ŚWIATŁO: HISTORIA, NATURA, ZACHOWANIE, PROPAGACJA - FIZYCZNY - 2026

Światło jest falą elektromagnetyczną można wykryć przez zmysł wzroku. Stanowi część widma elektromagnetycznego, czyli tak zwanego światła widzialnego. Na przestrzeni lat proponowano różne teorie wyjaśniające jego naturę.

Na przykład długo utrzymywano przekonanie, że światło składa się ze strumienia cząstek emitowanych przez przedmioty lub oczy obserwatorów. To przekonanie Arabów i starożytnych Greków podzielił Izaak Newton (1642-1727), aby wyjaśnić zjawisko światła.

Rysunek 1. Niebo jest niebieskie dzięki rozproszeniu światła słonecznego w atmosferze. Źródło: Pixabay.

Chociaż Newton zaczął podejrzewać, że światło ma właściwości falowe, a Christian Huygens (1629-1695) zdołał wyjaśnić załamanie i odbicie za pomocą teorii fal, przekonanie o świetle jako cząstce było powszechne wśród wszystkich naukowców aż do początku XIX wieku. .

Na początku tego stulecia angielski fizyk Thomas Young bez wątpienia wykazał, że promienie światła mogą się wzajemnie zakłócać, podobnie jak fale mechaniczne w strunach.

Mogło to tylko oznaczać, że światło było falą, a nie cząstką, chociaż nikt nie wiedział, jaki to rodzaj fali, aż do 1873 roku, James Clerk Maxwell stwierdził, że światło jest falą elektromagnetyczną.

Przy wsparciu wyników eksperymentalnych Heinricha Hertza w 1887 r. Falowa natura światła została uznana za fakt naukowy.

Ale na początku XX wieku pojawiły się nowe dowody na korpuskularną naturę światła. Ta natura występuje w zjawiskach emisji i absorpcji, w których energia świetlna jest transportowana w pakietach zwanych „fotonami”.

Tak więc, ponieważ światło rozchodzi się jako fala i oddziałuje z materią jak cząstka, obecnie w świetle rozpoznaje się dwoistą naturę: fala-cząstka.

Natura światła

Oczywiste jest, że natura światła jest podwójna, rozchodząc się jako fala elektromagnetyczna, której energia pochodzi z fotonów.

Te, które nie mają masy, poruszają się w próżni ze stałą prędkością 300 000 km / s. Jest to znana prędkość światła w próżni, ale światło może przemieszczać się przez inne media, aczkolwiek z różnymi prędkościami.

Kiedy fotony docierają do naszych oczu, aktywowane są czujniki wykrywające obecność światła. Informacje są przekazywane do mózgu i tam interpretowane.

Kiedy źródło emituje dużą liczbę fotonów, postrzegamy je jako jasne źródło. Jeśli wręcz przeciwnie, emituje niewiele, jest interpretowane jako nieprzejrzyste źródło. Każdy foton ma określoną energię, którą mózg interpretuje jako kolor. Na przykład fotony niebieskie są bardziej energetyczne niż fotony czerwone.

Każde źródło generalnie emituje fotony o różnych energiach, stąd kolor, w jakim jest widziane.

Jeśli nic innego nie emituje fotonów z jednym rodzajem energii, nazywa się to światłem monochromatycznym. Laser jest dobrym przykładem światła monochromatycznego. Wreszcie rozkład fotonów w źródle nazywa się widmem.

Fala charakteryzuje się również pewną długością fali. Jak powiedzieliśmy, światło należy do widma elektromagnetycznego, które obejmuje niezwykle szeroki zakres długości fal, od fal radiowych po promienie gamma. Poniższa ilustracja przedstawia, jak wiązka białego światła rozprasza trójkątny pryzmat. Światło jest rozdzielane na fale długie (czerwone) i krótkie (niebieskie).

Pośrodku znajduje się wąskie pasmo fal zwane widmem widzialnym, od 400 nanometrów (nm) do 700 nm.

Rysunek 2. Widmo elektromagnetyczne przedstawiające zakres światła widzialnego. Źródło: Źródło: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Zachowanie się światła

Jak zbadano, światło ma podwójne, falowe i cząsteczkowe zachowanie. Światło rozchodzi się w taki sam sposób jak fala elektromagnetyczna i jako takie jest zdolne do przenoszenia energii. Ale kiedy światło oddziałuje z materią, zachowuje się jak wiązka cząstek zwana fotonami.

Rysunek 4. Propagacja fali elektromagnetycznej. Źródło: Wikimedia Commons. SuperManu.

W 1802 roku fizyk Thomas Young (1773-1829) wykazał, że światło ma zachowanie falowe przy użyciu eksperymentu z podwójną szczeliną.

W ten sposób był w stanie wytworzyć maksymalne i minimalne zakłócenia na ekranie. Takie zachowanie jest typowe dla fal, a zatem Young był w stanie wykazać, że światło jest falą, a także był w stanie zmierzyć jego długość.

Innym aspektem światła jest cząstka reprezentowana przez pakiety energii zwane fotonami, które w próżni poruszają się z prędkością c = 3 x 10 ⁸ m / s i nie mają masy. Ale mają energię E:

A także pęd wielkości:

Gdzie h jest stałą Plancka, którego wartość wynosi 6,63 x 10 ^-34 Joule.second f jest częstotliwością fali. Łącząc te wyrażenia:

A ponieważ długość fali λ i częstotliwość są powiązane przez c = λ.f, pozostaje:

Zasada Huygens

Rysunek 5. Czoło fali i promienie świetlne rozchodzące się w linii prostej. Źródło: Serway. R. Fizyka dla nauki i inżynierii.

Badając zachowanie światła, należy wziąć pod uwagę dwie ważne zasady: zasadę Huygensa i zasadę Fermata. Zasada Huygens mówi, że:

Dlaczego fale sferyczne? Jeśli założymy, że ośrodek jest jednorodny, światło emitowane przez źródło punktowe będzie się równomiernie rozchodzić we wszystkich kierunkach. Możemy sobie wyobrazić światło rozchodzące się w środku dużej kuli z równomiernie rozłożonymi promieniami. Ktokolwiek obserwuje to światło, spostrzega, że ​​wędruje ono w linii prostej w kierunku jego oka i porusza się prostopadle do czoła fali.

Jeśli promienie świetlne pochodzą z bardzo odległego źródła, na przykład Słońca, czoło fali jest płaskie, a promienie są równoległe. Na tym właśnie polega podejście optyki geometrycznej.

Zasada Fermata

Zasada Fermata mówi, że:

Zasada ta zawdzięcza swoją nazwę francuskiemu matematykowi Pierre'owi de Fermat (1601-1665), który jako pierwszy założył ją w 1662 roku.

Zgodnie z tą zasadą w jednorodnym ośrodku światło rozchodzi się ze stałą prędkością, dzięki czemu ma jednostajny ruch prostoliniowy, a jego trajektoria jest prosta.

Propagacja światła

Światło porusza się jak fala elektromagnetyczna. Zarówno pole elektryczne, jak i pole magnetyczne generują się nawzajem, tworząc fale sprzężone, które są w fazie i są prostopadłe do siebie i do kierunku propagacji.

Generalnie falę rozchodzącą się w przestrzeni można opisać frontem fali. Jest to zbiór punktów o równej amplitudzie i fazie. Znając położenie frontu falowego w danej chwili, można poznać dowolne kolejne położenie, zgodnie z zasadą Huygensa.

Dyfrakcja

Laser ugięty przez sześciokątną szczelinę. Lienzocian

O falowym zachowaniu światła wyraźnie świadczą dwa ważne zjawiska zachodzące podczas jego propagacji: dyfrakcja i interferencja. Podczas dyfrakcji fale, czy to wody, dźwięku czy światła, są zniekształcane, gdy przechodzą przez otwory, omijają przeszkody lub przechodzą na zakrętach.

Jeśli apertura jest duża w porównaniu z długością fali, zniekształcenie nie jest zbyt duże, ale jeśli apertura jest mała, zmiana kształtu fali jest bardziej zauważalna. Dyfrakcja jest wyłączną właściwością fal, więc gdy światło wykazuje dyfrakcję, wiemy, że zachowuje się ona falowo.

Interferencja i polaryzacja

Z kolei interferencja światła zachodzi, gdy składające się na nie fale elektromagnetyczne zachodzą na siebie. Robiąc to, są dodawane wektorowo, co może powodować dwa rodzaje zakłóceń:

–Konstruktywne, gdy natężenie powstałej fali jest większe niż natężenie składowych.

–Niszczące, jeśli intensywność jest mniejsza niż intensywność składników.

Interferencja fal świetlnych występuje, gdy fale są monochromatyczne i przez cały czas utrzymują tę samą różnicę faz. Nazywa się to konsekwencją. Takie światło może pochodzić na przykład z lasera. Typowe źródła, takie jak żarówki żarowe, nie wytwarzają spójnego światła, ponieważ światło emitowane przez miliony atomów w żarniku nieustannie zmienia fazę.

Ale jeśli nieprzezroczysty klosz z dwoma małymi otworami blisko siebie zostanie umieszczony na tej samej żarówce, światło wychodzące z każdego gniazda działa jako spójne źródło.

Wreszcie, gdy oscylacje pola elektromagnetycznego są w tym samym kierunku, następuje polaryzacja. Światło naturalne nie jest spolaryzowane, ponieważ składa się z wielu komponentów, z których każdy oscyluje w innym kierunku.

Eksperyment Younga

Na początku XIX wieku angielski fizyk Thomas Young jako pierwszy uzyskał spójne światło za pomocą zwykłego źródła światła.

W swoim słynnym eksperymencie z podwójną szczeliną przepuścił światło przez szczelinę w nieprzezroczystym ekranie. Zgodnie z zasadą Huygens, generowane są dwa źródła wtórne, które z kolei przechodzą przez drugi nieprzezroczysty ekran z dwoma szczelinami.

Rysunek 6. Animacja eksperymentu Younga z podwójną szczeliną. Źródło: Wikimedia Commons.

Uzyskane w ten sposób światło oświetlało ścianę w ciemnym pomieszczeniu. Widoczny był wzór składający się z naprzemiennych jasnych i ciemnych obszarów. Istnienie tego wzorca wyjaśnia opisane powyżej zjawisko interferencji.

Eksperyment Younga był bardzo ważny, ponieważ ujawnił falową naturę światła. Następnie eksperyment przeprowadzono z cząstkami podstawowymi, takimi jak elektrony, neutrony i protony, z podobnymi wynikami.

Zjawiska światła

Odbicie

Odbicie światła w wodzie

Kiedy promień światła uderza w powierzchnię, część światła może zostać odbita, a część pochłonięta. Jeśli jest to przezroczyste medium, część światła przechodzi przez niego.

Ponadto powierzchnia może być gładka, jak lustro lub szorstka i nierówna. Odbicie, które pojawia się na gładkiej powierzchni, nazywa się odbiciem lustrzanym, w przeciwnym razie jest odbiciem rozproszonym lub nieregularnym. Silnie wypolerowana powierzchnia, taka jak lustro, może odbijać do 95% padającego światła.

Odbicie lustrzane

Rysunek przedstawia promień światła podróżujący w ośrodku, którym może być powietrze. Opada pod kątem θ ₁ na płaską powierzchnię lustrzaną i odbija się pod kątem θ ₂ . Linia oznaczona jako normalna jest prostopadła do powierzchni.

Kąt padania jest równy kątowi odbicia. Źródło: Serway. R. Fizyka dla nauki i inżynierii.

Zarówno padający, jak i odbity promień oraz normalna do lustrzanej powierzchni znajdują się w tej samej płaszczyźnie. Już starożytni Grecy zauważyli, że kąt padania jest równy kątowi odbicia:

To matematyczne wyrażenie to prawo odbicia światła. Jednak inne fale, na przykład dźwięk, również mogą odbijać się.

Większość powierzchni jest szorstka, dlatego odbicie światła jest rozproszone. W ten sposób odbijane przez nie światło jest wysyłane we wszystkich kierunkach, dzięki czemu obiekty można zobaczyć z dowolnego miejsca.

Ponieważ niektóre długości fal odbijają się bardziej niż inne, obiekty mają różne kolory.

Na przykład liście drzew odbijają światło znajdujące się mniej więcej w środku zakresu widzialnego, co odpowiada kolorowi zielonemu. Reszta widzialnych długości fal jest absorbowana: od ultrafioletu zbliżonego do niebieskiego (350-450 nm) i czerwonego (650-700 nm).

Refrakcja

Zjawisko załamania światła. Josell7

Załamanie światła następuje, ponieważ światło porusza się z różnymi prędkościami w zależności od medium. W próżni prędkość światła wynosi c = 3 x ¹⁰⁸ m / s, ale kiedy światło dociera do ośrodka materialnego, zachodzą procesy absorpcji i emisji, które powodują spadek energii, a wraz z nią prędkość.

Na przykład, gdy porusza się w powietrzu, światło porusza się z prawie taką samą prędkością jak c, ale w wodzie z prędkością trzech czwartych c, podczas gdy w szkle podróżuje z prędkością około dwóch trzecich c.

Współczynnik załamania światła

Współczynnik załamania światła jest oznaczony n i zdefiniowany jako iloraz prędkości światła w próżni c i jego prędkości we wspomnianym ośrodku v:

Współczynnik załamania jest zawsze większy niż 1, ponieważ prędkość światła w próżni jest zawsze większa niż w ośrodku materialnym. Niektóre typowe wartości n to:

-Powietrze: 1.0003

-Woda: 1,33

-Szkło: 1,5

-Diament: 2,42

Prawo Snella

Kiedy promień światła uderza ukośnie w granicę między dwoma mediami, na przykład powietrzem i szkłem, część światła zostaje odbita, a inna część przedostaje się do wnętrza szkła.

W tym przypadku długość fali i prędkość ulegają zmianom podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego, ale nie częstotliwość. Ponieważ v = c / n = λ.f, a także w próżni c = λo. f, to mamy:

Oznacza to, że długość fali w danym ośrodku jest zawsze mniejsza niż długość fali w próżni λo.

Rysunek 8. Prawo Snella. Źródło: Lewa figura: wykres załamania światła. Rex, A. Podstawy fizyki. Rysunek po prawej: Wikimedia Commons. Josell7.

Zwróć uwagę na trójkąty, które mają wspólną przeciwprostokątną w kolorze czerwonym. W każdym ośrodku przeciwprostokątna mierzy odpowiednio λ ₁ / sin θ ₁ i λ ₂ / sin θ ₂ , ponieważ λ i v są proporcjonalne, dlatego:

Ponieważ λ = λ _o / n mamy:

Które można wyrazić jako:

Oto formuła prawa Snella, na cześć holenderskiego matematyka Willebrorda Snella (1580-1626), który wyprowadził je eksperymentalnie, obserwując światło przechodzące z powietrza do wody i szkła.

Alternatywnie, prawo Snella jest zapisane w kategoriach prędkości światła w każdym ośrodku, wykorzystując definicję współczynnika załamania światła: n = c / v:

Dyspersja

Jak wyjaśniono powyżej, światło składa się z fotonów o różnych energiach, a każda energia jest postrzegana jako kolor. Białe światło zawiera fotony wszystkich energii i dlatego może zostać rozbite na różne kolorowe światła. To jest rozpraszanie światła, które zostało już zbadane przez Newtona.

Krople wody w atmosferze zachowują się jak małe pryzmaty. Źródło: Pixabay.

Newton wziął pryzmat optyczny, przepuścił przez niego wiązkę białego światła i uzyskał kolorowe paski od czerwieni do fioletu. Ta prążek to widmo światła widzialnego widoczne na rysunku 2.

Rozpraszanie światła to naturalne zjawisko, którego piękno podziwiamy na niebie, gdy tworzy się tęcza. Światło słoneczne pada na kropelki wody w atmosferze, które działają jak maleńkie pryzmaty podobne do Newtona, rozpraszając w ten sposób światło.

Niebieski kolor, z jakim widzimy niebo, jest również konsekwencją rozproszenia. Bogata w azot i tlen atmosfera rozprasza głównie odcienie błękitu i fioletu, ale ludzkie oko jest bardziej wrażliwe na niebieski i dlatego widzimy niebo w tym kolorze.

Kiedy Słońce znajduje się niżej na horyzoncie, podczas wschodu lub zachodu słońca, niebo zmienia kolor na pomarańczowy dzięki temu, że promienie świetlne muszą przejść przez grubszą warstwę atmosfery. Czerwonawe tony o niższych częstotliwościach mniej oddziałują z elementami atmosfery i wykorzystują to, aby dotrzeć bezpośrednio na powierzchnię.

Atmosfery obfitujące w pył i zanieczyszczenia, na przykład w niektórych dużych miastach, mają szare niebo ze względu na rozproszenie niskich częstotliwości.

Teorie dotyczące światła

Światło jest postrzegane przede wszystkim jako cząstka lub fala. Teoria korpuskularna, której bronił Newton, uważała światło za wiązkę cząstek. Natomiast odbicie i załamanie można odpowiednio wytłumaczyć, zakładając, że światło jest falą, jak argumentował Huygens.

Ale na długo przed tymi wybitnymi naukowcami ludzie spekulowali na temat natury światła. Wśród nich nie mogło zabraknąć greckiego filozofa Arystotelesa. Oto krótkie podsumowanie teorii światła w czasie:

Teoria Arystotelesa

2500 lat temu Arystoteles twierdził, że światło wychodziło z oczu obserwatora, oświetlało przedmioty i w jakiś sposób wracało z obrazem, aby osoba mogła je docenić.

Korpuskularna teoria Newtona

Newton uważał, że światło składa się z maleńkich cząstek, które rozchodzą się po linii prostej we wszystkich kierunkach. Kiedy docierają do oczu, rejestrują to uczucie jako światło.

Teoria fal Huygensa

Huygens opublikował pracę zatytułowaną Treatise on light, w której zaproponował, że było to zaburzenie ośrodka podobne do fal dźwiękowych.

Teoria elektromagnetyczna Maxwella

Chociaż eksperyment z podwójną szczeliną nie pozostawiał wątpliwości co do falowej natury światła, przez większą część XIX wieku istniały spekulacje na temat tego rodzaju fali, dopóki Maxwell nie stwierdził w swojej teorii elektromagnetycznej, że światło składa się z propagacja pola elektromagnetycznego.

Światło jako fala elektromagnetyczna wyjaśnia zjawisko propagacji światła opisane w poprzednich rozdziałach i jest koncepcją akceptowaną przez współczesną fizykę, podobnie jak korpuskularna natura światła.

Korpuskularna teoria Einsteina

Zgodnie z nowoczesną koncepcją światła składa się z bezmasowych i nienaładowanych cząstek zwanych fotonami. Pomimo braku masy mają pęd i energię, jak wyjaśniono powyżej. Teoria ta z powodzeniem wyjaśnia sposób, w jaki światło oddziałuje z materią, wymieniając energię w dyskretnych (skwantyzowanych) ilościach.

Istnienie kwantów światła zaproponował Albert Einstein w celu wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego odkrytego przez Heinricha Hertza kilka lat wcześniej. Efekt fotoelektryczny polega na emisji elektronów przez substancję, na którą padło pewnego rodzaju promieniowanie elektromagnetyczne, prawie zawsze w zakresie od ultrafioletu do światła widzialnego.

Bibliografia

1. Figueroa, D. (2005). Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 7. Fale i fizyka kwantowa. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
2. Lekarstwo. Teorie światła. Odzyskany z: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Ruch falowy. Zasada Fermata. Odzyskany z: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba.
6. Romero, O. 2009. Fizyka. Santillana Hypertext.
7. Serway, R. 2019. Fizyka dla nauki i inżynierii. 10. Wydanie. Tom 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Wprowadzenie do nauk fizycznych. Dwunasta edycja. Brooks / Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Lekki. Odzyskane z: es.wikipedia.org.