SVĚTLO: HISTORIE, PŘÍRODA, CHOVÁNÍ, PROPAGACE - FYZICKÝ - 2024

Světlo je elektromagnetická vlna může být detekována zrak. Představuje součást elektromagnetického spektra: to, co se nazývá viditelné světlo. V průběhu let byly navrženy různé teorie, které vysvětlují jeho povahu.

Například víra, že světlo sestávalo z proudu částic emitovaných předměty nebo očima pozorovatelů, byla dlouho držena. Tuto víru Arabů a starověkých Řeků sdílel Isaac Newton (1642-1727), aby vysvětlil jevy světla.

Obrázek 1. Obloha je modrá díky rozptylu slunečního světla v atmosféře. Zdroj: Pixabay.

Ačkoli Newton přišel k podezření, že světlo má vlnové vlastnosti a Christian Huygens (1629-1695) dokázal vysvětlit refrakci a odraz s vlnovou teorií, víra světla jako částice byla rozšířena mezi všemi vědci až do začátku 19. století..

Na úsvitu toho století anglický fyzik Thomas Young ukázal bezpochyby, že světelné paprsky se mohou navzájem rušit, stejně jako mechanické vlny v řetězcích.

To by mohlo znamenat pouze to, že světlo bylo vlnou a ne částicí, ačkoli nikdo nevěděl, o jakou vlnu to bylo, až v roce 1873, James Clerk Maxwell tvrdil, že světlo je elektromagnetická vlna.

S podporou experimentálních výsledků Heinricha Hertze v roce 1887 byla vlnová povaha světla stanovena jako vědecký fakt.

Ale na začátku 20. století se objevily nové důkazy o korpuskulární povaze světla. Tato povaha je přítomna v emisních a absorpčních jevech, ve kterých je světelná energie transportována v obalech zvaných „fotony“.

Jelikož se tedy světlo šíří jako vlna a interaguje s hmotou jako částice, je v současné době ve světle rozpoznána duální povaha: vlnová částice.

Povaha světla

Je zřejmé, že povaha světla je duální a šíří se jako elektromagnetická vlna, jejíž energie přichází do fotonů.

Ty, které nemají hmotnost, se pohybují ve vakuu při konstantní rychlosti 300 000 km / s. Je to známá rychlost světla ve vakuu, ale světlo může cestovat přes jiná média, i když různými rychlostmi.

Když se fotony dostanou k našim očím, aktivují se senzory, které detekují přítomnost světla. Informace jsou přenášeny do mozku a interpretovány tam.

Když zdroj emituje velké množství fotonů, vidíme to jako jasný zdroj. Pokud naopak naopak vydává málo, je interpretován jako neprůhledný zdroj. Každý foton má určitou energii, kterou mozek interpretuje jako barvu. Například modré fotony jsou energetičtější než červené fotony.

Jakýkoli zdroj obecně emituje fotony různých energií, tedy barvu, se kterou je vidět.

Pokud nic jiného nevyzařuje fotony s jediným typem energie, nazývá se monochromatické světlo. Laser je dobrým příkladem monochromatického světla. Nakonec se distribuce fotonů ve zdroji nazývá spektrum.

Vlna je také charakterizována tím, že má určitou vlnovou délku. Jak jsme již řekli, světlo patří do elektromagnetického spektra, které pokrývá extrémně široký rozsah vlnových délek, od rádiových vln po gama paprsky. Následující obrázek ukazuje, jak paprsek bílého světla rozptyluje trojúhelníkový hranol. Světlo je rozděleno na dlouhé (červené) a krátké (modré) vlnové délky.

Uprostřed je úzké pásmo vlnových délek známé jako viditelné spektrum, v rozsahu od 400 nanometrů (nm) do 700 nm.

Obrázek 2. Elektromagnetické spektrum ukazující rozsah viditelného světla. Zdroj: Zdroj: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Chování světla

Světlo má dvojí, vlnové a částicové chování, jak bylo zkoumáno. Světlo se šíří stejným způsobem jako elektromagnetická vlna a jako takové je schopné přenášet energii. Když ale světlo interaguje s hmotou, chová se jako paprsek částic zvaný fotony.

Obrázek 4. Propagace elektromagnetické vlny. Zdroj: Wikimedia Commons. SuperManu.

V roce 1802 fyzik Thomas Young (1773-1829) prokázal, že světlo mělo vlnové chování pomocí experimentu s dvojitou štěrbinou.

Tímto způsobem byl schopen produkovat maximální a minimální rušení na obrazovce. Toto chování je typické pro vlny, a tak Young dokázal prokázat, že světlo bylo vlnou a také bylo možné měřit jeho vlnovou délku.

Druhým aspektem světla je částice, představovaná pakety energie zvané fotony, které se ve vakuu pohybují rychlostí c = 3 x ¹⁰⁸ m / s a ​​nemají žádnou hmotu. Ale mají E energii:

A také hybnost velikosti:

Kde h je Planckova konstanta, jejíž hodnota je 6,63 x 10 ^-34 Joule.second a f je frekvence vlny. Kombinace těchto výrazů:

A protože vlnová délka λ a frekvence jsou vztaženy pomocí c = λ.f, zůstává:

Huygensův princip

Obrázek 5. Vlnová přední a světelná paprska šířící se v přímé linii. Zdroj: Serway. R. Fyzika pro vědu a techniku.

Při studiu chování světla je třeba vzít v úvahu dva důležité principy: Huygensův princip a Fermatův princip. Huygensův princip uvádí, že:

Proč sférické vlny? Pokud předpokládáme, že médium je homogenní, bude se světlo emitované bodovým zdrojem šířit ve všech směrech rovnoměrně. Dokážeme si představit šíření světla uprostřed velké koule s rovnoměrně rozloženými paprsky. Kdokoli pozoruje toto světlo, vnímá, že cestuje v přímé linii směrem k jeho okům a pohybuje se kolmo k frontě vlny.

Pokud světelné paprsky pocházejí z velmi vzdáleného zdroje, například ze Slunce, přední strana vlny je plochá a paprsky jsou rovnoběžné. O tom je přístup geometrické optiky.

Fermatův princip

Fermatův princip uvádí, že:

Tento princip vděčí za svůj název francouzskému matematikovi Pierrovi de Fermatovi (1601–1665), který jej poprvé založil v roce 1662.

Podle tohoto principu se v homogenním prostředí šíří světlo konstantní rychlostí, proto má rovnoměrný přímočarý pohyb a jeho trajektorie je přímka.

Šíření světla

Světlo cestuje jako elektromagnetická vlna. Elektrické pole i magnetické pole se navzájem vytvářejí a vytvářejí spojené vlny, které jsou ve fázi a jsou kolmé k sobě navzájem a ke směru šíření.

Obecně lze vlnu šířící se v prostoru popsat z hlediska čela vlny. Toto je sada bodů, které mají stejnou amplitudu a fázi. Znát umístění wavefront v daném okamžiku, jakékoli další umístění může být znáno, podle Huygensova principu.

Difrakce

Laser ohybu šestihrannou štěrbinou. Lienzocian

Vlnové chování světla se jasně projevuje ve dvou důležitých jevech, které se objevují během jeho šíření: difrakce a interference. V difrakci jsou vlny, ať už jde o vodu, zvuk nebo světlo, zkreslené, když procházejí otvory, kolem překážek nebo kolem rohů.

Pokud je otvor ve srovnání s vlnovou délkou velký, zkreslení není příliš velké, ale pokud je otvor malý, je změna tvaru vlny znatelnější. Difrakce je výhradní vlastnost vln, takže když světlo vykazuje difrakci, víme, že má vlnové chování.

Rušení a polarizace

K rušení světla dochází, když se elektromagnetické vlny, které je skládají, překrývají. Přitom se přidávají vektorově, což by mohlo vést ke dvěma typům rušení:

- Konstruktivní, když je intenzita výsledné vlny větší než intenzita složek.

–Destruktivní, pokud je intenzita nižší než intenzita složek.

K rušení světelné vlny dochází, když jsou vlny monochromatické a udržují stejný fázový rozdíl po celou dobu. Tomu se říká konzistence. Takové světlo může pocházet například z laseru. Běžné zdroje, jako jsou žárovky, neprodukují koherentní světlo, protože světlo emitované miliony atomů ve vlákně se neustále mění.

Pokud je však na stejnou žárovku umístěn neprůhledný stín se dvěma malými otvory blízko sebe, pak světlo, které vychází z každé štěrbiny, působí jako koherentní zdroj.

Nakonec, když jsou oscilace elektromagnetického pole ve stejném směru, dochází k polarizaci. Přirozené světlo není polarizováno, protože je tvořeno mnoha komponenty, z nichž každá osciluje jiným směrem.

Youngův experiment

Na začátku 19. století byl anglický fyzik Thomas Young první, kdo získal koherentní světlo s obyčejným světelným zdrojem.

Ve svém slavném experimentu s dvojitou štěrbinou prošel světlem štěrbinou na neprůhledné obrazovce. Podle Huygensova principu jsou generovány dva sekundární zdroje, které zase procházejí druhou neprůhlednou obrazovkou se dvěma štěrbinami.

Obrázek 6. Animace Youngova experimentu s dvojitou štěrbinou. Zdroj: Wikimedia Commons.

Takto získané světlo osvětlilo zeď v temné místnosti. Co bylo vidět, byl vzorec sestávající ze střídavých světlých a tmavých oblastí. Existence tohoto vzorce je vysvětlena výše popsaným fenoménem rušení.

Youngův experiment byl velmi důležitý, protože odhalil vlnovou povahu světla. Následně byl experiment proveden se základními částicemi, jako jsou elektrony, neutrony a protony, s podobnými výsledky.

Světelné jevy

Odraz

Odraz světla ve vodě

Když paprsek světla dopadne na povrch, může být část světla odrazena a část absorbována. Pokud je to průhledné médium, část světla pokračuje skrz něj.

Povrch může být také hladký, jako zrcadlo, nebo drsný a nerovný. Odraz, který se vyskytuje na hladkém povrchu, se nazývá zrcadlový odraz, jinak je to difúzní nebo nepravidelný odraz. Vysoce leštěný povrch, jako je zrcadlo, může odrážet až 95% dopadajícího světla.

Spekulární odraz

Obrázek ukazuje paprsek světla cestující v médiu, kterým může být vzduch. Spadá v úhlu 9 ₁ na rovinnou zrcadlovou plochu a odráží se v úhlu 9 ₂. Čára označená jako normální je kolmá k povrchu.

Úhel dopadu se rovná úhlu odrazu. Zdroj: Serway. R. Fyzika pro vědu a techniku.

Jak dopadající, tak i odražený paprsek a kolmá k zrcadlové ploše jsou ve stejné rovině. Starověcí Řekové již pozorovali, že úhel dopadu se rovná úhlu odrazu:

Tento matematický výraz je zákonem odrazu světla. Jiné vlny, například zvuk, jsou však také schopné odrazu.

Většina povrchů je drsná, a proto je odraz světla rozptýlený. Tímto způsobem se světlo, které odrážejí, posílá do všech směrů, takže objekty lze vidět odkudkoli.

Protože se některé vlnové délky odrážejí více než jiné, objekty mají různé barvy.

Například listy stromů odrážejí světlo, které je přibližně uprostřed viditelného spektra, což odpovídá zelené barvě. Zbytek viditelných vlnových délek je absorbován: z ultrafialového záření blízko k modré (350-450 nm) a červeného světla (650-700 nm).

Lom světla

Fenomén lomu. Josell7

K lomu světla dochází, protože světlo se pohybuje různými rychlostmi v závislosti na médiu. Ve vakuu je rychlost světla c = 3 x ¹⁰⁸ m / s, ale když světlo dosáhne materiálního média, dochází k absorpčním a emisním procesům, které způsobují pokles energie a tím i rychlosti.

Například při pohybu ve vzduchu se světlo pohybuje téměř stejnou rychlostí jako c, ale ve vodě se světlo pohybuje ve třech čtvrtinách c, zatímco ve skle se pohybuje přibližně ve dvou třetinách c.

Index lomu

Index lomu je označen n a je definován jako podíl mezi rychlostí světla ve vakuu c a jeho rychlostí v uvedeném médiu v:

Index lomu je vždy větší než 1, protože rychlost světla ve vakuu je vždy vyšší než v materiálním médiu. Některé typické hodnoty n jsou:

-Air: 1.0003

- Voda: 1,33

-Sklo: 1,5

-Diamond: 2,42

Snellův zákon

Když paprsek světla narazí na hranici mezi dvěma médii šikmo, například vzduch a sklo, část světla se odrazí a další část pokračuje ve své cestě uvnitř skla.

V tomto případě se při přechodu z jednoho média na druhé mění vlnová délka a rychlost, ale ne frekvence. Protože v = c / n = λ.f a také ve vakuu c = λo. f, pak máme:

To znamená, že vlnová délka v daném médiu je vždy menší než vlnová délka ve vakuu λo.

Obrázek 8. Snellův zákon. Zdroj: Obrázek vlevo: diagram lomu světla. Rex, A. Základy fyziky. Správná postava: Wikimedia Commons. Josell7.

Všimněte si trojúhelníků, které mají společnou přepážku červeně. V každém médiu, přepona opatření lambda ₁ / sin θ ₁ a λ ₂ / sin θ ₂ v tomto pořadí, protože λ a v jsou úměrné, tedy:

Protože λ = λ _o / n máme:

Což lze vyjádřit jako:

Toto je vzorec pro Snellův zákon na počest nizozemského matematika Willebrorda Snella (1580-1626), který jej experimentálně odvodil pozorováním světla procházejícího ze vzduchu do vody a skla.

Alternativně, Snellův zákon je psán v podmínkách rychlosti světla v každém médiu, používat definici indexu lomu: n = c / v:

Disperze

Jak je vysvětleno výše, světlo je tvořeno fotony s různými energiemi a každá energie je vnímána jako barva. Bílé světlo obsahuje fotony všech energií, a proto může být rozděleno na různá barevná světla. Toto je rozptyl světla, který už Newton studoval.

Kapky vody v atmosféře se chovají jako malé hranoly. Zdroj: Pixabay.

Newton vzal optický hranol, prošel jím paprskem bílého světla a získal barevné pruhy od červené po fialovou. Tento okraj je spektrum viditelného světla, které je vidět na obrázku 2.

Rozptyl světla je přírodní jev, jehož krásu obdivujeme na obloze, když se vytváří duha. Sluneční světlo dopadá na kapičky vody v atmosféře, které fungují jako malé newtonovské hranoly, čímž rozptylují světlo.

Modrá barva, se kterou vidíme oblohu, je také důsledkem rozptylu. Atmosféra bohatá na dusík a kyslík rozptyluje hlavně odstíny modré a fialové, ale lidské oko je citlivější na modrou, a proto vidíme oblohu této barvy.

Když je Slunce na obzoru nižší, během východu nebo západu slunce, obloha se změní na oranžovou díky skutečnosti, že paprsky světla musí procházet silnější vrstvou atmosféry. Načervenalé tóny nižších frekvencí interagují méně s prvky atmosféry a využívají výhodu přímého dosažení povrchu.

Atmosféry bohaté na prach a znečištění, jako například v některých velkých městech, mají kvůli rozptylu nízkých frekvencí šedivé nebe.

Teorie světla

Světlo bylo primárně považováno za částici nebo vlnu. Korpuskulární teorie, kterou Newton bránil, považovala světlo za paprsek částic. Zatímco odraz a lom lze přiměřeně vysvětlit předpokládáním, že světlo je vlna, jak tvrdí Huygens.

Ale dlouho před těmito pozoruhodnými vědci lidé spekulovali o povaze světla. Mezi nimi nemohl chybět ani řecký filozof Aristoteles. Zde je stručné shrnutí teorií světla v čase:

Aristotelská teorie

Před 2 500 lety Aristoteles tvrdil, že z očí pozorovatele vyzařovalo světlo, osvětlené předměty a nějakým způsobem se vrací s obrazem, aby jej člověk mohl ocenit.

Newtonova korpuskulární teorie

Newton si myslel, že světlo sestává z malých částic, které se šíří v přímce ve všech směrech. Když dosáhnou očí, zaregistrují pocit jako světlo.

Huygensova vlnová teorie

Huygens publikoval dílo nazvané Pojednání o světle, ve kterém navrhl, že se jedná o rušení média podobné zvukovým vlnám.

Maxwellova elektromagnetická teorie

Ačkoli experiment s dvojitou štěrbinou nezanechal pochybnosti o vlnové povaze světla, po většinu 19. století existovaly spekulace o tom, jaký typ vlny to bylo, dokud Maxwell ve své elektromagnetické teorii neuvedl, že světlo sestává z šíření elektromagnetického pole.

Světlo jako elektromagnetická vlna vysvětluje jevy šíření světla, jak je popsáno v předchozích oddílech, a je konceptem akceptovaným současnou fyzikou, stejně jako korpuskulární povahou světla.

Einsteinova korpuskulární teorie

Podle moderní koncepce světla se skládá z bezhmotných a nenabitých částic zvaných fotony. Přestože nemají hmotnost, mají hybnost a energii, jak je vysvětleno výše. Tato teorie úspěšně vysvětluje způsob, jakým světlo interaguje s hmotou, výměnou energie v diskrétních (kvantovaných) množstvích.

Existenci kvanta světla navrhl Albert Einstein, aby vysvětlil fotoelektrický efekt objevený Heinrichem Hertzem před několika lety. Fotoelektrický efekt spočívá v emisi elektronů látkou, na kterou byl zasažen nějaký typ elektromagnetického záření, téměř vždy v rozmezí od ultrafialového do viditelného světla.

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Série: Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 7. Vlny a kvantová fyzika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Fyzické. Teorie světla. Obnoveno z: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. 6. Ed Prentice Hall.
4. Vlnitý pohyb. Fermatův princip. Obnoveno z: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fyzika. Santillana Hypertext.
7. Serway, R. 2019. Fyzika pro vědu a techniku. 10. Edice. Svazek 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Úvod do fyzikální vědy. Dvanácté vydání. Brooks / Cole, vydání Cengage.
9. Wikipedia. Světlo. Obnoveno z: es.wikipedia.org.