Sejarah ringan, sifat, tingkah laku, penyebaran

The cahaya Ia adalah gelombang elektromagnet yang dapat ditangkap oleh rasa penglihatan. Dia merupakan sebahagian daripada spektrum elektromagnet: yang dikenali sebagai cahaya yang kelihatan. Selama bertahun -tahun, pelbagai teori telah dicadangkan untuk menerangkan sifat mereka.

Contohnya, untuk masa yang lama kepercayaan bahawa cahaya terdiri daripada aliran zarah yang dipancarkan oleh objek atau oleh mata pemerhati dikekalkan. Kepercayaan orang Arab dan orang Yunani kuno dikongsi oleh Isaac Newton (1642-1727) untuk menjelaskan fenomena cahaya.

Rajah 1. Langit berwarna biru terima kasih kepada penyebaran cahaya matahari di atmosfera. Sumber: Pixabay.

Walaupun Newton datang untuk mengesyaki bahawa Light mempunyai kualiti bergelora dan Christian Huygens (1629-1695) diuruskan.

Pada awal abad itu, ahli fizik Inggeris Thomas Young menunjukkan tanpa keraguan bahawa sinar cahaya dapat mengganggu satu sama lain, seperti gelombang mekanikal pada rentetan.

Itu hanya bermakna bahawa cahaya adalah gelombang dan bukan zarah, walaupun tidak ada yang tahu apa jenis gelombang sehingga pada tahun 1873, kerani James Maxwell mengatakan cahaya itu adalah gelombang elektromagnet.

Dengan sokongan hasil eksperimen Heinrich Hertz pada tahun 1887, sifat cahaya yang beralun ditubuhkan sebagai fakta saintifik.

Tetapi pada awal abad ke -20 bukti baru timbul mengenai sifat cahaya korpuskular. Sifat ini terdapat dalam fenomena pelepasan dan penyerapan, di mana tenaga cahaya diangkut dalam pakej yang disebut "foton".

Oleh itu, kerana cahaya merebak sebagai gelombang dan berinteraksi dengan bahan serta zarah, sifat dwi kini diiktiraf dalam cahaya: zarah gelombang.

[TOC]

Sifat cahaya

Sudah jelas bahawa sifat cahaya adalah dwi, ​​menyebar sebagai gelombang elektromagnet, yang tenaganya datang dalam foton.

Ini, yang tidak mempunyai jisim, bergerak dalam vakum dengan kelajuan tetap 300.000 km/s. Ia adalah kelajuan cahaya yang terkenal dalam vakum, tetapi cahaya dapat bergerak melalui media lain, walaupun dengan kelajuan yang berbeza.

Apabila foton sampai ke mata kita, sensor yang mengesan kehadiran cahaya diaktifkan. Maklumat itu dihantar ke otak, dan ditafsirkan di sana.

Apabila sumber memancarkan sebilangan besar foton, kita melihatnya sebagai sumber yang cemerlang. Jika sebaliknya ia memancarkan sedikit, ia ditafsirkan sebagai sumber legap. Setiap foton mempunyai tenaga tertentu, bahawa otak menafsirkan sebagai warna. Contohnya, foton biru lebih bertenaga daripada foton merah.

Mana -mana sumber biasanya memancarkan foton pelbagai tenaga, dari sana datang warna yang dilihatnya.

Sekiranya tidak ada yang lain memancarkan foton dengan satu jenis tenaga, ia dipanggil Cahaya monokromatik. Laser adalah contoh cahaya monokromatik yang baik. Akhirnya, pengedaran foton dalam sumber dipanggil spektrum.

Gelombang juga dicirikan dengan mempunyai yang tertentu panjang gelombang. Seperti yang telah kita katakan, cahaya milik spektrum elektromagnet, yang meliputi jarak panjang gelombang yang sangat luas, dari gelombang radio hingga sinar gamma. Imej berikut menunjukkan pancaran cahaya putih prisma segi tiga. Cahaya dipisahkan dalam panjang panjang (merah) dan panjang gelombang pendek (biru).

Di tengah -tengah adalah jalur sempit panjang gelombang yang diketahui dengan nama spektrum yang kelihatan, yang dari 400 nanometer (nm) hingga 700 nm.

Rajah 2. Spektrum elektromagnet yang menunjukkan julat cahaya yang kelihatan. Sumber: Sumber: Wikimedia Commons. Pengarang: Horst Frank.

Tingkah laku ringan

Cahaya mempunyai tingkah laku dua, gelombang dan zarah seperti yang diperiksa. Cahaya menyebar dengan cara yang sama seperti gelombang elektromagnet, dan oleh itu, ia mampu mengangkut tenaga. Tetapi apabila cahaya berinteraksi dengan perkara itu, ia berkelakuan seolah -olah ia adalah rasuk zarah yang disebut foton.

Rajah 4. Penyebaran gelombang elektromagnet. Sumber: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0/]].

Pada tahun 1802, ahli fizik Thomas Young (1773-1829) menunjukkan bahawa cahaya mempunyai tingkah laku undulatory Melalui percubaan celah berganda.

Dengan cara ini dia dapat menghasilkan gangguan maksimum dan minimum pada skrin. Tingkah laku ini adalah tipikal gelombang dan oleh itu muda dapat menunjukkan bahawa cahaya adalah gelombang dan juga dapat mengukur panjang gelombangnya.

Aspek cahaya yang lain ialah zarah, diwakili oleh pakej tenaga yang dipanggil foton, yang dalam langkah vakum dengan kelajuan c = 3 x 10⁸ m/s dan tidak mempunyai jisim. Tetapi mereka mempunyai tenaga Dan:

E = hf

Dan juga jumlah pergerakan magnitud:

Boleh melayani anda: Nombor aliran: bagaimana ia dikira dan contohnya

 P = e/c

Di mana h Ia adalah pemalar Planck, yang nilainya adalah 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.kedua dan F adalah kekerapan gelombang. Menggabungkan ungkapan ini:

P = hf/c

Dan sejak panjang gelombang λ dan kekerapan berkaitan dengan C = λ.F, ditinggalkan:

P = h/λ → λ = h/p

Prinsip Huygens

Rajah 5. Gelombang dan sinar cahaya yang tersebar di garis lurus. Sumber: Serway. R. Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan.

Semasa mengkaji tingkah laku cahaya, terdapat dua prinsip penting untuk mengambil kira: Prinsip Huygens dan Prinsip Fermat. Prinsip Huygens menyatakan bahawa:

Sebarang titik di depan gelombang berkelakuan sebagai sumber tertentu, yang seterusnya menghasilkan gelombang sfera sekunder.

Mengapa gelombang sfera? Sekiranya kita menganggap bahawa medium adalah homogen, cahaya yang memancarkan sumber tertentu akan tersebar ke semua arah. Kita dapat membayangkan cahaya penyebaran di tengah -tengah sfera besar dengan sinar yang diedarkan secara seragam. Sesiapa yang memerhatikan cahaya ini menganggap bahawa ia bergerak dalam garis lurus ke mata dan bergerak tegak ke hadapan gelombang.

Sekiranya sinar cahaya datang dari sumber yang sangat jauh, contohnya matahari, depan gelombang rata dan sinar selari. Inilah pendekatan Optik Geometrik.

Prinsip Fermat

Prinsip Fermat menyatakan bahawa:

Cahaya kilat yang bergerak antara dua mata mengikuti trajektori yang diperlukan oleh masa minimum.

Prinsip ini berhutang namanya kepada ahli matematik Perancis Pierre de Fermat (1601-1665), yang menubuhkannya untuk kali pertama pada tahun 1662.

Menurut prinsip ini, dalam medium homogen, cahaya menyebar pada kelajuan tetap, oleh itu ia mempunyai pergerakan rectilinear seragam dan trajektorinya adalah garis lurus.

Penyebaran cahaya

Cahaya merebak seperti gelombang elektromagnet. Kedua -dua medan elektrik dan medan magnet dihasilkan antara satu sama lain, yang membentuk gelombang digabungkan yang berada dalam fasa dan berserenjang antara satu sama lain dan arah penyebaran.

Secara umum, gelombang yang menyebar di ruang angkasa boleh diterangkan dari segi Gelombang depan. Ini adalah set mata yang mempunyai amplitud dan fasa yang sama. Mengetahui lokasi Wavefront pada suatu masa yang diberikan, anda boleh mengetahui lokasi berikutnya, menurut prinsip Huygens.

Difraksi

Laser diffracted oleh celah heksagon. Lienzocian [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/4.0)]

Tingkah laku undulatory cahaya jelas mendedahkan dalam dua fenomena penting yang timbul semasa penyebarannya: difraksi dan gangguan. Di dalam difraksi, Gelombang, sama ada dari air, bunyi atau cahaya, diputarbelitkan ketika mereka melewati bukaan, halangan mengelilingi atau menjimatkan sudut.

Sekiranya pembukaannya besar berbanding dengan panjang gelombang, herotan tidak begitu besar, tetapi jika pembukaannya kecil, perubahan dalam bentuk gelombang lebih ketara. Difraksi adalah harta eksklusif gelombang, jadi apabila cahaya mempamerkan difraksi kita tahu bahawa ia mempunyai tingkah laku undulatory.

Gangguan dan polarisasi

Untuk bahagiannya gangguan cahaya berlaku apabila gelombang elektromagnet bertindih. Dengan berbuat demikian, mereka menyertai vektor dan ini boleh membawa kepada dua jenis gangguan:

-Membina, apabila intensiti gelombang yang dihasilkan lebih besar daripada intensiti komponen.

-Merosakkan jika intensiti kurang daripada komponen.

Gangguan gelombang bercahaya berlaku apabila gelombang adalah monokromatik dan mengekalkan perbezaan fasa yang sama sepanjang masa. Ini dipanggil koheren. Cahaya seperti ini boleh datang dari laser sebagai contoh. Sumber biasa seperti mentol pijar tidak menghasilkan cahaya yang koheren kerana cahaya yang dipancarkan oleh berjuta -juta atom filamen mengubah fasa secara berterusan.

Tetapi jika skrin legap dengan dua bukaan kecil dan rapat antara satu sama lain, cahaya yang keluar dari setiap slot bertindak sebagai sumber yang koheren diletakkan pada mentol yang sama.

Akhirnya, apabila ayunan medan elektromagnet semuanya berada dalam arah yang sama, Polarisasi. Cahaya semulajadi tidak terpolarisasi, kerana ia dibentuk oleh banyak komponen dan masing -masing berayun ke arah yang berbeza.

Eksperimen muda

Pada awal abad ke -19, ahli fizik Inggeris Thomas Young adalah yang pertama untuk mendapatkan cahaya yang konsisten dengan sumber cahaya biasa.

Dalam eksperimen yang terkenal, dia memberi cahaya melalui celah yang diamalkan di skrin legap. Menurut prinsip Huygens, dua sumber sekunder dijana, yang seterusnya melalui skrin legap kedua dengan dua celah.

Boleh melayani anda: haba yang diserap: formula, bagaimana mengira dan diselesaikan latihanRajah 6. Animasi Eksperimen Muda Young. Sumber: Wikimedia Commons.

Cahaya yang diperolehi diterangi dinding di dalam bilik gelap. Apa yang dilihat adalah corak yang terdiri daripada kawasan ganti dan gelap. Kewujudan corak ini dijelaskan oleh fenomena gangguan yang diterangkan di atas.

Percubaan Young sangat penting kerana ia menunjukkan sifat cahaya yang beralun. Selanjutnya, percubaan telah dijalankan dengan zarah asas seperti elektron, neutron dan proton, dengan hasil yang sama.

Fenomena cahaya

Refleksi

Renungan cahaya di dalam air

Apabila sinar cahaya mempengaruhi permukaan, sebahagian daripada cahaya dapat dicerminkan dan lain -lain menyerap. Sekiranya ia adalah medium yang telus, sebahagian daripada cahaya meneruskan jalannya melaluinya.

Juga, permukaan boleh licin, seperti cermin atau kasar dan tidak teratur. Kepada refleksi yang berlaku pada permukaan licin dipanggil Refleksi Specular, jika tidak, ia adalah Refleksi meresap atau refleksi yang tidak teratur. Permukaan yang sangat digilap, seperti cermin, dapat mencerminkan sehingga 95% cahaya kejadian.

Refleksi Specular

Angka ini menunjukkan sinar cahaya yang bergerak dalam medium, yang boleh menjadi udara. Diminta dengan sudut θ₁ Pada permukaan spekular rata dan dicerminkan dengan sudut θ₂. Garis yang dilambangkan seperti biasa berserenjang ke permukaan.

Sudut kejadian sama dengan sudut refleksi. Sumber: Serway. R. Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan.

Kedua -dua sinar insiden dan tercermin dan normal ke permukaan spekular berada dalam satah yang sama. Orang Yunani kuno telah melihat bahawa sudut kejadian adalah sama dengan sudut pantulan:

θ₁ = θ₂

Ekspresi matematik ini adalah undang -undang refleksi cahaya. Walau bagaimanapun, gelombang lain seperti bunyi misalnya juga dapat mengalami refleksi.

Kebanyakan permukaan adalah kasar, dan oleh itu refleksi cahaya adalah meresap. Dengan cara ini cahaya yang mereka renungkan dihantar ke semua arah, jadi objek dapat dilihat dari mana saja.

Oleh kerana beberapa panjang gelombang dicerminkan lebih daripada yang lain, objek mempunyai warna yang berbeza.

Contohnya daun pokok mencerminkan cahaya yang kira -kira di tengah -tengah spektrum yang kelihatan, yang sepadan dengan warna hijau. Selebihnya panjang gelombang yang kelihatan diserap: dari ultraviolet berhampiran biru (350-450 nm) dan lampu merah (650-700 nm).

Pembiasan

Fenomena pembiasan. Josel7 [cc by-sa 4.0 (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/4.0)]

Pembiasan cahaya berlaku kerana cahaya bergerak ke kelajuan yang berbeza mengikut medium. Dalam vakum, kelajuan cahaya ialah C = 3 x 10⁸ m/s, tetapi apabila cahaya mencapai proses medium, penyerapan dan pelepasan material timbul yang membuat penurunan tenaga, dan dengan itu kelajuan.

Sebagai contoh, apabila bergerak di udara, cahaya bergerak cepat dan juga, tetapi di dalam air, cahaya bergerak tiga suku dari c, Semasa berada di kaca ia melakukan kira -kira dua pertiga daripada c.

Indeks refraktif

Indeks pembiasan dilambangkan n Dan ia ditakrifkan sebagai kuota antara kelajuan cahaya dalam vakum c dan kelajuannya dalam medium tersebut v:

N = c/v

Indeks biasan selalu lebih besar daripada 1, kerana kelajuan cahaya dalam vakum selalu lebih besar daripada dalam medium material. Beberapa nilai n biasa adalah:

-Udara: 1.0003

-Air: 1.33

-Kaca: 1.5

-Diamond: 2.42

Undang -undang Snell

Apabila sinar cahaya mempengaruhi secara serong di sempadan antara dua media, seperti udara dan kaca misalnya, satu bahagian cahaya dicerminkan dan bahagian lain mengikuti jalannya di dalam kaca.

Dalam kes ini, panjang gelombang dan kelajuan mengalami variasi apabila bergerak dari satu medium ke yang lain, tetapi kekerapan. Sejak v = c/n = λ.F  Dan juga dalam vakum C = λo. F, Kemudian anda mempunyai:

(λ_{Sama ada}.f /n) = λ.f → λ = λ_{Sama ada}/n

Iaitu, panjang gelombang dalam medium yang diberikan selalu kurang daripada panjang gelombang dalam vakum λo.

Rajah 8. Undang -undang Snell. Sumber: Rajah Kiri: Skim Refraksi Cahaya. Rex, a. Asas Fizik. Angka yang betul: Wikimedia Commons. Josel7 [cc by-sa 4.0 (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/4.0)].

Perhatikan segitiga yang mempunyai hipotenus yang sama dengan warna merah. Dalam setiap medium, langkah -langkah hipotenus λ₁/sin θ₁ dan λ₂/sin θ₂ masing -masing, memandangkan fakta bahawa λ dan v adalah berkadar, oleh itu:

Boleh melayani anda: Sifat optik bahan

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Sebagai λ = λ_{Sama ada}/n Kamu perlu:

(λ_{Sama ada}/n₁) /Sen θ₁ = (λ_{Sama ada}/n₂) /Sen θ₂

Yang boleh dinyatakan sebagai:

n_{1 .} sin θ₁ = n₂ .sin θ₂

Ini adalah formula undang -undang Snell, sebagai penghormatan terhadap matematik Belanda.

Sebagai alternatif, undang -undang Snell ditulis dari segi kelajuan cahaya dalam setiap persekitaran, menggunakan definisi indeks biasan: N = c/v:

(CV₁) . sin θ₁ = (CV₂) .sin θ₂

v_{2 .} sin θ₁ = v₁ .sin θ₂

Penyebaran

Seperti yang dijelaskan di atas, cahaya terdiri daripada foton dengan tenaga yang berbeza, dan setiap tenaga dianggap sebagai warna. Cahaya putih mengandungi foton semua tenaga dan oleh itu dapat dipecah menjadi lampu warna yang berbeza. Ini terdiri daripada penyebaran cahaya, yang telah dikaji oleh Newton.

Air jatuh di atmosfera seperti prisma kecil. Sumber: Pixabay.

Newton mengambil prisma optik, sinar sinar cahaya putih melalui dia dan memperoleh jalur warna yang pergi dari merah ke ungu. Jalur ini adalah spektrum cahaya yang kelihatan dilihat dalam Rajah 2.

Penyebaran cahaya adalah fenomena semulajadi, yang keindahannya kita kagumi di langit ketika pelangi terbentuk. Cahaya matahari mempengaruhi titisan air di atmosfera, yang bertindak sebagai prisma kecil sama dengan Newton, menyebarkan cahaya.

Warna biru yang kita lihat langit juga akibat penyebaran. Kaya dengan nitrogen dan oksigen, atmosfera tersebar terutamanya nada biru dan ungu, tetapi mata manusia lebih sensitif terhadap biru dan oleh itu kita melihat langit warna ini.

Apabila matahari lebih rendah di kaki langit, semasa matahari terbit atau matahari terbenam, langit dicelup dari nada oren terima kasih kepada sinar cahaya mesti menyeberangi lapisan yang lebih tebal atmosfera. Nada kemerahan frekuensi yang lebih rendah berinteraksi dengan kurang dengan unsur -unsur atmosfera dan mengambil kesempatan untuk mencapai permukaan.

Atmosfera yang banyak dalam habuk dan pencemaran, seperti beberapa bandar besar, melihat langit kelabu kerana penyebaran frekuensi rendah.

Teori cahaya

Cahaya telah dianggap sebagai asas sebagai zarah atau sebagai gelombang. Teori corpuskular yang dipertahankan Newton, dianggap ringan sebagai rasuk zarah. Walaupun refleksi dan pembiasan dapat dijelaskan dengan betul mengandaikan bahawa cahaya adalah gelombang, seperti yang dikatakan Huygens.

Tetapi jauh sebelum saintis yang terkenal ini, orang telah membuat spekulasi mengenai sifat cahaya. Antaranya tidak dapat melepaskan ahli falsafah Yunani Aristotle. Berikut adalah ringkasan ringkas teori cahaya dari masa ke masa:

Teori Aristotelian

2.500 tahun Aristotle mengatakan bahawa cahaya timbul dari mata pemerhati, menerangi objek dan kembali dalam beberapa cara dengan imej supaya dapat dihargai oleh orang itu.

Teori Corpuscular Newton

Newton memegang kepercayaan bahawa cahaya terdiri daripada zarah -zarah kecil yang tersebar di garis lurus ke semua arah. Apabila mereka sampai ke mata, mereka merakam sensasi sebagai cahaya.

Huygens beralun teori

Huygens menerbitkan karya yang dipanggil Perjanjian cahaya di mana dia mencadangkan bahawa ini adalah gangguan persekitaran yang serupa dengan gelombang bunyi.

Teori Elektromagnetik Maxwell

Walaupun percubaan berganda berganda meninggalkan tidak syak lagi tentang sifat cahaya yang beralun, pada kebanyakan abad kesembilan belas ia spekulasi tentang jenis gelombang yang, sehingga Maxwell berkata dalam teori elektromagnetnya bahawa cahaya terdiri daripada penyebaran suatu elektromagnetik medan.

Cahaya sebagai gelombang elektromagnet menerangkan fenomena penyebaran cahaya seperti yang diterangkan dalam bahagian sebelumnya dan merupakan konsep yang diterima oleh fizik semasa, seperti sifat cahaya korpuskular.

Teori Korpuskular Einstein

Menurut konsepsi moden cahaya, ini terdiri daripada zarah tanpa jisim dan tanpa beban dipanggil foton. Walaupun tidak mempunyai jisim, mereka mempunyai masa dan tenaga, seperti yang dijelaskan di atas. Teori ini memuaskan menerangkan cara cahaya berinteraksi dengan perkara, dengan bertukar tenaga dalam jumlah diskret (kuantitatif).

Kewujudan cahaya itu dicadangkan oleh Albert Einstein untuk menjelaskan kesan fotoelektrik Ditemui oleh Heinrich Hertz beberapa tahun sebelumnya. Kesan fotoelektrik terdiri daripada pelepasan elektron oleh bahan di mana beberapa jenis radiasi elektromagnet telah dipengaruhi, hampir selalu berada di pangkat ultraviolet ke cahaya yang dapat dilihat.

Rujukan

1. Figueroa, d. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 7. Gelombang dan Fizik Kuantum. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Fizik. Teori cahaya. Pulih dari: fizik.ch.
3. Giancoli, d.  2006. Fizik: Prinsip dengan aplikasi. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Gerakan gelombang. Prinsip Fermat. Diperolehi dari: sc.Ehu.adalah.
5. Rex, a. 2011. Asas Fizik. Pearson.
6. Romero, o. 2009. Fizikal. Santillana Hypertext.
7. Serway, r. 2019. Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. 10th. Edisi. Jilid 2. Cengage.
8. Shipman, j. 2009. Pengenalan kepada Sains Fizikal. Edisi Kedua Belas. Brooks/Cole, Edisi Cengage.
9. Wikipedia. Cahaya. Pulih dari: Adakah.Wikipedia.org.