LYS: HISTORIE, NATUR, OPFØRSEL, FORPLANTNING - FYSISK

Den lys er en elektromagnetisk bølge kan detekteres ved synssansen. Det udgør en del af det elektromagnetiske spektrum: hvad der er kendt som synligt lys. I årenes løb er forskellige teorier blevet foreslået for at forklare dens natur.

F.eks. Var længe holdningen af, at lys bestod af en strøm af partikler udsendt af genstande eller af observatørernes øjne. Denne tro fra araberne og de gamle grækere blev delt af Isaac Newton (1642-1727) for at forklare lysets fænomener.

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

Selvom Newton mistænkte, at lys havde bølgekvaliteter, og Christian Huygens (1629-1695) formåede at forklare brydning og reflektion med en bølgeteori, var troen på lys som en partikel udbredt blandt alle videnskabsfolk indtil begyndelsen af det 19. århundrede..

I begyndelsen af det århundrede viste den engelske fysiker Thomas Young uden tvivl, at lysstråler kan forstyrre hinanden, ligesom mekaniske bølger gør i strenge.

Det kunne kun betyde, at lyset var en bølge og ikke en partikel, skønt ingen vidste, hvilken slags bølge det var, indtil i 1873, hævdede James Clerk Maxwell, at lys var en elektromagnetisk bølge.

Med støtte fra de eksperimentelle resultater fra Heinrich Hertz i 1887 blev lysets bølgekarakter etableret som et videnskabeligt faktum.

Men i begyndelsen af det 20. århundrede fremkom nye beviser om lysets corpuskulære natur. Denne natur er til stede i emission- og absorptionsfænomener, hvori lysenergi transporteres i pakker kaldet ”fotoner”.

Da lys forplantes som en bølge og interagerer med stof som en partikel, genkendes der således i øjeblikket en dobbelt natur i lys: bølgepartikel.

Lysets natur

Det er klart, at lysets natur er dobbelt og forplantes som en elektromagnetisk bølge, hvis energi kommer i fotoner.

Disse, som ikke har nogen masse, bevæger sig i et vakuum med en konstant hastighed på 300.000 km / s. Det er den kendte lyshastighed i et vakuum, men lys kan køre gennem andre medier, omend i forskellige hastigheder.

Når fotonerne når vores øjne, aktiveres de sensorer, der registrerer tilstedeværelsen af lys. Oplysningerne overføres til hjernen og fortolkes der.

Når en kilde udsender et stort antal fotoner, ser vi det som en lys kilde. Hvis den tværtimod udsender få, fortolkes den som en uigennemsigtig kilde. Hver foton har en bestemt energi, som hjernen fortolker som en farve. F.eks. Er blå fotoner mere energiske end røde fotoner.

Enhver kilde udsender generelt fotoner med forskellige energier, derfor den farve, den ses med.

Hvis intet andet udsender fotoner med en enkelt type energi, kaldes det monokromatisk lys. Laseren er et godt eksempel på monokromatisk lys. Endelig kaldes distributionen af fotoner i en kilde et spektrum.

En bølge er også kendetegnet ved at have en bestemt bølgelængde. Som nævnt hører lys til det elektromagnetiske spektrum, der dækker et ekstremt bredt bølgelængde, fra radiobølger til gammastråler. Følgende billede viser, hvordan en stråle med hvidt lys spreder et trekantet prisme. Lys adskilles i lange (røde) og korte (blå) bølgelængder.

I midten er det smalle bølgelængde kendt som det synlige spektrum, der spænder fra 400 nanometer (nm) til 700 nm.

Figur 2. Det elektromagnetiske spektrum, der viser området for synligt lys. Kilde: Kilde: Wikimedia Commons. Forfatter: Horst Frank.

Opførsel af lys

Lys har dobbelt-, bølge- og partikeladfærd som undersøgt. Lys forplanter sig på samme måde som en elektromagnetisk bølge, og som sådan er det i stand til at transportere energi. Men når lys interagerer med stof, opfører det sig som en stråle af partikler kaldet fotoner.

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

I 1802 demonstrerede fysikeren Thomas Young (1773-1829), at lys havde en bølgeadfærd ved hjælp af dobbeltslidseksperimentet.

På denne måde var han i stand til at producere maksimal og minimal interferens på en skærm. Denne opførsel er typisk for bølger, og dermed var Young i stand til at demonstrere, at lys var en bølge og også var i stand til at måle dens bølgelængde.

Det andet aspekt af lys er det af en partikel, der er repræsenteret med energipakker, kaldet fotoner, som i vakuum bevæger sig med hastighed c = 3 x ¹⁰⁸ m / s og ikke har nogen masse. Men de har E-energi:

Og også styrke af styrke:

Hvor h er Plancks konstante, hvis værdi er 6,63 x 10 ^-34 Joule.sekund og f er bølgens frekvens. Kombination af disse udtryk:

Og da bølgelængden λ og frekvensen er relateret til c = λ.f, forbliver den:

Huygens princip

Figur 5. Bølgefronter og lysstråler, der forplantes i en lige linje. Kilde: Serway. R. Fysik for videnskab og teknik.

Når man studerer lysets adfærd, er der to vigtige principper, man skal overveje: Huygens 'princip og Fermats princip. Huygens 'princip siger, at:

Hvorfor sfæriske bølger? Hvis vi antager, at mediet er homogent, vil det lys, der udsendes af en punktkilde, udbrede sig i alle retninger ens. Vi kan forestille os lys, der forplantes midt i en stor kugle med strålerne jævnt fordelt. Den, der ser dette lys, opfatter, at det bevæger sig i en lige linje mod hans øje og bevæger sig vinkelret på bølgefronten.

Hvis lysstrålene kommer fra en meget fjern kilde, for eksempel solen, er bølgefronten flad, og strålene er parallelle. Dette er, hvad den geometriske optik tilgang til handler om.

Fermats princip

Fermats princip siger, at:

Dette princip skylder sit navn til den franske matematiker Pierre de Fermat (1601-1665), der først etablerede det i 1662.

I henhold til dette princip forplantes lys i en homogen medium ved en konstant hastighed, derfor har det en ensartet retlinet bevægelse, og dens bane er en lige linje.

Formering af lys

Lys bevæger sig som en elektromagnetisk bølge. Både det elektriske felt og det magnetiske felt genererer hinanden og udgør koblede bølger, som er i fase og er vinkelret på hinanden og udbredelsesretningen.

Generelt kan en bølge, der forplantes i rummet, beskrives med hensyn til bølgefront. Dette er det sæt punkter, der har samme amplitude og fase. Når man kender placeringen af bølgefronten på et givet øjeblik, kan enhver efterfølgende placering kendes i henhold til Huygens 'princip.

diffraktion

Laser sprækkes af en sekskantet spalte. Lienzocian

Lysbølgeforhold manifesteres tydeligt i to vigtige fænomener, der opstår under dens udbredelse: diffraktion og interferens. Ved diffraktion forvrænges bølger, det være sig vand, lyd eller lys, når de passerer gennem åbninger, går rundt på forhindringer eller går rundt om hjørner.

Hvis blænden er stor sammenlignet med bølgelængden, er forvrængningen ikke særlig stor, men hvis blænden er lille, er ændringen i bølgeform mere synlig. Diffraktion er en eksklusiv egenskab ved bølger, så når lys udviser diffraktion, ved vi, at det har bølgeforhold.

Interferens og polarisering

På sin side forekommer interferens af lys, når de elektromagnetiske bølger, der komponerer dem, overlapper hinanden. Når man gør det, tilføjes de vektorielt, og dette kan give anledning til to typer interferens:

–Konstruktiv, når intensiteten af den resulterende bølge er større end intensiteten af komponenterne.

–Destruktiv hvis intensiteten er mindre end komponenterne.

Lysbølgeforstyrrelse opstår, når bølgerne er monokratiske og opretholder den samme faseforskel hele tiden. Dette kaldes konsistens. Et lys som dette kan for eksempel komme fra en laser. Almindelige kilder såsom glødepærer producerer ikke sammenhængende lys, fordi lyset, der udsendes af millioner af atomer i glødetråden, konstant ændrer fase.

Men hvis en uigennemsigtig skygge med to små åbninger tæt på hinanden placeres på den samme lyspære, fungerer lyset, der kommer ud af hver slot som en sammenhængende kilde.

Endelig, når svingningerne i det elektromagnetiske felt alle er i samme retning, sker polarisering. Naturligt lys er ikke polariseret, da det består af mange komponenter, der hver svinger i en anden retning.

Youngs eksperiment

I begyndelsen af det 19. århundrede var den engelske fysiker Thomas Young den første til at opnå sammenhængende lys med en almindelig lyskilde.

I sit berømte eksperiment med dobbelt spalte førte han lys gennem en spalte i en uigennemsigtig skærm. I henhold til Huygens-princippet genereres to sekundære kilder, som igen passeres gennem en anden uigennemsigtig skærm med to spalter.

Figur 6. Animation af Youngs eksperiment med dobbelt spalte. Kilde: Wikimedia Commons.

Det således opnåede lys oplyste en væg i et mørkt rum. Det, der var synligt, var et mønster bestående af skiftende lyse og mørke områder. Eksistensen af dette mønster forklares med det ovenfor beskrevne fænomen af interferens.

Youngs eksperiment var meget vigtigt, fordi det afslørede bølgen af lyset. Efterfølgende er eksperimentet blevet udført med grundlæggende partikler såsom elektroner, neutroner og protoner med lignende resultater.

Fænomener i lys

Afspejling

Reflektion af lys i vandet

Når en lysstråle rammer en overflade, kan noget af lyset reflekteres og nogle blive optaget. Hvis det er et gennemsigtigt medium, fortsætter noget af lyset gennem det.

Overfladen kan også være glat, ligesom et spejl, eller ru og ujævn. Reflektionen, der forekommer på en glat overflade kaldes speciel reflektion, ellers er det diffus refleksion eller uregelmæssig reflektion. En højpoleret overflade, såsom et spejl, kan reflektere op til 95% af det indfaldende lys.

Speciel reflektion

Figuren viser en lysstråle, der bevæger sig i et medium, hvilket kan være luft. Det falder i vinklen θ ₁ på en plan spekulær overflade og reflekteres i vinklen θ ₂. Linien, der er betegnet som normal, er vinkelret på overfladen.

Indfaldsvinklen er lig med reflektionsvinklen. Kilde: Serway. R. Fysik for videnskab og teknik.

Både hændelsen og den reflekterede stråle og den normale til den specielle overflade er i det samme plan. De gamle grækere havde allerede observeret, at indfaldsvinklen svarer til reflektionsvinklen:

Dette matematiske udtryk er loven om reflektion af lys. Andre bølger, som f.eks. Lyd, er imidlertid også i stand til at reflektere.

De fleste overflader er ru, og derfor er lysreflektion diffus. På denne måde sendes det lys, de reflekterer, til alle retninger, så objekter kan ses overalt.

Da nogle bølgelængder reflekteres mere end andre, har objekter forskellige farver.

F.eks. Reflekterer træernes blade lys, der er omtrent midt i det synlige spektrum, hvilket svarer til farven grøn. Resten af de synlige bølgelængder absorberes: fra ultraviolet tæt på blå (350-450 nm) og rødt lys (650-700 nm).

brydning

Refraktionsfænomen. Josell7

Lysbrydning sker, fordi lys bevæger sig i forskellige hastigheder afhængigt af mediet. I et vakuum er lysets hastighed c = 3 x 10 ⁸ m / s, men når lyset når et materiale, opstår der absorptions- og emissionsprocesser, der får energien til at falde, og med den hastigheden.

F.eks. Når man bevæger sig i luft, rejser lys næsten den samme hastighed som c, men i vand bevæger lys sig ved tre fjerdedele af c, mens det i glas bevæger sig med cirka to tredjedele af c.

Brydningsindeks

Brydningsindekset betegnes n og defineres som kvoten mellem lysets hastighed i et vakuum c og dets hastighed i nævnte medium v:

Brydningsindekset er altid større end 1, da lyshastigheden i et vakuum altid er større end i et materiale. Nogle typiske værdier for n er:

-Luft: 1.0003

-Vand: 1,33

-Glas: 1,5

-Diamond: 2,42

Snell's Law

Når en lysstråle rammer grænsen mellem to medier skråt, f.eks. Luft og glas, reflekteres en del af lyset, og en anden del fortsætter sin vej ind i glasset.

I dette tilfælde gennemgår bølgelængden og hastigheden en variation, når man går fra et medium til et andet, men ikke frekvensen. Da v = c / n = λ.f og også i et vakuum c = λo. f, så har vi:

Det vil sige, bølgelængden i et givet medium er altid mindre end bølgelængden i vakuum X.

Figur 8. Snell's Law. Kilde: Venstre figur: diagram over lysets brydning. Rex, A. Fundamentals of Physics. Højre figur: Wikimedia Commons. Josell7.

Bemærk trekanterne, der har en fælles hypotenuse i rødt. I hvert medium måler hypotenusen henholdsvis λ ₁ / sin θ ₁ og λ ₂ / sin θ ₂, da λ og v er proportional, derfor:

Da λ = λ _o / n har vi:

Hvilket kan udtrykkes som:

Dette er formlen i Snells lov til ære for den hollandske matematiker Willebrord Snell (1580-1626), der udledte den eksperimentelt ved at observere lys, der passerer fra luft til vand og glas.

Alternativt er Snells lov skrevet med hensyn til lysets hastighed i hvert medium, hvor man bruger definitionen af brydningsindeks: n = c / v:

Spredning

Som forklaret ovenfor består lys af fotoner med forskellige energier, og hver energi opfattes som en farve. Hvidt lys indeholder fotoner af alle energier og kan derfor opdeles i forskellige farvede lys. Dette er lysspredningen, som allerede var undersøgt af Newton.

Dråber vand i atmosfæren opfører sig som små prismer. Kilde: Pixabay.

Newton tog et optisk prisme, passerede en stråle af hvidt lys gennem det og opnåede farvede striber lige fra rød til violet. Denne kant er spektret af synligt lys set i figur 2.

Spredning af lys er et naturligt fænomen, hvis skønhed vi beundrer på himlen, når regnbuen dannes. Sollys falder på vanddråber i atmosfæren, der fungerer som små Newton-lignende prismer og således spreder lyset.

Den blå farve, som vi ser himlen med, er også en konsekvens af spredning. Rig på nitrogen og ilt spreder atmosfæren hovedsageligt nuancer af blåt og violet, men det menneskelige øje er mere følsomt over for blåt, og derfor ser vi himlen på denne farve.

Når solen er lavere i horisonten, under solopgang eller solnedgang, bliver himlen orange takket være det faktum, at lysstrålene skal passere gennem et tykkere lag af atmosfæren. De rødlige toner med lavere frekvenser interagerer mindre med atmosfæreelementerne og drager fordel af at nå direkte til overfladen.

Atmosfærer, der er rig på støv og forurening, såsom dem i nogle store byer, har grålig himmel på grund af spredningen af lave frekvenser.

Teorier om lys

Lys er primært blevet betragtet som en partikel eller som en bølge. Den corpuskulære teori, som Newton forsvarede, betragtede lys som en stråle af partikler. Mens refleksion og brydning kunne forklares tilstrækkeligt ved at antage, at lys var en bølge, som Huygens hævdede.

Men længe før disse bemærkelsesværdige videnskabsmænd havde folk allerede spekuleret i lysets natur. Blandt dem kunne den græske filosof Aristoteles ikke være fraværende. Her er en kort oversigt over teorier om lys over tid:

Aristotelisk teori

For 2.500 år siden hævdede Aristoteles, at lys kom ud fra observatørens øjne, oplyste genstande og vendte på en eller anden måde tilbage med billedet, så det kunne værdsættes af personen.

Newtons korpuskulære teori

Newton troede på, at lys bestod af små partikler, der forplantes i en lige linje i alle retninger. Når de når øjnene, registrerer de sensationen som lys.

Huygens bølgeteori

Huygens udgav et værk kaldet Treatise on light, hvor han foreslog, at dette var en forstyrrelse af mediet, der ligner lydbølger.

Maxwells elektromagnetiske teori

Selvom eksperimentet med dobbelt spalte ikke efterlod nogen tvivl om lysets bølgekarakter, var der i store dele af det 19. århundrede spekulationer om den type bølge, det var, indtil Maxwell i sin elektromagnetiske teori erklærede, at lys bestod af udbredelse af et elektromagnetisk felt.

Lys som en elektromagnetisk bølge forklarer lysets formeringsfænomener som beskrevet i de foregående sektioner og er et koncept, der er accepteret af den nuværende fysik, ligesom lysets corpuskulære natur.

Einsteins korpuskulære teori

I henhold til den moderne opfattelse af lys består den af masseløse og uladede partikler kaldet fotoner. På trods af at de ikke har masse, har de fart og energi, som forklaret ovenfor. Denne teori forklarer med succes, hvordan lys interagerer med stof ved at udveksle energi i diskrete (kvantiserede) mængder.

Eksistensen af lysquanta blev foreslået af Albert Einstein for at forklare den fotoelektriske effekt opdaget af Heinrich Hertz et par år tidligere. Den fotoelektriske virkning består af emissionen af elektroner fra et stof, på hvilket en eller anden form for elektromagnetisk stråling er blevet hindret, næsten altid i området fra ultraviolet til synligt lys.

Referencer

Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Bind 7. Bølger og kvantefysik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
Physic. Teorier om lys. Gendannes fra: fisic.ch.
Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6th. Ed Prentice Hall.
Bølgebevægelse. Fermats princip. Gendannes fra: sc.ehu.es.
Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
Romero, O. 2009. Fysik. Santillana Hypertext.
Serway, R. 2019. Fysik til videnskab og teknik. 10th. Edition. Bind 2. Cengage.
Shipman, J. 2009. En introduktion til fysisk videnskab. Tolvte udgave. Brooks / Cole, Cengage-udgaver.
Wikipedia. Lys. Gendannet fra: es.wikipedia.org.

LYS: HISTORIE, NATUR, OPFØRSEL, FORPLANTNING - FYSISK - 2025