Till exempel är blå fotoner mer energiska än röda fotoner.

Varje källa avger vanligtvis fotoner av olika energier, därifrån kommer den färg som den ses.

Om inget annat avger fotoner med en enda typ av energi, kallas det Monokromatisk ljus. Laser är ett bra exempel på monokromatiskt ljus. Slutligen kallas fördelningen av fotoner i en källa spektrum.

En våg kännetecknas också av att ha en viss våglängd. Som vi har sagt tillhör ljuset det elektromagnetiska spektrumet, som täcker ett extremt brett våglängdsområde, från radiovågor till gammastrålar. Följande bild visar en stråle av vitt ljus ett triangulärt prisma. Ljuset är separerat i långa (röda) och korta våglängder (blå).

Där i mitten är den smala remsan av våglängder som är kända med namnet på synligt spektrum, som går från 400 nanometer (nm) till 700 nm.

figur 2. Det elektromagnetiska spektrumet som visar det synliga ljusområdet. Källa: Källa: Wikimedia Commons. Författare: Horst Frank.

Lättbeteende

Ljuset har ett dubbelt, våg- och partikelbeteende som undersöks. Ljuset sprids på samma sätt som en elektromagnetisk våg, och som sådan kan den transportera energi. Men när ljuset interagerar med saken uppför sig det som om det var en partikelstråle som kallas fotoner.

Figur 4. Förökning av en elektromagnetisk våg. Källa: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // Creativecommons.Org/licenser/BY-SA/3.0/]].

1802 visade fysikern Thomas Young (1773-1829) att ljus hade ett beteende ovulatorisk Genom det dubbla slitsexperimentet.

På detta sätt kunde han producera maximal och minsta störning på en skärm. Detta beteende är typiskt för vågor och därmed kunde Young visa att ljus var en våg och kunde också mäta dess våglängd.

Den andra aspekten av ljuset är den av partikel, representerad av energipaket som kallas fotoner, som i ett vakuumrörelse med hastighet C = 3 x 10⁸ m/s och har ingen massa. Men de har energi OCH:

E = hf

Och även mängden storleksrörelse:

Kan tjäna dig: flödesnummer: hur det beräknas och exempel

 P = e/c

Var h Det är Plancks konstant, vars värde är 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.andra och F är vågens frekvens. Kombinera dessa uttryck:

P = hf/c

Och sedan våglängden λ och frekvens är relaterade av C = λ.F, är kvar:

P = h/λ → λ = h/p

Huygensprincip

Figur 5. Våg- och ljusstrålar som sprids i en rak linje. Källa: Serway. R. Fysik för vetenskap och teknik.

När man studerar ljusets beteende finns det två viktiga principer att ta hänsyn till: Huygens -principen och Fermat -principen. Huygens -principen säger att:

Varje punkt i vågfronten uppför sig som en specifik källa, som i sin tur producerar sekundära sfäriska vågor.

Varför sfäriska vågor? Om vi ​​antar att mediet är homogent kommer ljuset som avger en specifik källa att spridas i alla riktningar lika. Vi kan föreställa oss att ljuset sprids mitt i en stor sfär med strålarna fördelade enhetligt. Den som observerar detta ljus uppfattar att det reser i en rak linje till sitt öga och rör sig vinkelrätt mot vågfronten.

Om ljusstrålarna kommer från en mycket avlägsen källa, till exempel solen, är vågfronten platt och strålarna är parallella. Detta är tillvägagångssättet Geometrisk optik.

Fermatprincip

Fermats princip säger att:

Ett blixtljus som reser mellan två punkter följer den bana som krävs vid minsta tid.

Denna princip är skyldig sitt namn till den franska matematikern Pierre de Fermat (1601-1665), som etablerade det för första gången 1662.

Enligt denna princip, i ett homogent medium sprids ljuset med konstant hastighet, därför har det enhetlig rätlinjig rörelse och dess bana är en rak linje.

Ljusutbredning

Ljus sprids som en elektromagnetisk våg. Både det elektriska fältet och magnetfältet genereras till varandra och utgör kopplade vågor som är i fas och är vinkelrätt mot varandra och förökningsriktningen.

I allmänhet kan en våg som sprider sig i rymden beskrivas i termer av Vågfront. Detta är uppsättningen punkter som har samma amplitud och fas. Genom att känna till platsen för vågfronten på ett givet ögonblick kan du känna till varje efterföljande plats, enligt Huygens -principen.

Diffraktion

Laser diffraherad av en hexagonal slits. Lienzocian [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/4.0)]

Ljusets undulatoriska beteende avslöjar tydligt i två viktiga fenomen som uppstår under dess förökning: diffraktion och störningar. I diffraktion, Vågor, vare sig från vatten, ljud eller ljus, förvrängs när de passerar genom öppningar, omger hinder eller räddar hörn.

Om öppningen är stor jämfört med våglängden är distorsionen inte så stor, men om öppningen är liten är förändringen i vågformen mer märkbar. Diffraktion är en exklusiv egenskap hos vågor, så när ljuset uppvisar diffraktion vet vi att det har vågigt beteende.

Störningar och polarisering

För sin del interferens av ljus inträffar när elektromagnetiska vågor överlappar varandra som komponerar dem. På så sätt går de med i Vectorly och detta kan leda till två typer av störningar:

-Konstruktiv, när intensiteten hos den resulterande vågen är större än komponenternas intensitet.

-Förstörande om intensiteten är mindre än komponenterna.

Lysande vågstörning inträffar när vågorna är monokromatiska och upprätthåller samma fasskillnad hela tiden. Det här kallas sammanhang. Ett ljus som detta kan komma från en laser till exempel. De vanliga källorna som glödlamporna ger inte sammanhängande ljus eftersom ljuset som släpps ut av de miljoner atomer i filamentet förändrar fasen ständigt.

Men om en ogenomskinlig skärm med två små och nära öppningar med varandra, fungerar ljuset som kommer ut ur varje spår när en sammanhängande källa placeras på samma glödlampa.

Slutligen, när svängningarna i det elektromagnetiska fältet är i samma riktning, Polarisering. Naturligt ljus är inte polariserat, eftersom det bildas av många komponenter och var och en svänger i en annan riktning.

Unga experiment

I början av 1800 -talet var den engelska fysikern Thomas Young den första som fick ljus som överensstämde med en vanlig ljuskälla.

I sitt berömda dubbel -slitexperiment gav han ljus genom en slits utövad på en ogenomskinlig skärm. Enligt Huygens -principen genereras två sekundära källor, vilket i sin tur passerade genom en andra ogenomskinlig skärm med två slitsar.

Kan tjäna dig: Absorberad värme: Formler, hur man beräknar den och lösta övningarFigur 6. Young's Young Experiment Animation. Källa: Wikimedia Commons.

Ljuset som således erhölls upplyste en vägg i ett mörkt rum. Det som sågs var ett mönster som bestod av alternativa och mörka områden. Förekomsten av detta mönster förklaras av fenomenet störningar som beskrivs ovan.

Youngs experiment var mycket viktigt eftersom det visade ljusets böljande natur. Därefter har experimentet genomförts med grundläggande partiklar som elektroner, neutroner och protoner, med liknande resultat.

Lätta fenomen

Reflexion

Reflektion av ljus i vatten

När en ljusstråle påverkar en yta kan en del av ljuset reflekteras och en annan absorberar. Om det är ett transparent medium fortsätter en del av ljuset sin väg genom det.

Ytan kan också vara slät, som en spegel eller grov och oregelbunden. Till reflektionen som inträffar på en slät yta kallas spekulär reflektion, Annars är det diffus reflektion eller oregelbunden reflektion. En mycket polerad yta, till exempel en spegel, kan återspegla upp till 95% av det infallande ljuset.

Spekulär reflektion

Figuren visar en ljusstråle som reser i ett medium, som kan vara luften. Incidera med vinkel θ₁ På en platt spekulär yta och reflekteras med vinkel θ₂. Linjen som betecknas som normal är vinkelrätt mot ytan.

Infallsvinkeln är lika med reflektionsvinkeln. Källa: Serway. R. Fysik för vetenskap och teknik.

Både incidentstråle och reflekterad och normal för den spekulära ytan är i samma plan. De gamla grekerna hade redan observerat att infallsvinkeln är lika med reflektionsvinkeln:

θ₁ = θ₂

Detta matematiska uttryck är den ljusa reflektionslagen. Men andra vågor som ljud till exempel kan också uppleva reflektion.

De flesta av ytorna är grova, och därför är reflektionen av ljus diffus. På detta sätt skickas ljuset de reflekterar till alla riktningar, så objekt kan ses var som helst.

Eftersom vissa våglängder återspeglas mer än andra, har objekt olika färger.

Till exempel återspeglar bladen på träden ljuset som ligger ungefär mitt i det synliga spektrumet, vilket motsvarar den gröna färgen. Resten av de synliga våglängderna absorberas: från ultraviolett nära det blå (350-450 nm) och det röda ljuset (650-700 nm).

Refraktion

Brytningsfenomen. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/4.0)]

Ljusbristen inträffar eftersom ljuset reser till olika hastigheter enligt mediet. I ett vakuum är ljusets hastighet c = 3 x 10⁸ m/s, men när ljuset når ett materialmedium uppstår absorptions- och utsläppsprocesser som gör att energi minskar och med den hastigheten.

Till exempel, när du rör sig i luften, rör sig ljuset snabbt såväl som C, men i vattnet reser ljuset tre fjärdedelar av c, Medan det är i glaset gör det ungefär två tredjedelar av c.

Brytningsindex

Brytningsindex betecknas n Och det definieras som kvoten mellan ljusets hastighet i vakuum c och dess hastighet i nämnda medium v:

N = c/v

Brytningsindexet är alltid större än 1, eftersom ljusets hastighet i ett vakuum alltid är större än i ett materialmedium. Vissa typiska N -värden är:

-Luft: 1.000

-Vatten: 1.33

-Glas: 1.5

-Diamant: 2.42

Snell Law

När en ljusstråle påverkar snett i gränsen mellan två medier, till exempel luft och glas, reflekteras en del av ljuset och en annan del följer dess väg inuti glaset.

I detta fall upplever våglängden och hastigheten en variation när du flyttar från ett medium till ett annat, men frekvensen. Eftersom v = c/n = λ.F  Och även i vakuum C = λo. F, Då har du:

(λ_antingen.f /n) = λ.f → λ = λ_antingen/n

Det vill säga våglängden i ett givet medium är alltid mindre än våglängden i ett vakuum λo.

Figur 8. Snell Law. Källa: Vänster figur: Lätt brytningsschema. Rex, a. Fysikens grunder. Rätt figur: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/4.0)].

Notera trianglarna som har en gemensam hypotenus i rött i färg. I varje medium mäter hypotenus λ₁/sin θ₁ och λ₂/sin θ₂ respektive, med tanke på det faktum att λ och v är proportionella därför: därför:

Kan tjäna dig: Materialets optiska egenskaper

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Som λ = λ_antingen/n Du måste:

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

Som kan uttryckas som:

n_{1 .} synd θ₁ = n₂ .synd θ₂

Detta är formeln för Snells lag, för att hedra den nederländska matematiska.

Alternativt är Snells lag skriven i termer av ljusets hastighet i varje miljö med definitionen av brytningsindex: N = c/v:

(CV₁) . synd θ₁ = (CV₂) .synd θ₂

v_{2 .} synd θ₁ = v₁ .synd θ₂

Dispersion

Som förklarats ovan består ljuset av fotoner med olika energier, och varje energi uppfattas som en färg. Vitt ljus innehåller fotoner av alla energier och kan därför delas upp i ljus i olika färger. Detta består av spridning av ljus, som redan hade studerats av Newton.

Vattenfall i atmosfären uppför sig som små prismor. Källa: Pixabay.

Newton tog ett optiskt prisma, Ray en stråle av vitt ljus genom honom och fick remsor av färger som gick från rött till violetta. Denna remsa är spektrumet för det synliga ljuset som ses i figur 2.

Dispersion av ljus är ett naturfenomen, vars skönhet vi beundrar på himlen när regnbågen bildas. Solbelysning påverkar vattendropparna i atmosfären, som fungerar som små prismor lika med Newtons och sprider ljuset.

Den blå färgen som vi ser himlen är också en följd av spridningen. Rik på kväve och syre sprider atmosfären främst tonerna av blått och violett, men det mänskliga ögat är mer känsligt för blått och därför ser vi himlen på denna färg.

När solen är lägre i horisonten, under soluppgången eller solnedgången, färgas himlen från orange toner tack vare ljusstrålarna måste korsa ett tjockare lager av atmosfären. De lägre frekvensen rödaktiga toner interagerar mindre med elementen i atmosfären och tar chansen att nå ytan.

Rikliga atmosfärer i damm och föroreningar, till exempel de i vissa stora städer, ser gråaktiga himmel på grund av spridning av låga frekvenser.

Lätt teorier

Ljus har betraktats som en partikel eller som en våg. Den korpuskulära teorin som Newton försvarade, betraktade ljus som en stråle av partiklar. Medan reflektion och brytning kunde förklaras ordentligt förutsatt att ljuset var en våg, som Huygens sa.

Men långt innan dessa anmärkningsvärda forskare hade människor redan spekulerat om ljusets natur. Bland dem kunde inte missa den grekiska filosofen Aristoteles. Nedan är en kort sammanfattning av ljusetorier över tid:

Aristotelisk teori

2.500 år Aristoteles sa att ljuset uppstod från observatörens ögon, upplyste föremålen och återvände på något sätt med bilden så att den kunde uppskattas av personen.

Newton Corpuskular Theory

Newton hade tron ​​att ljuset bestod av små partiklar som spriddes i en rak linje i alla riktningar. När de når ögonen registrerar de sensationen som ljus.

Huygens böljande teori

Huygens publicerade ett verk som heter Ljusfördrag där han föreslog att detta var en störning av miljön som liknar ljudvågor.

Maxwell elektromagnetisk teori

Medan det dubbla krawling -experimentet lämnade ingen tvekan om ljusets böljande natur, spekulerades det under stora delar av det nittonde århundradet om vilken typ av våg som var, tills Maxwell sa i sin elektromagnetiska teori att ljuset bestod av förökningen av en elektromagnetisk fält.

Ljus som en elektromagnetisk våg förklarar fenomenen för spridning av ljus som beskrivs i de föregående sektionerna och är ett koncept som accepteras av aktuell fysik, liksom ljusets korpuskulära natur.

Einsteins korpuskulära teori

Enligt den moderna ljusuppfattningen består detta av partiklar utan massa och utan belastning som kallas fotoner. Trots att de inte har någon massa har de tid och energi, som förklarats ovan. Denna teori förklarar tillfredsställande hur ljuset interagerar med materien genom att utbyta energi i diskreta (kvantiserade) mängder.

Förekomsten av ljus föreslogs av Albert Einstein för att förklara fotoelektrisk effekt Upptäckt av Heinrich Hertz några år innan. Den fotoelektriska effekten består i utsläpp av elektroner genom ett ämne på vilket någon typ av elektromagnetisk strålning har påverkats, nästan alltid i rang som ultraviolett till synligt ljus.

Referenser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volym 7. Vågor och kvantfysik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
2. Fysik. Lätt teorier. Återhämtat sig från: fysik.ch.
3. Giancoli, D.  2006. Fysik: Principer med applikationer. Sjätte. Ed Prentice Hall.
4. Vågrörelse. Fermats princip. Hämtad från: SC.Ehu.är.
5. Rex, a. 2011. Fysikens grunder. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fysisk. Santillana hypertext.
7. Serway, R. 2019. Fysik för vetenskap och teknik. 10: e. Utgåva. Volym 2. Häck.
8. Shipman, J. 2009. En introduktion till fysisk vetenskap. Tolfte upplagan. Brooks/Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Ljus. Återhämtad från: är.Wikipedia.org.