ŠVIESA: ISTORIJA, GAMTA, ELGESYS, SKLIDIMAS - FIZINIS - 2025

Šviesa yra elektromagnetinės bangos gali būti aptikta regėjimo prasme. Tai sudaro elektromagnetinio spektro dalį: vadinamąją matomą šviesą. Metams bėgant buvo pasiūlyta įvairių teorijų, kurios paaiškintų jos pobūdį.

Pavyzdžiui, ilgai buvo laikomasi įsitikinimo, kad šviesą sudaro dalelių srautas, kurį skleidžia daiktai ar stebėtojų akys. Šiuo arabų ir senovės graikų įsitikinimu pasidalino Izaokas Niutonas (1642–1727), norėdamas paaiškinti šviesos reiškinius.

1 pav. Dangus yra mėlynas dėl saulės spindulių pasklidimo atmosferoje. Šaltinis: „Pixabay“.

Nors Niutonas įtarė, kad šviesa turi bangų savybes, ir Christianas Huygenas (1629–1695) sugebėjo refrakciją ir atspindį paaiškinti bangų teorija, visose mokslininkėse šviesa kaip dalelė buvo plačiai paplitusi iki XIX amžiaus pradžios. .

To amžiaus aušroje anglų fizikas Tomas Youngas be jokios abejonės pademonstravo, kad šviesos spinduliai gali trukdyti vienas kitam, kaip ir mechaninės bangos daro stygas.

Tai gali reikšti tik tai, kad šviesa buvo banga, o ne dalelė, nors niekas nežinojo, kokia tai banga, kol 1873 m. Jamesas Clerkas Maxwellas teigė, kad šviesa yra elektromagnetinė banga.

Remiantis 1887 m. Eksperimentiniais Heinricho Hertzo rezultatais, šviesos bangos prigimtis buvo nustatyta kaip mokslinis faktas.

Tačiau XX amžiaus pradžioje atsirado naujų įrodymų apie kūniškąją šviesos prigimtį. Ši prigimtis yra išmetamųjų ir absorbcinių reiškinių metu, kai šviesos energija gabenama pakuotėse, vadinamose „fotonais“.

Taigi, kadangi šviesa sklinda kaip banga ir sąveikauja su materija kaip dalelė, šiuo metu šviesoje atpažįstama dviguba prigimtis: bangos dalelė.

Šviesos pobūdis

Akivaizdu, kad šviesos pobūdis yra dvejopas, sklindantis kaip elektromagnetinė banga, kurios energija ateina į fotonus.

Šie be masės juda vakuume pastoviu 300 000 km / s greičiu. Tai yra žinomas šviesos greitis vakuume, tačiau šviesa gali judėti per kitas terpes, nors ir skirtingais greičiais.

Kai fotonai pasiekia mūsų akis, įjungiami jutikliai, kurie nustato šviesos buvimą. Informacija perduodama smegenims ir ten interpretuojama.

Kai šaltinis skleidžia daug fotonų, mes jį matome kaip ryškų šaltinį. Jei, priešingai, jis skleidžia nedaug, jis aiškinamas kaip nepermatomas šaltinis. Kiekvienas fotonas turi tam tikrą energiją, kurią smegenys interpretuoja kaip spalvą. Pavyzdžiui, mėlynieji fotonai yra energingesni nei raudonieji fotonai.

Bet kuris šaltinis paprastai skleidžia įvairių energijų fotonus, taigi spalvą, su kuria jis matomas.

Jei niekas kitas neišskiria fotonų su vieno tipo energija, jis vadinamas monochromatine šviesa. Lazeris yra geras monochromatinės šviesos pavyzdys. Galiausiai fotonų pasiskirstymas šaltinyje vadinamas spektru.

Banga taip pat pasižymi tam tikro bangos ilgio turėjimu. Kaip jau minėjome, šviesa priklauso elektromagnetiniam spektrui, kuris apima ypač platų bangų ilgių diapazoną - nuo radijo bangų iki gama spindulių. Šiame paveikslėlyje parodyta, kaip baltos šviesos spindulys išsklaido trikampę prizmę. Šviesa yra padalinta į ilgą (raudoną) ir trumpą (mėlyną) bangų ilgį.

Viduryje yra siaura bangos ilgio juosta, vadinama matomu spektru, svyruojanti nuo 400 nanometrų (nm) iki 700 nm.

2 pav. Elektromagnetinis spektras, rodantis matomos šviesos diapazoną. Šaltinis: Šaltinis: „Wikimedia Commons“. Autorius: Horstas Frankas.

Šviesos elgesys

Ištyrus, šviesa turi dvejopą elgesį su bangomis ir dalelėmis. Šviesa sklinda taip pat, kaip elektromagnetinė banga, ir todėl gali pernešti energiją. Bet kai šviesa sąveikauja su materija, ji elgiasi kaip dalelių pluoštas, vadinamas fotonu.

4 pav. Elektromagnetinės bangos sklidimas. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. „SuperManu“.

1802 m. Fizikas Thomas Youngas (1773–1829), naudodamas dvigubo plyšio eksperimentą, parodė, kad šviesa veikia bangas.

Tokiu būdu jis sugebėjo ekrane sukelti maksimalius ir minimalius trukdžius. Šis elgesys būdingas bangoms, todėl Youngas sugebėjo parodyti, kad šviesa yra banga, taip pat sugebėjo išmatuoti jos bangos ilgį.

Kitas šviesos aspektas yra dalelė, pavaizduota energijos paketais, vadinamais fotonais, kurie vakuume juda greičiu c = 3 x 10 ⁸ m / s ir neturi masės. Bet jie turi E energiją:

Taip pat didumo impulsas:

Kur h yra Planko konstantą, kurio vertė yra 6,63 x 10 ^-34 Joule.second ir f yra bangos dažnis. Derinant šias išraiškas:

O kadangi bangos ilgis λ ir dažnis yra susiję su c = λ.f, tai išlieka:

Huygenso principas

5 paveikslas. Bangos priekis ir šviesos spinduliai, sklindantys tiesia linija. Šaltinis: „Serway“. R. Fizika mokslui ir inžinerijai.

Tiriant šviesos elgesį, reikia atsižvelgti į du svarbius principus: Huygenso principą ir Fermato principą. Huygenso principas teigia, kad:

Kodėl sferinės bangos? Jei darysime prielaidą, kad terpė yra vienalytė, taškinio šaltinio skleidžiama šviesa sklinda visomis kryptimis vienodai. Galime įsivaizduoti šviesos sklidimą didelės sferos viduryje tolygiai paskirstant spindulius. Kas pastebi šią šviesą, suvokia, kad ji eina tiesia linija link jo akies ir juda statmenai bangos frontui.

Jei šviesos spinduliai sklinda iš labai tolimo šaltinio, pavyzdžiui, Saulės, bangos priekis yra plokščias, o spinduliai yra lygiagretūs. Štai kas yra geometrinės optikos metodas.

Fermato principas

Fermato principas teigia:

Šis principas yra jo vardas dėl prancūzų matematiko Pierre de Fermat (1601–1665), kuris pirmą kartą jį įkūrė 1662 m.

Pagal šį principą vienalytėje terpėje šviesa sklinda pastoviu greičiu, todėl ji juda tolygiai tiesiaeigiu judesiu, o jo trajektorija yra tiesi.

Šviesos sklidimas

Šviesa sklinda kaip elektromagnetinė banga. Ir elektrinis laukas, ir magnetinis laukas sukuria vienas kitą, sudarydami sujungtas bangas, kurios yra fazėje ir yra statmenos viena kitai ir sklidimo krypčiai.

Paprastai erdvėje sklindančią bangą galima apibūdinti bangos fronto atžvilgiu. Tai yra taškų, turinčių vienodą amplitudę ir fazę, rinkinys. Žinant bangos fronto vietą tam tikru momentu, pagal Huygenso principą galima žinoti bet kurią paskesnę vietą.

Difrakcija

Lazeris difrakcionuotas šešiakampiu plyšiu. Lienzocianas

Šviesos bangos elgesį aiškiai parodo du svarbūs reiškiniai, atsirandantys skleidžiant šviesą: difrakcija ir trukdžiai. Difrakcijos metu bangos, tiek vandens, tiek garso, tiek šviesos, yra iškraipomos, kai praeina pro angas, eina aplink kliūtis ar eina už kampų.

Jei diafragma yra didelė, palyginti su bangos ilgiu, iškraipymai nėra labai dideli, tačiau jei diafragma yra maža, bangos formos pokytis yra labiau pastebimas. Difrakcija yra išskirtinė bangų savybė, todėl kai šviesa eksponuoja difrakciją, mes žinome, kad ji turi bangų elgesį.

Interferencija ir poliarizacija

Savo ruožtu šviesos trukdžiai atsiranda, kai juos sudarančios elektromagnetinės bangos sutampa. Tai darant, vektoriai pridedami ir tai gali sukelti dviejų tipų trukdžius:

–Konstruktyvus, kai susidariusios bangos intensyvumas yra didesnis nei komponentų.

–Sunaikina, jei stipris mažesnis nei komponentų.

Šviesos bangų interferencija atsiranda, kai bangos yra vienspalvės ir visą laiką palaiko tą patį fazių skirtumą. Tai vadinama nuoseklumu. Pvz., Tokią šviesą gali suteikti lazeris. Įprasti šaltiniai, tokie kaip kaitrinės lemputės, nesukuria nuoseklios šviesos, nes milijonų atomų skleidžiama šviesa kaitinamojoje siūle nuolat kinta.

Bet jei ant tos pačios lemputės dedamas nepermatomas atspalvis su dviem mažomis angomis, esančiomis arti vienas kito, iš kiekvieno lizdo išeinanti šviesa veikia kaip nuoseklus šaltinis.

Galiausiai, kai visi elektromagnetinio lauko virpesiai vyksta ta pačia kryptimi, atsiranda poliarizacija. Natūrali šviesa nėra poliarizuota, nes ją sudaro daugybė komponentų, kurių kiekvienas svyruoja skirtinga kryptimi.

Youngo eksperimentas

XIX amžiaus pradžioje anglų fizikas Thomas Youngas pirmasis įgijo koherentinę šviesą su įprastu šviesos šaltiniu.

Savo garsiajame dvigubo plyšio eksperimente jis praleido šviesą per plyšį nepermatomame ekrane. Pagal Huygenso principą, sukuriami du antriniai šaltiniai, kurie savo ruožtu praeina per antrą nepermatomą ekraną su dviem plyšiais.

6 pav. Youngo dvigubo plyšio eksperimento animacija. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Tokiu būdu gauta šviesa apšvietė sieną tamsiame kambaryje. Matytas buvo modelis, susidedantis iš kintamų šviesių ir tamsių sričių. Šio modelio egzistavimas paaiškinamas aukščiau aprašytu trukdžių reiškiniu.

Youngo eksperimentas buvo labai svarbus, nes jis atskleidė šviesos bangos pobūdį. Vėliau eksperimentas buvo atliktas su pagrindinėmis dalelėmis, tokiomis kaip elektronai, neutronai ir protonai, gavus panašius rezultatus.

Šviesos fenomenai

Atspindys

Šviesos atspindys vandenyje

Kai šviesos spindulys patenka į paviršių, dalis šviesos gali atsispindėti, o dalis absorbuoti. Jei tai yra skaidri terpė, dalis šviesos tęsiasi pro ją.

Be to, paviršius gali būti lygus, kaip veidrodis, ar šiurkštus ir nelygus. Atspindys, atsirandantis ant lygaus paviršiaus, vadinamas spekuliniu atspindžiu, kitaip tai yra difuzinis atspindys arba netaisyklingas atspindys. Labai poliruotas paviršius, pavyzdžiui, veidrodis, gali atspindėti iki 95% kritusios šviesos.

Spekuliarus atspindys

Paveikslėlyje parodytas šviesos spindulys, sklindantis terpėje, kuri gali būti oras. Jis krinta θ ₁ kampu ant plokštumos veidrodinio paviršiaus ir atsispindi kampu θ ₂ . Linija, pažymėta normalia, yra statmena paviršiui.

Kritimo kampas lygus atspindžio kampui. Šaltinis: „Serway“. R. Fizika mokslui ir inžinerijai.

Ir kritulys, ir atspindėtasis spindulys, ir normalusis į veidrodžio paviršių yra toje pačioje plokštumoje. Senovės graikai jau pastebėjo, kad kritimo kampas yra lygus atspindžio kampui:

Ši matematinė išraiška yra šviesos atspindžio dėsnis. Tačiau atspindėti gali ir kitos bangos, pavyzdžiui, garsas.

Daugelis paviršių yra šiurkštūs, todėl šviesos atspindys yra difuzinis. Tokiu būdu jų atspindima šviesa siunčiama į visas puses, taigi objektus galima pamatyti iš bet kurios vietos.

Kadangi kai kurie bangos ilgiai atsispindi labiau nei kiti, objektai yra skirtingų spalvų.

Pavyzdžiui, medžių lapai atspindi šviesą, kuri yra maždaug matomo spektro viduryje ir atitinka žalią spalvą. Likusi dalis matomų bangų ilgių yra sugeriama: nuo ultravioletinės iki mėlynos (350–450 nm) ir raudonos šviesos (650–700 nm).

Refrakcija

Refrakcijos reiškinys. Josell7

Šviesos refrakcija atsiranda todėl, kad šviesa juda skirtingu greičiu, priklausomai nuo terpės. Vakuume šviesos greitis yra c = 3 x 10 ⁸ m / s, tačiau kai šviesa pasiekia medžiaginę terpę, atsiranda absorbcijos ir emisijos procesai, dėl kurių mažėja energija, o kartu ir greitis.

Pavyzdžiui, judant oru, šviesa juda beveik tokiu pat greičiu kaip c, tačiau vandenyje šviesa sklinda trimis ketvirtadaliais c, o stikle - maždaug dviem trečdaliais c.

Lūžio rodiklis

Lūžio rodiklis žymimas n ir apibrėžiamas kaip šviesos greičio vakuume c ir jo greičio minėtoje terpėje v santykis:

Lūžio rodiklis visada yra didesnis nei 1, nes vakuume šviesos greitis visada yra didesnis nei materialioje terpėje. Keletas tipiškų n reikšmių yra:

-Oras: 1.0003

-Vanduo: 1,33

-Stiklas: 1,5

-Dimantas: 2,42

Snelio dėsnis

Kai šviesos spindulys įstrižai nukreipia į dviejų terpių, pavyzdžiui, oro ir stiklo, sieną, dalis šviesos atsispindi, o kita dalis tęsia savo kelią stiklo viduje.

Šiuo atveju bangos ilgis ir greitis kinta, kai pereinama iš vienos terpės į kitą, bet ne dažnis. Kadangi v = c / n = λ.f ir taip pat vakuume c = λo. f, tada mes turime:

T. y., Bangos ilgis tam tikroje terpėje visada yra mažesnis už bangos ilgį vakuume λo.

8 pav. Snello dėsnis. Šaltinis: kairysis paveikslas: šviesos lūžio diagrama. Rex, A. Fizikos pagrindai. Dešinė figūra: „Wikimedia Commons“. Josell7.

Atkreipkite dėmesį į trikampius, kurių hipotenuzė yra raudona. Kiekvienoje terpėje hipotenuzė matuoja atitinkamai λ ₁ / sin θ ₁ ir λ ₂ / sin θ ₂ , nes λ ir v yra proporcingi, todėl:

Kadangi λ = λ _o / n, mes turime:

Tai galima išreikšti taip:

Tai yra Snelio dėsnio formulė, skirta garbei olandų matematikui Willebrordui Snellui (1580–1626), kuris ją išvedė eksperimentiškai stebėdamas šviesą, sklindančią iš oro į vandenį ir stiklą.

Kaip alternatyva, Snello dėsnis yra parašytas atsižvelgiant į kiekvienos terpės šviesos greitį, remiantis lūžio rodiklio apibrėžimu: n = c / v:

Dispersija

Kaip paaiškinta aukščiau, šviesą sudaro fotonai, turintys skirtingą energiją, ir kiekviena energija suvokiama kaip spalva. Baltoje šviesoje yra visų energijų fotonai, todėl ją galima suskaidyti į skirtingų spalvų šviesas. Tai yra šviesos išsklaidymas, kurį jau ištyrė Niutonas.

Vandens lašai atmosferoje elgiasi kaip mažos prizmės. Šaltinis: „Pixabay“.

Niutonas paėmė optinę prizmę, praleido pro ją baltos šviesos pluoštą ir gavo spalvotas juosteles nuo raudonos iki violetinės. Šis pakraštis yra matomos šviesos spektras, matomas 2 paveiksle.

Šviesos išsibarstymas yra natūralus reiškinys, kurio grožiu žavimės danguje, kai susiformuoja vaivorykštė. Saulės šviesa patenka į atmosferoje esančius vandens lašelius, kurie veikia kaip mažos Niutono prizmės, taip išsklaidydami šviesą.

Mėlyna spalva, su kuria matome dangų, taip pat yra sklaidos pasekmė. Gausu azoto ir deguonies, atmosfera daugiausia išsklaido mėlynos ir violetinės spalvos atspalvius, tačiau žmogaus akis yra jautresnė mėlynai, todėl matome šios spalvos dangų.

Kai saulė žemyn horizonte, saulėtekio ar saulėlydžio metu, dangus tampa oranžinis dėl to, kad šviesos spinduliai turi praeiti per storesnį atmosferos sluoksnį. Mažesnių dažnių rausvai tonai mažiau sąveikauja su atmosferos elementais ir pasinaudoja tuo, kad tiesiogiai pasiekia paviršių.

Dulkių ir taršos gausiose atmosferose, tokiose kaip kai kuriuose dideliuose miestuose, yra žalsvo dangaus, nes išsisklaido žemas dažnis.

Teorijos apie šviesą

Šviesa visų pirma buvo vertinama kaip dalelė arba kaip banga. Kūno smegenų teorija, kurią Niutonas gynė, šviesą laikė dalelių spinduliu. Tuo tarpu atspindį ir refrakciją būtų galima tinkamai paaiškinti darant prielaidą, kad šviesa yra banga, kaip teigė Huygensas.

Tačiau ilgai prieš šiuos puikius mokslininkus žmonės jau spėliojo apie šviesos prigimtį. Tarp jų negalėjo būti ir graikų filosofo Aristotelio. Čia yra trumpa šviesos teorijų per tam tikrą laiką santrauka:

Aristotelio teorija

Prieš 2500 metų Aristotelis teigė, kad šviesa atsirado iš stebėtojo akių, apšviestų objektų ir tam tikru būdu grįžo su atvaizdu, kad asmuo galėtų jį įvertinti.

Niutono korpuskuliarinė teorija

Niutonas manė, kad šviesą sudaro mažos dalelės, kurios sklinda tiesia linija į visas puses. Patekę į akis, jie užregistruoja pojūtį kaip šviesą.

Huygenso bangų teorija

Huygensas paskelbė darbą, pavadintą traktatas apie šviesą, kuriame jis pasiūlė, kad tai yra terpės sutrikimas, panašus į garso bangas.

Maksvelo elektromagnetinė teorija

Nors dvigubo plyšio eksperimentas nepaliko jokių abejonių dėl šviesos bangos pobūdžio, didžiąją dalį XIX amžiaus buvo spėliojama, kokia bangos rūšis ji buvo, kol Maksvelas savo elektromagnetinėje teorijoje teigė, kad šviesą sudaro elektromagnetinio lauko sklidimas.

Šviesa kaip elektromagnetinė banga paaiškina šviesos sklidimo reiškinius, kaip aprašyta ankstesniuose skyriuose, ir yra dabartinės fizikos priimta sąvoka, kaip ir korpuskuliarinis šviesos pobūdis.

Einšteino lavono teorija

Remiantis šiuolaikine šviesos samprata, ją sudaro be masės ir neįkrautos dalelės, vadinamos fotonais. Nepaisant to, kad neturi masės, jie turi impulsą ir energiją, kaip paaiškinta aukščiau. Ši teorija sėkmingai paaiškina, kaip šviesa sąveikauja su materija, keisdama energiją atskirais (kiekybiškai) kiekiais.

Šviesos kvanto egzistavimą pasiūlė Albertas Einšteinas, kad paaiškintų fotoelektrinį efektą, kurį Heinrichas Hertzas atrado prieš kelerius metus. Fotoelektrinį efektą sudaro elektronų, išsiskiriančių iš tam tikros rūšies elektromagnetinės spinduliuotės, spinduliavimas beveik visada diapazone nuo ultravioletinės iki matomos šviesos.

Nuorodos

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. 7 tomas. Bangos ir kvantinė fizika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
2. Fizinis. Šviesos teorijos. Atgauta iš: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6-asis. Edas Prentice'o salė.
4. Bangos judesys. Fermato principas. Atkurta iš: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas.
6. Romero, O. 2009. Fizika. Santillana hipertekstas.
7. „Serway“, R. 2019. Fizika mokslui ir inžinerijai. 10-oji. Leidimas. 2 tomas. „Cengage“.
8. Shipman, J. 2009. Įvadas į fizinius mokslus. Dvyliktas leidimas. „Brooks / Cole“, „Cengage“ leidimai.
9. Vikipedija. Šviesa. Atkurta iš: es.wikipedia.org.