Kevyt historia, luonto, käyttäytyminen, eteneminen

Se valaistus Se on sähkömagneettinen aalto, jonka näkö-. Hän muodostaa osan sähkömagneettisesta spektristä: se, joka tunnetaan nimellä näkyvä valo. Vuosien varrella on ehdotettu erilaisia ​​teorioita niiden luonteen selittämiseksi.

Esimerkiksi, pitkään uskoa, että valo koostui esineiden lähettämästä hiukkasvirtauksesta tai tarkkailijoiden silmistä jatkettiin. Isaac Newton (1642-1727) jakoi tämän arabien ja muinaisten kreikkalaisten uskomuksen selittämään valon ilmiöitä.

Kuvio 1. Taivas on sininen auringonvalon leviämisen ansiosta ilmakehässä. Lähde: Pixabay.

Vaikka Newton epäili, että valossa oli aaltoilevia ominaisuuksia ja Christian Huygens (1629-1695) hallittiin.

Tuon vuosisadan aamunkoitteessa englantilainen fyysikko Thomas Young osoitti epäilemättä, että kevyet säteet voivat häiritä toisiaan, kuten mekaaniset aallot tekevät jousilla.

Se voi tarkoittaa vain sitä, että valo oli aalto eikä hiukkas, vaikka kukaan ei tiennyt, millainen aalto oli vuonna 1873, James Clerk Maxwell sanoi, että valo oli sähkömagneettinen aalto.

Heinrich Hertzin kokeellisten tulosten tuella vuonna 1887 valon aaltoileva luonne perustettiin tieteelliseksi tosiasiaksi.

Mutta 1900 -luvun alussa syntyi uusia todisteita valon runsaasta luonteesta. Tämä luonne on läsnä päästö- ja absorptioilmiöissä, joissa kevyttä energiaa kuljetetaan pakkauksissa, joita kutsutaan "fotoneiksi".

Siten, koska valo leviää aaltona ja on vuorovaikutuksessa aineen että hiukkasen kanssa, kaksoisluonne tunnistetaan tällä hetkellä valossa: aaltopartikkeli.

[TOC]

Valon luonne

On selvää, että valon luonne on kaksinkertainen, leviää sähkömagneettisena aaltona, jonka energia tulee fotoneihin.

Nämä, joilla ei ole massaa, liikkuvat tyhjössä, jonka vakiona on 300.000 km/s. Se on tyhjössä tunnettu valonopeus, mutta valo voi kulkea muiden väliaineiden läpi, vaikkakin eri nopeuksilla.

Kun fotonit saavuttavat silmämme, valon esiintymisen havaitsevat anturit aktivoidaan. Tiedot välitetään aivoihin ja tulkitaan siellä.

Kun lähde säteilee suuren määrän fotoneja, näemme sen loistavana lähteenä. Jos päinvastoin, se emittoi harvat, se tulkitaan läpinäkymättömänä lähteenä. Jokaisella fotonilla on tietty energia, että aivot tulkitsevat värinä. Esimerkiksi siniset fotonit ovat energisempiä kuin punaiset fotonit.

Mikä tahansa lähde yleensä säteilee fotoneja erilaisia ​​energioita, sieltä tulee väri, jolla se nähdään.

Jos mikään muu ei pääse fotoneiksi yhden tyyppisellä energialla, sitä kutsutaan Yksivärinen valo. Laser on hyvä esimerkki yksivärisestä valosta. Lopuksi kutsutaan fotonien jakautumista lähteeseen spektri.

Aaltolle on myös ominaista tietty aallonpituus. Kuten olemme sanoneet, valo kuuluu sähkömagneettiseen spektriin, joka kattaa erittäin leveän aallonpituusalueen, radioaallot gammasäteisiin. Seuraava kuva näyttää valkoisen valon säteen kolmion muotoinen prisma. Valo on erotettu pitkinä (punaisina) ja lyhyinä aallonpituuksilla (sininen).

Siellä keskellä on kapea aallonpituusnauha, joka tunnetaan näkyvän spektrin nimellä, joka siirtyy 400 nanometristä (NM) 700 nm.

Kuva 2. Sähkömagneettinen spektri, joka näyttää näkyvän valon alueen. Lähde: Lähde: Wikimedia Commons. Kirjoittaja: Horst Frank.

Kevyt käyttäytyminen

Valossa on kaksois-, aalto- ja hiukkasten käyttäytyminen tutkittuna. Valo leviää samalla tavalla kuin sähkömagneettinen aalto, ja sellaisenaan se pystyy kuljettamaan energiaa. Mutta kun valo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa, se käyttäytyy ikään kuin se olisi hiukkaspalkki, nimeltään fotonit.

Kuva 4. Sähkömagneettisen aallon eteneminen. Lähde: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0/]].

Vuonna 1802 fyysikko Thomas Young (1773-1829) osoitti, että valolla oli käyttäytyminen aaltoileva Kaksoisrakokokeen kautta.

Tällä tavoin hän pystyi tuottamaan maksimiarvon ja minimihäiriöitä näytöllä. Tämä käyttäytyminen on tyypillistä aaltoille ja siten nuori voi osoittaa, että valo oli aalto ja pystyi myös mittaamaan sen aallonpituuden.

Valon toinen näkökohta on hiukkanen, edustaa fotoneja kutsuttuja energiapaketteja, jotka tyhjiössä liikkuvat nopeudella c = 3 x 10⁸ m/s ja ei ole massaa. Mutta heillä on energiaa JA-

E = hf

Ja myös suuruusluokan liike:

Voi palvella sinua: Virtausnumero: Kuinka se lasketaan ja esimerkkejä

 P = e/c

Missä h Se on Planckin vakio, jonka arvo on 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.toiseksi ja F on aallon taajuus. Näiden lausekkeiden yhdistäminen:

P = hf/c

Ja aallonpituuden jälkeen λ ja taajuus liittyy C = λ.F, on jäljellä:

P = h/λ → λ = h/p

Huygens -periaate

Kuva 5. Aalto- ja kevyet säteet, jotka leviävät suorassa linjassa. Lähde: Serway. R -. Fysiikka tieteen ja tekniikan fysiikka.

Valon käyttäytymistä tutkittaessa on olemassa kaksi tärkeätä periaatetta, jotka otetaan huomioon: Huygens -periaate ja Fermat -periaate. Huygensin periaatteessa todetaan, että:

Mikä tahansa aalto -etuosan kohta käyttäytyy tiettynä lähteenä, joka puolestaan ​​tuottaa sekundaarisia pallomaisia ​​aaltoja.

Miksi pallomaiset aallot? Jos oletamme, että väliaine on homogeeninen, tietyn lähteen säteilevä valo leviää kaikkiin suuntiin. Voimme kuvitella, että valo leviää suuren pallon keskelle säteet jakautuneina tasaisesti. Kuka tarkkailee tätä valoa, havaitsee, että se kulkee silmänsä suorassa viivassa ja liikkuu kohtisuorassa aallon eteen.

Jos valonsäteet tulevat erittäin kaukaisesta lähteestä, esimerkiksi aurinko, aallon etuosa on tasainen ja säteet ovat yhdensuuntaiset. Tämä on lähestymistapa Geometrinen optiikka.

Fermat -periaate

Ferman periaatteessa todetaan, että:

Kahden pisteen väliin kulkeva salamavalo seuraa vähimmäisajan edellyttämää etenemissuuntausta.

Tämä periaate on velkaa nimensä ranskalaiselle matemaatille Pierre de Fermatille (1601-1665), joka vahvisti sen ensimmäistä kertaa vuonna 1662.

Tämän periaatteen mukaan homogeenisessa väliaineessa valo leviää vakiona nopeudella, siksi sillä on tasainen välilasvainen liike ja sen suunta on suora.

Valon eteneminen

Valo leviää kuin sähkömagneettinen aalto. Sekä sähkökenttä että magneettikenttä luodaan toisiinsa, muodostavat kytkettyjä aaltoja, jotka ovat vaiheessa ja ovat kohtisuorassa toisiinsa ja etenemissuunta.

Yleensä avaruuteen leviävä aalto voidaan kuvata Aalto. Tämä on joukko pisteitä, joilla on sama amplitudi ja vaihe. Tietäen aaltofrontin sijainnin tietyssä hetkessä, voit tietää minkä tahansa seuraavan sijainnin, Huygens -periaatteen mukaan.

Diffraktio

Laser, joka on diffraktiolla kuusikulmainen rako. Lienzocian [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/4.0)]

Valon aaltoileva käyttäytyminen paljastuu selvästi kahdessa tärkeässä ilmiössä, jotka syntyvät sen etenemisen aikana: diffraktio ja häiriöt. Siinä diffraktio, Aallot, joko vedestä, äänestä tai valosta, vääristyvät, kun ne kulkevat aukkojen läpi, ympäröivät esteet tai pelastavat kulmat.

Jos aukko on suuri verrattuna aallonpituuteen, vääristymä ei ole kovin suuri, mutta jos aukko on pieni, aaltomuodon muutos on huomattavampi. Diffraktio on aaltojen yksinoikeus, joten kun valolla on diffraktiota, tiedämme, että sillä on aaltoileva käyttäytyminen.

Häiriöt ja polarisaatio

Omalta osaltaan puuttuminen valoa tapahtuu, kun ne muodostavat sähkömagneettiset aallot. Näin tehdessään he liittyvät vektorisesti ja tämä voi johtaa kahden tyyppisiin häiriöihin:

-Rakentava, kun tuloksena olevan aallon voimakkuus on suurempi kuin komponenttien voimakkuus.

-Tuhoava, jos intensiteetti on pienempi kuin komponentit.

Valaisevat aaltohäiriöt ilmenevät, kun aallot ovat yksivärisiä ja ylläpitävät samaa faasieroa koko ajan. Tätä kutsutaan johdonmukaisuus. Tällainen valo voi tulla esimerkiksi laserista. Tavalliset lähteet, kuten hehkulamppuja.

Mutta jos läpinäkymätön näyttö, jossa on kaksi pientä ja läheistä aukkoa toistensa kanssa, jokaisesta paikasta tulee valoa yhtenäisenä lähteenä samaan lamppuun,.

Lopuksi, kun sähkömagneettisen kentän värähtelyt ovat kaikki samaan suuntaan, Polarisaatio. Luonnollista valoa ei polarisoitu, koska se muodostuu monilla komponenteilla ja jokainen värähtelee eri suuntaan.

Nuori koe

1800 -luvun alussa englantilainen fyysikko Thomas Young sai ensimmäisenä valon, joka oli yhdenmukainen tavallisen valonlähteen kanssa.

Kuuluisassa kaksoisvalauksessaan hän antoi valoa läpinäkymättömällä näytöllä harjoitetun raon kautta. Huygens -periaatteen mukaan syntyy kaksi toissijaista lähdettä, jotka puolestaan ​​kulkivat toisen läpinäkymättömän näytön läpi kahdella radalla.

Voi palvella sinua: absorboitunut lämpö: Kaavat, kuinka se lasketaan ja ratkaistaan ​​harjoituksiaKuva 6. Youngin nuoren kokeen animaatio. Lähde: Wikimedia Commons.

Näin saatu valo valaisee seinän pimeässä huoneessa. Nähty oli malli, joka koostui vaihtoehtoisista ja tummista alueista. Tämän mallin olemassaolo selitetään edellä kuvattulla häiriön ilmiöllä.

Youngin kokeilu oli erittäin tärkeä, koska se osoitti valon aaltoilevan luonteen. Myöhemmin koe on suoritettu perushiukkasten, kuten elektronien, neutronien ja protonien kanssa, ja vastaavat tulokset.

Kevyet ilmiöt

Heijastus

Valon heijastus vedessä

Kun valonsäde vaikuttaa pintaan, osa valosta voi heijastua ja toinen absorboida. Jos se on läpinäkyvä väliaine, osa valosta jatkaa polkuaan sen läpi.

Myös pinta voi olla sileä, kuten peili tai karkea ja epäsäännöllinen. Sileä pinnalla esiintyvään heijastukseen kutsutaan spekulaarinen heijastus, muuten se on hajapohja tai epäsäännöllinen heijastus. Erittäin kiillotettu pinta, kuten peili, voi heijastaa jopa 95%: lla tapahtuvasta valosta.

Spekulaarinen heijastus

Kuva näyttää väliaineessa kulkevan valonsäteen, joka voi olla ilma. Luosta kulman kanssa θ₁ Tasaisella spekulaarisella pinnalla ja heijastuu kulmalla θ₂. Normaalina merkitty viiva on kohtisuorassa pintaan.

Esiintymiskulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Lähde: Serway. R -. Fysiikka tieteen ja tekniikan fysiikka.

Sekä tapahtuva säde että heijastunut että normaali spekulaariseen pintaan ovat samassa tasossa. Muinaiset kreikkalaiset olivat jo havainneet, että esiintymiskulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma:

θ₁ = θ₂

Tämä matemaattinen ilmaisu on kevyt heijastuslaki. Muut aallot, kuten esimerkiksi ääni, kykenevät kuitenkin myös kokemaan pohdinnan.

Suurin osa pinnoista on karkeita, ja siksi valon heijastus on diffuusi. Tällä tavoin niiden heijastama valo lähetetään kaikkiin suuntiin, joten esineet voidaan nähdä mistä tahansa.

Koska jotkut aallonpituudet heijastuvat enemmän kuin toiset, esineillä on eri värit.

Esimerkiksi puiden lehdet heijastavat valoa, joka on suunnilleen näkyvän spektrin keskellä, mikä vastaa vihreää väriä. Loput näkyvät aallonpituudet imeytyvät: ultravioletista lähellä sinistä (350-450 nm) ja punaisesta valosta (650-700 nm).

Taittuminen

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

Valon taita tapahtuu, koska valo kulkee eri nopeuksiin väliaineen mukaan. Tyhjiössä valon nopeus on c = 3 x 10⁸ M/s, mutta kun valo saavuttaa materiaalin väliaineen, syntyy absorptio- ja päästöprosesseja, jotka saavat energian vähentämään, ja sen myötä nopeus.

Esimerkiksi ilmassa liikkuessa valo liikkuu nopeasti samoin kuin C, mutta vedessä valo kulkee kolme neljäsosaa c, Lasissa se tekee noin kaksi kolmasosaa c.

Taitekerroin

Taitekerroin on merkitty n Ja se määritellään jakamaan valon nopeuden välillä tyhjiössä c ja sen nopeus mainitussa väliaineessa v-

N = c/v

TAUSKIRJOITUS on aina suurempi kuin 1, koska valon nopeus tyhjiössä on aina suurempi kuin materiaaliväliaineessa. Jotkut tyypilliset N -arvot ovat:

-Ilma: 1.0003

-Vesi: 1.33

-Lasi: 1.5

-Timantti: 2.42

Snell -laki

Kun valonsäde vaikuttaa vinosti kahden median, kuten ilma- ja lasin välisellä rajalla, yksi osa valosta heijastuu ja toinen osa seuraa polkua lasin sisällä.

Tässä tapauksessa aallonpituus ja nopeus kokevat variaation siirtyessään väliaineesta toiseen, mutta taajuus. Siitä asti kun v = c/n = λ.F  Ja myös tyhjiössä C = λo. F, Sitten sinulla on:

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

Eli aallonpituus tietyssä väliaineessa on aina pienempi kuin tyhjiön aallonpituus λo.

Kuva 8. Snell -laki. Lähde: Vasen kuva: Kevyt taitekautaminen. Rex, a. Fysiikan perusteet. Oikea kuva: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/4.0)].

Huomaa kolmiot, joiden väri on yleinen hypotenuusi. Jokaisessa väliaineessa hypotenuse mittaa λ₁/sin θ₁ ja λ₂/sin θ₂ Vastaavasti sen vuoksi, että λ ja v ovat siis suhteellisia, seuraavasti:

Voi palvella sinua: materiaalien optiset ominaisuudet

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Kuten λ = λ_jompikumpi/n Sinun täytyy:

(λ_jompikumpi/n₁-A /SEN θ₁ = (λ_jompikumpi/n₂-A /SEN θ₂

Se voidaan ilmaista seuraavasti:

n_{1 .} synti θ₁ = n₂ .synti θ₂

Tämä on Snellin lain kaava hollantilaisen matemaattisen kunniaksi.

Vaihtoehtoisesti Snellin laki on kirjoitettu valon nopeudella kussakin ympäristössä, taitekertoimen määritelmän avulla: N = c/v-

(CV₁-A . synti θ₁ = (CV₂-A .synti θ₂

v_{2 .} synti θ₁ = v₁ .synti θ₂

Hajonta

Kuten edellä selitettiin, valo koostuu fotoneista, joilla on erilaisia ​​energioita, ja jokainen energia havaitaan värinä. Valkoinen valo sisältää fotoneja kaikista energioista, ja siksi se voidaan hajottaa eri värien valoihin. Tämä koostuu valon leviämisestä, jota Newton oli jo tutkinut.

Ilmakehän vesipisarat käyttäytyvät kuin pienet prismat. Lähde: Pixabay.

Newton otti optisen prisman, säteile valkoisen valon säteen hänen läpi ja sai värinauhat, jotka menivät punaisesta violetiksi. Tämä nauha on kuvassa 2 nähty näkyvän valon spektri.

Valon leviäminen on luonnollinen ilmiö, jonka kauneutta ihailemme taivaalla, kun sateenkaari muodostuu. Auringonvalo vaikuttaa ilmakehän vesipisaroihin, jotka toimivat pieninä prismina, jotka ovat yhtä suuret kuin Newtonin, ja hajautetaan valo.

Sininen väri, jolla näemme taivaan, on myös dispersion seuraus. Rikas typpeä ja happea, ilmapiiri hajaantuu pääasiassa sinisen ja violetin sävyistä, mutta ihmisen silmä on herkempi siniselle, ja siksi näemme tämän värin taivaan.

Kun aurinko on alempi horisontissa, auringonnousun tai auringonlaskun aikana, taivas on värjätty oranssista sävyistä valonsäteiden ansiosta on ylitettävä paksumpi ilmakehän kerros. Alemman taajuuden punertavat sävyt ovat vuorovaikutuksessa vähemmän ilmakehän elementtien kanssa ja käyttävät tilaisuutta päästä pintaan.

Pölyn ja pilaantumisen runsas ilmakehät, kuten joidenkin suurten kaupunkien, näyttävät harmahtavalta taivaalta johtuen matalataajuuksien leviämisestä.

Kevyet teoriat

Valoa on pidetty pohjimmiltaan hiukkasena tai aaltona. Corpuscular -teoria, jota Newton puolusti, pidettiin valoa hiukkaspalkina. Vaikka heijastus ja taittuminen voidaan selittää oikein olettaen, että valo oli aalto, kuten Huygens sanoi.

Mutta kauan ennen näitä merkittäviä tutkijoita, ihmiset olivat jo spekuloineet valon luonteesta. Heidän joukossaan ei voinut unohtaa kreikkalaista filosofia Aristoteles. Alla on lyhyt yhteenveto valon teorioista ajan myötä:

Aristotelilainen teoria

2.500 vuotta Aristoteles sanoi, että valo syntyi tarkkailijan silmistä, valaisee esineitä ja palasi jollain tavalla kuvan kanssa, jotta henkilö voisi arvostaa sitä.

Newton Corpuscular Theory

Newton uskoi, että valo koostui pienistä hiukkasista, jotka levisivät suorassa viivassa kaikkiin suuntiin. Kun he saavuttavat silmät, he tallentavat sensaation valona.

Huygens aaltoileva teoria

Huygens julkaisi teoksen nimeltä Valonsopimus jossa hän ehdotti, että tämä oli ympäristön häiriö, joka on samanlainen kuin ääniaalto.

Maxwellin sähkömagneettinen teoria

Vaikka kaksinkertainen leviävä kokeilu ei jättänyt epäilystäkään valon aaltoilevasta luonteesta, suuren osan 1800 -luvusta arvottiin aaltotyypistä, joka oli, kunnes Maxwell sanoi hänen sähkömagneettisessa teoriassaan, että valo koostui sähkömagneettisen etenemisestä ala.

Valo sähkömagneettisella aaltona selittää valon etenemisen ilmiöt edellisissä osissa kuvatulla tavalla ja on nykyinen fysiikan hyväksymä käsite, samoin kuin valon kokonaisluonne.

Einsteinin ruumisteoria

Modernin valonkäsityksen mukaan tämä koostuu hiukkasista ilman massaa ja ilman kuormaa, nimeltään fotonit. Huolimatta siitä, että heillä ei ole massaa, heillä on aikaa ja energiaa, kuten edellä selitettiin. Tämä teoria selittää tyydyttävästi tapaan, jolla valo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa, vaihtamalla energiaa erillisissä (kvantisoiduissa) määrissä.

Albert Einstein ehdotti valon olemassaoloa selittämään valosähköinen ilmiö Heinrich Hertz löysi muutama vuosi ennen. Valosähkövaikutus koostuu elektronien päästöstä aineella, jolla on jonkinlainen sähkömagneettinen säteily.

Viitteet

1. Figueroa, D. (2005). Sarja: Tieteen ja tekniikan fysiikka. Osa 7. Aallot ja kvanttifysiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
2. Fyysinen. Kevyet teoriat. Toipunut: fyysinen.CH.
3. Giancoli, D.  2006. Fysiikka: sovellusten periaatteet. Kuudes. Ed Prentice Hall.
4. Aaltoliike. Fermatin periaate. Haettu osoitteesta: SC.Ehu.On.
5. Rex, a. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson.
6. Romero, o. 2009. Fyysinen. Santillana -hyperteksti.
7. Serway, R. 2019. Fysiikka tieteen ja tekniikan fysiikka. Kymmenesosa. Painos. Nide 2. Kyynärmä.
8. Laivamies, J. 2009. Johdanto fysiikkaan. Kahdestoista painos. Brooks/Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Valaistus. Palautettu: on.Wikipedia.org.