LYS: HISTORIE, NATUR, OPPFØRSEL, FORPLANTNING - FYSISK

Den lys er en elektromagnetisk bølge kan bli detektert ved synssansen. Det utgjør en del av det elektromagnetiske spekteret: det som er kjent som synlig lys. Gjennom årene har forskjellige teorier blitt foreslått for å forklare dens natur.

For eksempel var troen på at lys besto av en strøm av partikler som ble sendt ut av gjenstander eller av observatørers øyne, lenge. Denne troen til araberne og de gamle grekerne ble delt av Isaac Newton (1642-1727) for å forklare lysfenomenene.

Figur 1. Himmelen er blå takket være spredning av sollys i atmosfæren. Kilde: Pixabay.

Selv om Newton mistenkte at lys hadde bølgekvaliteter og Christian Huygens (1629-1695) klarte å forklare brytning og refleksjon med en bølgeteori, var troen på lys som partikkel utbredt blant alle forskere frem til begynnelsen av 1800-tallet. .

I begynnelsen av det århundret demonstrerte den engelske fysikeren Thomas Young uten tvil at lysstråler kan forstyrre hverandre, akkurat som mekaniske bølger gjør i strenger.

Det kan bare bety at lyset var en bølge og ikke en partikkel, selv om ingen visste hva slags bølge det var før i 1873, hevdet James Clerk Maxwell at lys var en elektromagnetisk bølge.

Med støtte fra de eksperimentelle resultatene fra Heinrich Hertz i 1887, ble lysets bølgelege natur etablert som et vitenskapelig faktum.

Men på begynnelsen av 1900-tallet dukket det opp nye bevis på lysets corpuskulære natur. Denne naturen er til stede i utslipps- og absorpsjonsfenomener, der lysenergi blir transportert i pakker som kalles “fotoner”.

Siden lys forplanter seg som en bølge og interagerer med materie som en partikkel, blir en for øyeblikket dual karakter anerkjent i lys: bølgepartikkel.

Lysets natur

Det er tydelig at lysets natur er dobbelt, og forplanter seg som en elektromagnetisk bølge, hvis energi kommer i fotoner.

Disse, som ikke har masse, beveger seg i et vakuum med en konstant hastighet på 300 000 km / s. Det er den kjente lyshastigheten i et vakuum, men lys kan bevege seg gjennom andre medier, om enn i forskjellige hastigheter.

Når fotonene når øynene våre, aktiveres sensorene som oppdager lysets tilstedeværelse. Informasjonen overføres til hjernen, og tolkes der.

Når en kilde avgir et stort antall fotoner, ser vi det som en lys kilde. Hvis den tvert imot avgir få, blir den tolket som en ugjennomsiktig kilde. Hvert foton har en viss energi, som hjernen tolker som en farge. Blå fotoner er for eksempel mer energiske enn røde fotoner.

Enhver kilde avgir generelt fotoner med forskjellige energier, derav fargen den blir sett med.

Hvis ingenting annet avgir fotoner med en eneste type energi, kalles det monokromatisk lys. Laseren er et godt eksempel på monokromatisk lys. Til slutt kalles distribusjonen av fotoner i en kilde et spektrum.

En bølge er også preget av å ha en viss bølgelengde. Som vi har sagt, hører lys til det elektromagnetiske spekteret, som dekker et ekstremt bredt utvalg av bølgelengder, fra radiobølger til gammastråler. Følgende bilde viser hvordan en stråle med hvitt lys sprer et trekantet prisme. Lys skilles i lange (røde) og korte (blå) bølgelengder.

I midten er det smale båndet av bølgelengder kjent som det synlige spekteret, fra 400 nanometer (nm) til 700 nm.

Figur 2. Det elektromagnetiske spekteret som viser omfanget av synlig lys. Kilde: Kilde: Wikimedia Commons. Forfatter: Horst Frank.

Oppførsel av lys

Lys har dual, bølge og partikkel atferd som undersøkt. Lys forplanter seg på samme måte som en elektromagnetisk bølge, og som sådan er det i stand til å transportere energi. Men når lys interagerer med materie, oppfører det seg som en stråle av partikler som kalles fotoner.

Figur 4. Formering av en elektromagnetisk bølge. Kilde: Wikimedia Commons. SuperManu.

I 1802 demonstrerte fysikeren Thomas Young (1773-1829) at lys hadde en bølgeoppførsel ved å bruke dobbeltspalteeksperimentet.

På denne måten var han i stand til å produsere maksimal og minimal interferens på en skjerm. Denne oppførselen er typisk for bølger, og dermed kunne Young demonstrere at lys var en bølge og også kunne måle bølgelengden.

Det andre aspektet av lys er en partikkel, representert av pakker med energi kalt fotoner, som i vakuum beveger seg med hastighet c = 3 x ¹⁰⁸ m / s og ikke har noen masse. Men de har E-energi:

Og også styrke:

Hvor h er Plancks konstant, hvis verdi er 6,63 x 10 ^-34 Joule.sekund og f er bølgens frekvens. Kombinere disse uttrykkene:

Og siden bølgelengden λ og frekvensen er relatert av c = λ.f, forblir den:

Huygens prinsipp

Figur 5. Våg foran og lysstråler som forplanter seg i en rett linje. Kilde: Serway. R. Fysikk for vitenskap og ingeniørfag.

Når du studerer atferden til lys, er det to viktige prinsipper å ta i betraktning: Huygens 'prinsipp og Fermats prinsipp. Huygens 'prinsipp sier at:

Hvorfor sfæriske bølger? Hvis vi antar at mediet er homogent, vil lyset som sendes ut fra en punktkilde forplante seg i alle retninger likt. Vi kan forestille oss lys som forplanter seg midt i en stor sfære med strålene jevnt fordelt. Den som observerer dette lyset, oppfatter at det beveger seg i en rett linje mot øyet hans og beveger seg vinkelrett på bølgefronten.

Hvis lysstrålene kommer fra en veldig fjern kilde, for eksempel solen, er bølgefronten flat og strålene er parallelle. Dette er hva den geometriske optikken tilnærming handler om.

Fermats prinsipp

Fermats prinsipp sier at:

Dette prinsippet skylder navnet til den franske matematikeren Pierre de Fermat (1601-1665), som først etablerte det i 1662.

I henhold til dette prinsippet, i et homogent medium, forplantes lyset med konstant hastighet, og derfor har det en jevn rettlinjet bevegelse, og dens bane er en rett linje.

Formering av lys

Lys beveger seg som en elektromagnetisk bølge. Både det elektriske feltet og magnetfeltet genererer hverandre, og utgjør koblede bølger som er i fase og er vinkelrett på hverandre og for utbredelsesretningen.

Generelt kan en bølge som forplanter seg i rommet beskrives med tanke på bølgefronten. Dette er settet med punkter som har lik amplitude og fase. Når du kjenner til bølgefrontens beliggenhet på et gitt øyeblikk, kan en hvilken som helst etterfølgende beliggenhet bli kjent, i henhold til Huygens 'prinsipp.

diffraksjon

Laser diffracted av en sekskantet slit. Lienzocian

Bølgens oppførsel av lys er tydelig påvist av to viktige fenomener som oppstår under dens utbredelse: diffraksjon og interferens. Ved diffraksjon blir bølger, enten det er vann, lyd eller lys, forvrengt når de passerer gjennom åpninger, går rundt hindringer eller går rundt hjørner.

Hvis blenderåpningen er stor sammenlignet med bølgelengden, er forvrengningen ikke veldig stor, men hvis blenderåpningen er liten, er endringen i bølgeform mer merkbar. Diffraksjon er en eksklusiv egenskap for bølger, så når lys viser diffraksjon vet vi at det har bølgedferd.

Interferens og polarisering

På sin side forekommer interferens av lys når de elektromagnetiske bølgene som komponerer dem overlapper hverandre. Når du gjør det, blir de lagt til vektorielt, og dette kan gi opphav til to typer forstyrrelser:

–Konstruktiv, når intensiteten til den resulterende bølgen er større enn intensiteten til komponentene.

–Destruktiv hvis intensiteten er mindre enn komponentenes.

Lettbølgeforstyrrelse oppstår når bølgene er monokratiske og opprettholder den samme faseforskjellen hele tiden. Dette kalles konsistens. Et lys som dette kan komme fra en laser for eksempel. Vanlige kilder som glødepærer produserer ikke sammenhengende lys fordi lyset som sendes ut av millioner av atomer i glødetråden stadig endrer fase.

Men hvis en ugjennomsiktig nyanse med to små åpninger nær hverandre plasseres på den samme lyspæren, fungerer lyset som kommer ut fra hver spalte som en sammenhengende kilde.

Til slutt, når svingningene i det elektromagnetiske feltet alle er i samme retning, oppstår polarisering. Naturlig lys er ikke polarisert, da det består av mange komponenter, som hver svinger i en annen retning.

Youngs eksperiment

På begynnelsen av 1800-tallet var den engelske fysikeren Thomas Young den første som fikk koherent lys med en vanlig lyskilde.

I sitt berømte eksperiment med dobbel spalte førte han lys gjennom en spalte i en ugjennomsiktig skjerm. I følge Huygens-prinsippet genereres to sekundære kilder, som igjen passerte gjennom en andre ugjennomsiktig skjerm med to spalter.

Figur 6. Animasjon av Youngs eksperiment med dobbel spalte. Kilde: Wikimedia Commons.

Det således oppnådde lyset opplyste en vegg i et mørkt rom. Det som var synlig, var et mønster bestående av vekslende lyse og mørke områder. Eksistensen av dette mønsteret forklares med fenomenet interferens beskrevet ovenfor.

Youngs eksperiment var veldig viktig fordi det avdekket lysets bølgenatur. Deretter har eksperimentet blitt utført med grunnleggende partikler som elektroner, nøytroner og protoner, med lignende resultater.

Fenomener av lys

Speilbilde

Refleksjon av lys i vannet

Når en lysstråle treffer en overflate, kan noe av lyset reflekteres og noen tas opp. Hvis det er et gjennomsiktig medium, fortsetter noe av lyset gjennom det.

Overflaten kan også være glatt, som et speil, eller ru og ujevn. Refleksjonen som oppstår på en glatt overflate kalles spekulær refleksjon, ellers er det diffus refleksjon eller uregelmessig refleksjon. En meget polert overflate, for eksempel et speil, kan reflektere opptil 95% av det innfallende lyset.

Spesiell refleksjon

Figuren viser en lysstråle som beveger seg i et medium, som kan være luft. Den faller i vinkelen θ ₁ på en plan spekulær overflate og reflekteres i vinkelen θ ₂ . Linjen som er betegnet som normal er vinkelrett på overflaten.

Innfallsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen. Kilde: Serway. R. Fysikk for vitenskap og ingeniørfag.

Både hendelsen og den reflekterte strålen og den normale til den spekulære overflaten er i samme plan. De gamle grekere hadde allerede observert at innfallsvinkelen tilsvarer refleksjonsvinkelen:

Dette matematiske uttrykket er loven om refleksjon av lys. Imidlertid er andre bølger som for eksempel lyd også i stand til å reflektere.

De fleste overflater er grove, og derfor er lysrefleksjon diffus. På denne måten blir lyset de reflekterer sendt til alle retninger, slik at gjenstander kan sees hvor som helst.

Siden noen bølgelengder reflekteres mer enn andre, har objekter forskjellige farger.

For eksempel reflekterer bladene på trær lys som er omtrent midt i det synlige spekteret, som tilsvarer fargen grønn. Resten av de synlige bølgelengdene blir absorbert: fra ultrafiolett nær blå (350-450 nm) og rødt lys (650-700 nm).

refraksjon

Refraksjonsfenomen. Josell7

Lysbrytning skjer fordi lys beveger seg i forskjellige hastigheter avhengig av mediet. I et vakuum er lysets hastighet c = 3 x 10 ⁸ m / s, men når lyset når et materialmedium, oppstår det absorpsjons- og utslippsprosesser som får energien til å synke, og med den hastigheten.

For eksempel når lyset beveger seg i luften, reiser lyset med nesten lik hastighet til c, men i vann beveger lyset seg ved tre fjerdedeler av c, mens det i glasset reiser med omtrent to tredjedeler av c.

Brytningsindeks

Brytningsindeksen er betegnet n og definert som kvotienten mellom lysets hastighet i et vakuum c og dets hastighet i nevnte medium v:

Brytningsindeksen er alltid større enn 1, siden lysets hastighet i et vakuum alltid er større enn i et materialmedium. Noen typiske verdier av n er:

-Fly: 1.0003

-Vann: 1,33

-Glass: 1,5

-Diamond: 2,42

Snells lov

Når en lysstråle skrått treffer grensen mellom to medier, for eksempel luft og glass, reflekteres en del av lyset og en annen del fortsetter sin vei inn i glasset.

I dette tilfellet gjennomgår bølgelengden og hastigheten en variasjon når du går fra et medium til et annet, men ikke frekvensen. Siden v = c / n = λ.f og også i et vakuum c = λo. f, så har vi:

Det vil si at bølgelengden i et gitt medium alltid er mindre enn bølgelengden i vakuum X.

Figur 8. Snells lov. Kilde: Venstre figur: diagram over lysbrytning. Rex, A. Fundamentals of Physics. Høyre figur: Wikimedia Commons. Josell7.

Legg merke til trekantene som har en vanlig hypotenuse i rødt. I hvert medium måler hypotenusen henholdsvis λ ₁ / sin θ ₁ og λ ₂ / sin θ ₂ , siden λ og v er proporsjonale, derfor:

Siden λ = λ _o / n har vi:

Som kan uttrykkes som:

Dette er formelen for Snells lov, til ære for den nederlandske matematikeren Willebrord Snell (1580-1626), som avledet den eksperimentelt ved å observere lys som passerer fra luft til vann og glass.

Alternativt er Snells lov skrevet i form av lysets hastighet i hvert medium, og benytter seg av definisjonen av brytningsindeks: n = c / v:

Spredning

Som forklart ovenfor, består lys av fotoner med forskjellige energier, og hver energi oppfattes som en farge. Hvitt lys inneholder fotoner av alle energier og kan derfor brytes ned i forskjellige fargede lys. Dette er lysspredningen, som allerede var studert av Newton.

Dråper vann i atmosfæren oppfører seg som små prismer. Kilde: Pixabay.

Newton tok et optisk prisme, førte en stråle med hvitt lys gjennom det og fikk fargede striper fra rød til fiolett. Denne kanten er spekteret med synlig lys sett i figur 2.

Spredning av lys er et naturlig fenomen, hvor skjønnheten vi beundrer på himmelen når regnbuen dannes. Sollys faller på vanndråper i atmosfæren, som fungerer som bittesmå Newton-lignende prismer, og dermed sprer lyset.

Den blå fargen vi ser himmelen er også en konsekvens av spredning. Rik på nitrogen og oksygen sprer atmosfæren hovedsakelig nyanser av blått og fiolett, men det menneskelige øyet er mer følsomt for blått, og derfor ser vi himmelen i denne fargen.

Når solen er lavere i horisonten, under soloppgang eller solnedgang, blir himmelen oransje takket være det faktum at lysstrålene må passere gjennom et tykkere lag av atmosfæren. De rødlige tonene med lavere frekvenser samhandler mindre med elementene i atmosfæren og drar fordel av å nå overflaten direkte.

Atmosfærer som er rik på støv og forurensning, slik som i store byer, har grå himmel på grunn av spredning av lave frekvenser.

Teorier om lys

Lys har først og fremst blitt betraktet som en partikkel eller som en bølge. Den corpuskulære teorien som Newton forsvarte, betraktet lys som en stråle av partikler. Mens refleksjon og brytning kunne forklares tilstrekkelig ved å anta at lys var en bølge, slik Huygens hevdet.

Men lenge før disse bemerkelsesverdige forskerne, hadde folk allerede spekulert i lysets natur. Blant dem kunne den greske filosofen Aristoteles ikke være fraværende. Her er en kort oppsummering av teoriene om lys over tid:

Aristotelisk teori

For 2500 år siden hevdet Aristoteles at lys kom ut fra observatørens øyne, belyste gjenstander og kom tilbake på et vis med bildet slik at det kunne bli verdsatt av personen.

Newtons corpuskulære teori

Newton trodde at lys besto av bittesmå partikler som forplantes i en rett linje i alle retninger. Når de når øynene, registrerer de sensasjonen som lys.

Huygens bølgeteori

Huygens publiserte et verk kalt Treatise on light der han foreslo at dette var en forstyrrelse av mediet som ligner på lydbølger.

Maxwells elektromagnetiske teori

Selv om det dobbeltspalte eksperimentet ikke etterlot noen tvil om lysets bølgeakt, var det i store deler av det nittende århundre spekulasjoner om hvilken type bølge det var, inntil Maxwell uttalte i sin elektromagnetiske teori at lys besto av forplantning av et elektromagnetisk felt.

Lys som en elektromagnetisk bølge forklarer forplantningsfenomenene til lys som beskrevet i de foregående seksjoner og er et konsept akseptert av dagens fysikk, og det samme er lysets corpuskulære natur.

Einsteins korpuskulære teori

I henhold til den moderne lysoppfatningen består den av masseløse og uladede partikler som kalles fotoner. Til tross for at de ikke har masse, har de fart og energi, som forklart ovenfor. Denne teorien forklarer vellykket måten lys interagerer med materie, ved å utveksle energi i diskrete (kvantiserte) mengder.

Eksistensen av lysquanta ble foreslått av Albert Einstein for å forklare den fotoelektriske effekten som ble oppdaget av Heinrich Hertz noen år tidligere. Den fotoelektriske effekten består av utslipp av elektroner fra et stoff som en slags elektromagnetisk stråling har blitt hindret i, nesten alltid i området fra ultrafiolett til synlig lys.

referanser

Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 7. Bølger og kvantefysikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
Physic. Teorier om lys. Gjenopprettet fra: fisic.ch.
Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjette. Ed Prentice Hall.
Bølgebevegelse. Fermats prinsipp. Gjenopprettet fra: sc.ehu.es.
Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
Romero, O. 2009. Fysikk. Santillana Hypertext.
Serway, R. 2019. Physics for Science and Engineering. 10. plass. Edition. Volum 2. Cengage.
Shipman, J. 2009. En introduksjon til fysisk vitenskap. Tolvte utgave. Brooks / Cole, Cengage Editions.
Wikipedia. Lys. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.

LYS: HISTORIE, NATUR, OPPFØRSEL, FORPLANTNING - FYSISK - 2026