СВЕТЛИНА: ИСТОРИЯ, ПРИРОДА, ПОВЕДЕНИЕ, РАЗПРОСТРАНЕНИЕ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В светлината е електромагнитна вълна може да бъде открит чрез сетивото на зрението. Той представлява част от електромагнитния спектър: това, което е известно като видима светлина. През годините са предложени различни теории, за да се обясни неговата същност.

Например, вярата, че светлината се състои от поток от частици, излъчвани от предмети или от очите на наблюдателите, дълго се задържа. Това вярване на арабите и древните гърци е било споделено от Исак Нютон (1642-1727), за да обясни феномените на светлината.

Фигура 1. Небето е синьо благодарение на разсейването на слънчевата светлина в атмосферата. Източник: Pixabay

Въпреки че Нютон подозира, че светлината има вълнови качества и Кристиан Хюйгенс (1629-1695) успява да обясни пречупването и отражението с теория на вълните, вярата за светлината като частица е широко разпространена сред всички учени до началото на 19 век.,

В зората на онзи век английският физик Томас Йънг демонстрира без съмнение, че светлинните лъчи могат да се намесват един в друг, както правят механичните вълни в струните.

Това може да означава само, че светлината е вълна, а не частица, въпреки че никой не знаеше за каква вълна става, докато през 1873 г. Джеймс Клерк Максуел твърдеше, че светлината е електромагнитна вълна.

С подкрепата на експерименталните резултати на Хайнрих Херц през 1887 г. вълновата природа на светлината е установена като научен факт.

Но в началото на 20 век се появяват нови доказателства за корпускуларната природа на светлината. Това естество присъства в явленията на емисии и абсорбция, при които светлинната енергия се транспортира в опаковки, наречени „фотони“.

Следователно, тъй като светлината се разпространява като вълна и взаимодейства с материята като частица, в момента светлината се разпознава в светлина: вълна-частица.

Природа на светлината

Ясно е, че природата на светлината е двойна, разпространяваща се като електромагнитна вълна, чиято енергия идва във фотони.

Те, които нямат маса, се движат във вакуум с постоянна скорост от 300 000 км / сек. Това е известната скорост на светлината във вакуум, но светлината може да пътува през други среди, макар и с различна скорост.

Когато фотоните достигнат до очите ни, се активират сензорите, които засичат присъствието на светлина. Информацията се предава в мозъка и се интерпретира там.

Когато източник излъчва голям брой фотони, ние го разглеждаме като ярък източник. Ако, напротив, излъчва малко, това се интерпретира като непрозрачен източник. Всеки фотон има определена енергия, която мозъкът интерпретира като цвят. Например сините фотони са по-енергични от червените фотони.

Всеки източник обикновено излъчва фотони с различна енергия, оттук и цветът, с който се вижда.

Ако нищо друго не излъчва фотони с един вид енергия, това се нарича монохроматична светлина. Лазерът е добър пример за монохроматична светлина. И накрая, разпределението на фотоните в източник се нарича спектър.

Една вълна също се характеризира с това, че има определена дължина на вълната. Както казахме, светлината принадлежи към електромагнитния спектър, който покрива изключително широк диапазон от дължини на вълните, от радиовълни до гама лъчи. Следващото изображение показва как лъч бяла светлина разсейва триъгълна призма. Светлината се разделя на дълги (червени) и къси (сини) дължини на вълната.

В средата е тясната лента с дължини на вълните, известна като видимия спектър, варираща от 400 нанометра (nm) до 700 nm.

Фигура 2. Електромагнитният спектър, показващ обхвата на видимата светлина. Източник: Източник: Wikimedia Commons. Автор: Хорст Франк.

Поведение на светлината

Светлината има двойно, вълново и частично поведение, както е изследвано. Светлината се разпространява по същия начин като електромагнитна вълна и като такава е способна да транспортира енергия. Но когато светлината взаимодейства с материята, тя се държи като лъч от частици, наречен фотони.

Фигура 4. Разпространение на електромагнитна вълна. Източник: Wikimedia Commons. SuperManu.

През 1802 г. физикът Томас Йънг (1773-1829) демонстрира, че светлината има поведение на вълната, използвайки експеримента с двойни процепи.

По този начин той успя да произведе максимална и минимална намеса на екрана. Това поведение е типично за вълните и по този начин Йънг успя да демонстрира, че светлината е вълна и също така беше в състояние да измери дължината на вълната си.

Другият аспект на светлината е този на частица, представена от пакети енергия, наречени фотони, които във вакуум се движат със скорост c = 3 x 10 ⁸ m / s и нямат маса. Но те имат Е енергия:

И също така инерция на величината:

Където h е константата на Планк, чиято стойност е 6,63 x 10 ^-34 Joule.second и f е честотата на вълната. Комбиниране на тези изрази:

И тъй като дължината на вълната λ и честотата са свързани с c = λ.f, остава:

Принцип на Хюйгенс

Фигура 5. Предни вълни и светлинни лъчи, разпространяващи се по права линия. Източник: Serway. Р. Физика за наука и инженерство.

Когато изучавате поведението на светлината, трябва да се вземат предвид два важни принципа: принцип на Хюйгенс и принцип на Фермат. Принципът на Хюйгенс гласи, че:

Защо сферични вълни? Ако приемем, че средата е хомогенна, светлината, излъчвана от точков източник, ще се разпространява във всички посоки еднакво. Можем да си представим, че светлината се разпространява в средата на голяма сфера с равномерно разпределени лъчи. Който наблюдава тази светлина, вижда, че тя се движи по права линия към окото му и се движи перпендикулярно на фронта на вълната.

Ако светлинните лъчи идват от много отдалечен източник, например Слънцето, фронтът на вълната е плосък и лъчите са успоредни. За това се отнася подходът на геометричната оптика.

Принципът на Фермат

Принципът на Fermat гласи, че:

Този принцип дължи името си на френския математик Пиер дьо Фермат (1601-1665), който за първи път го установява през 1662г.

Съгласно този принцип, в хомогенна средна светлина се разпространява с постоянна скорост, следователно тя има равномерно праволинейно движение и траекторията му е права линия.

Разпространение на светлина

Светлината пътува като електромагнитна вълна. И електрическото, и магнитното поле се генерират взаимно, съставлявайки свързани вълни, които са във фаза и са перпендикулярни една на друга и по посока на разпространение.

Като цяло вълна, разпространяваща се в пространството, може да бъде описана по отношение на фронта на вълната. Това е набор от точки, които имат еднаква амплитуда и фаза. Като се знае местоположението на вълновата линия в даден момент, всяко следващо местоположение може да бъде известно, според принципа на Хюйгенс.

дифракция

Лазерно дифракция от шестоъгълна цепка. Lienzocian

Поведението на вълната на светлината ясно се доказва от две важни явления, възникващи по време на нейното разпространение: дифракция и интерференция. При дифракция вълните, независимо дали са на вода, звук или светлина, се изкривяват, когато преминават през отвори, обикалят препятствия или обикалят ъглите.

Ако блендата е голяма в сравнение с дължината на вълната, изкривяването не е много голямо, но ако блендата е малка, промяната във формата на вълната е по-забележима. Дифракцията е изключително свойство на вълните, така че когато светлината проявява дифракция, ние знаем, че тя има вълново поведение.

Интерференция и поляризация

От своя страна, намесата на светлината възниква, когато електромагнитните вълни, които ги съставят, се припокриват. Когато правите това, те се добавят векториално и това може да доведе до два вида смущения:

–Конструктивна, когато интензитетът на получената вълна е по-голям от интензитета на компонентите.

–Разрушително, ако интензитетът е по-малък от този на компонентите.

Интерференцията на светлинните вълни възниква, когато вълните са монохроматични и поддържат една и съща фазова разлика през цялото време. Това се нарича последователност. Светлина като тази може да идва от лазер например. Общите източници като крушки с нажежаема жичка не произвеждат кохерентна светлина, защото светлината, излъчвана от милионите атоми във нишката, постоянно променя фазата.

Но ако върху същата електрическа крушка се постави непрозрачен нюанс с два малки отвора близо един до друг, светлината, която излиза от всеки слот, действа като съгласуван източник.

И накрая, когато трептенията на електромагнитното поле са в една и съща посока, настъпва поляризация. Естествената светлина не е поляризирана, тъй като е съставена от много компоненти, всеки от които осцилира в различна посока.

Експериментът на Йънг

В началото на 19 век английският физик Томас Йънг е първият, който получи кохерентна светлина с обикновен източник на светлина.

В знаменития си експеримент с двойни прорези той преминава светлина през процеп в непрозрачен екран. Според принципа на Хюйгенс се генерират два вторични източника, които от своя страна преминават през втори непрозрачен екран с две прорези.

Фигура 6. Анимация на експеримента с двойни процепи на Йънг Източник: Wikimedia Commons.

Така получената светлина осветява стена в тъмна стая. Виждаше се модел, състоящ се от редуващи се светли и тъмни зони. Съществуването на този модел се обяснява с описания по-горе феномен на интерференция.

Експериментът на Йънг беше много важен, защото разкри вълновата природа на светлината. Впоследствие експериментът се провежда с фундаментални частици като електрони, неутрони и протони с подобни резултати.

Феномени на светлината

размисъл

Отражение на светлина във водата

Когато лъч светлина удари повърхност, част от светлината може да бъде отразена, а друга - погълната. Ако това е прозрачна среда, част от светлината продължава пътя си през него.

Също така повърхността може да бъде гладка, като огледало, или груба и неравна. Отражението, което се случва върху гладка повърхност, се нарича зрително отражение, в противен случай това е дифузно отражение или неправилно отражение. Силно полирана повърхност, като огледало, може да отразява до 95% от падащата светлина.

Зрелищно отражение

Фигурата показва лъч светлина, пътуващ в среда, която може да е въздух. Той пада под ъгъл θ ₁ върху равнинна светлинна повърхност и се отразява под ъгъл θ ₂. Линията, обозначена като нормална, е перпендикулярна на повърхността.

Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение. Източник: Serway. Р. Физика за наука и инженерство.

И инцидентът, и отразеният лъч, и нормалният към светлината повърхност са в една и съща равнина. Древните гърци вече са забелязали, че ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение:

Този математически израз е законът за отражение на светлината. Други вълни, като звук например, също са способни да отразяват.

Повечето повърхности са грапави и следователно отражението на светлината е дифузно. По този начин светлината, която отразяват, се изпраща във всички посоки, така че обектите могат да се видят отвсякъде.

Тъй като някои дължини на вълната се отразяват повече от други, обектите имат различни цветове.

Например, листата на дърветата отразяват светлина, която е приблизително в средата на видимия спектър, което съответства на цвета зелен. Останалата част от видимите дължини на вълната се абсорбира: от ултравиолетова близо до синя (350-450 nm) и червена светлина (650-700 nm).

пречупване

Явление на пречупване. Josell7

Пречупването на светлината възниква, защото светлината пътува с различна скорост в зависимост от средата. Във вакуум скоростта на светлината е c = 3 x 10 ⁸ m / s, но когато светлината достигне материална среда, възникват процеси на поглъщане и излъчване, които предизвикват намаляване на енергията, а с нея и скоростта.

Например, когато се движите във въздуха, светлината се движи с почти равна скорост до с, но във вода светлината пътува с три четвърти от с, докато в стъклото се движи приблизително на две трети от с.

Рефракционен индекс

Индексът на пречупване се обозначава n и се определя като коефициентът между скоростта на светлината във вакуум с и скоростта й в споменатата среда v:

Индексът на пречупване винаги е по-голям от 1, тъй като скоростта на светлината във вакуум винаги е по-голяма, отколкото в материална среда. Някои типични стойности на n са:

-Въздух: 1.0003

-Вода: 1.33

-Стъкло: 1.5

-Diamond: 2,42

Закон на Снел

Когато лъч светлина удари границата между две среди наклонено, например въздух и стъкло например, част от светлината се отразява, а друга част продължава пътя си към стъклото.

В този случай дължината на вълната и скоростта търпят изменение при преминаване от една среда към друга, но не и честотата. Тъй като v = c / n = λ.f и също така във вакуум c = λo. е, тогава имаме:

Тоест дължината на вълната в дадена среда винаги е по-малка от дължината на вълната във вакуум λo.

Фигура 8. Закон на Снел. Източник: Лява фигура: диаграма на пречупването на светлината. Рекс, А. Основи на физиката. Дясна фигура: Wikimedia Commons. Josell7.

Обърнете внимание на триъгълниците, които имат обща хипотенуза в червено. Във всяка среда хипотенузата измерва съответно λ ₁ / sin θ ₁ и λ ₂ / sin θ ₂, тъй като λ и v са пропорционални, следователно:

Тъй като λ = λ _o / n имаме:

Което може да се изрази като:

Това е формулата на закона на Snell, в чест на холандския математик Willebrord Snell (1580-1626), който го изведе експериментално, като наблюдава светлина, преминаваща от въздух към вода и стъкло.

Като алтернатива законът на Snell е написан по отношение на скоростта на светлината във всяка среда, като се използва определението на показателя на пречупване: n = c / v:

дисперсия

Както беше обяснено по-горе, светлината се състои от фотони с различна енергия и всяка енергия се възприема като цвят. Бялата светлина съдържа фотони от всички енергии и следователно може да бъде разградена на различни цветни светлини. Това е разсейването на светлината, което вече беше проучено от Нютон.

Капки вода в атмосферата се държат като малки призми. Източник: Pixabay

Нютон взе оптична призма, прокара лъч бяла светлина през нея и получи цветни ивици, вариращи от червено до виолетово. Тази ресни е спектърът на видимата светлина, който се вижда на фигура 2.

Разсейването на светлината е естествено явление, на красотата на което се възхищаваме на небето, когато се образува дъгата. Слънчевата светлина пада върху капки вода в атмосферата, които действат като мънички призми, подобни на Нютон, като по този начин разсейват светлината.

Синият цвят, с който виждаме небето, също е следствие от дисперсията. Богата на азот и кислород, атмосферата основно разпръсква нюанси на синьо и виолетово, но човешкото око е по-чувствително към синьото и затова виждаме небето на този цвят.

Когато Слънцето е по-ниско на хоризонта, по време на изгрев или залез, небето става оранжево благодарение на факта, че светлинните лъчи трябва да преминават през по-дебел слой от атмосферата. Червеникавите тонове на по-ниските честоти взаимодействат по-малко с елементите на атмосферата и се възползват директно от повърхността.

Атмосферите, обилни от прах и замърсяване, като тези в някои големи градове, имат сивкаво небе, поради дисперсията на ниските честоти.

Теории за светлината

Светлината се е разглеждала предимно като частица или като вълна. Корпускуларната теория, която Нютон защитаваше, смяташе светлината за лъч от частици. Докато отражението и пречупването могат да бъдат обяснени по подходящ начин, ако приемем, че светлината е вълна, както твърди Хюйгенс.

Но много преди тези забележителни учени хората вече спекулираха с природата на светлината. Сред тях гръцкият философ Аристотел не можеше да отсъства. Ето кратко обобщение на теориите за светлината във времето:

Аристотелева теория

Преди 2500 години Аристотел твърди, че светлината излиза от очите на наблюдателя, осветява обекти и се връща по някакъв начин с изображението, така че да може да бъде оценена от човека.

Корпускуларната теория на Нютон

Нютон поддържаше убеждението, че светлината се състои от мънички частици, които се разпространяват по права линия във всички посоки. Когато стигнат до очите, те регистрират усещането като светлина.

Теория на вълната на Хюйгенс

Хюйгенс публикува труд, наречен Трактат за светлината, в който той предполага, че това е нарушение на медията, подобна на звуковите вълни.

Електромагнитната теория на Максуел

Въпреки че експериментът с двойни прорези не остави никакво съмнение относно вълновата природа на светлината, в продължение на голяма част от деветнадесети век имаше спекулации за вида на вълната, докато Максуел заяви в своята електромагнитна теория, че светлината се състои от разпространение на електромагнитно поле.

Светлината като електромагнитна вълна обяснява разпространението на светлината, както е описано в предходните раздели и е концепция, приета от съвременната физика, както и корпускуларната природа на светлината.

Корпускуларната теория на Айнщайн

Според съвременната концепция за светлината тя се състои от безмасови и незаредени частици, наречени фотони. Въпреки че нямат маса, те имат инерция и енергия, както е обяснено по-горе. Тази теория успешно обяснява начина, по който светлината взаимодейства с материята, като обменя енергия в дискретни (квантовани) количества.

Съществуването на кванти светлина е предложено от Алберт Айнщайн, за да обясни фотоелектричния ефект, открит от Хайнрих Херц няколко години по-рано. Фотоелектричният ефект се състои в излъчване на електрони от вещество, върху което е възпрепятстван някакъв вид електромагнитно излъчване, почти винаги в диапазона от ултравиолетова до видима светлина.

Препратки

1. Figueroa, D. (2005). Серия: Физика за наука и инженерство. Том 7. Вълни и квантова физика. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
2. Физика. Теории за светлината. Възстановено от: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. 6-ти. Ед Прентис Хол.
4. Вълново движение. Принципът на Фермат. Възстановени от: sc.ehu.es.
5. Рекс, А. 2011. Основи на физиката. Пиърсън.
6. Ромеро, О. 2009. Физика. Хипертекст на Santillana.
7. Serway, R. 2019. Физика за наука и инженерство. 10-ти. Edition. Том 2. Включване.
8. Shipman, J. 2009. Въведение в физическите науки. Дванадесето издание. Брукс / Коул, Cengage издания.
9. Wikipedia. Светлина. Възстановено от: es.wikipedia.org.