SVETLO: HISTÓRIA, PRÍRODA, SPRÁVANIE, ŠÍRENIE - FYZICKÝ - 2026

Svetlo je elektromagnetická vlna môže byť detekovaná zrak. Tvorí súčasť elektromagnetického spektra: čo je známe ako viditeľné svetlo. V priebehu rokov boli navrhnuté rôzne teórie na vysvetlenie jeho podstaty.

Napríklad dlho sa držalo presvedčenie, že svetlo pozostávalo z prúdu častíc emitovaných predmetmi alebo očami pozorovateľov. Túto vieru Arabov a starovekých Grékov zdieľal Izák Newton (1642 - 1727), aby vysvetlil javy svetla.

Obrázok 1. Obloha je modrá vďaka rozptylu slnečného svetla v atmosfére. Zdroj: Pixabay.

Aj keď Newton prišiel k podozreniu, že svetlo má vlnové vlastnosti a Christian Huygens (1629-1695) dokázal vysvetliť refrakciu a odraz teóriou vĺn, viera vedca o svetlo ako častice bola rozšírená medzi všetkými vedcami až do začiatku 19. storočia. ,

Na začiatku tohto storočia anglický fyzik Thomas Young bezpochyby ukázal, že svetelné lúče sa môžu vzájomne ovplyvňovať, rovnako ako mechanické vlny v strunách.

To by mohlo znamenať len to, že svetlo bolo vlnou a nie časticami, hoci nikto nevedel, o akú vlnu to bolo, až v roku 1873, James Clerk Maxwell tvrdil, že svetlo bolo elektromagnetickou vlnou.

S pomocou experimentálnych výsledkov Heinricha Hertza v roku 1887 bola vlnová povaha svetla potvrdená ako vedecký fakt.

Na začiatku 20. storočia sa však objavili nové dôkazy o korpuskulárnej povahe svetla. Táto povaha sa vyskytuje v emisných a absorpčných javoch, pri ktorých sa svetelná energia prepravuje v balíkoch nazývaných „fotóny“.

Preto, pretože svetlo sa šíri ako vlna a interaguje s hmotou ako častica, v súčasnosti je vo svetle rozpoznávaná duálna povaha: vlnová častica.

Povaha svetla

Je zrejmé, že povaha svetla je dvojitá, šíria sa ako elektromagnetická vlna, ktorej energia prichádza do fotónov.

Tieto, ktoré nemajú hmotnosť, sa pohybujú vo vákuu s konštantnou rýchlosťou 300 000 km / s. Je to známa rýchlosť svetla vo vákuu, ale svetlo sa môže pohybovať cez iné médiá, aj keď rôznymi rýchlosťami.

Keď sa fotóny dostanú k našim očiam, aktivujú sa senzory, ktoré zisťujú prítomnosť svetla. Informácie sa prenášajú do mozgu a tam sa interpretujú.

Keď zdroj emituje veľké množstvo fotónov, vidíme to ako jasný zdroj. Ak naopak vydáva málo, interpretuje sa ako nepriehľadný zdroj. Každý fotón má určitú energiu, ktorú mozog interpretuje ako farbu. Napríklad modré fotóny sú energetickejšie ako červené fotóny.

Každý zdroj všeobecne emituje fotóny rôznych energií, teda farbu, s ktorou je videný.

Ak nič iné nevyžaruje fotóny s jediným typom energie, nazýva sa to monochromatické svetlo. Laser je dobrým príkladom monochromatického svetla. Nakoniec sa distribúcia fotónov v zdroji nazýva spektrum.

Vlna je tiež charakterizovaná tým, že má určitú vlnovú dĺžku. Ako sme povedali, svetlo patrí do elektromagnetického spektra, ktoré pokrýva extrémne široký rozsah vlnových dĺžok, od rádiových vĺn po gama lúče. Nasledujúci obrázok ukazuje, ako lúč bieleho svetla rozptyľuje trojuholníkový hranol. Svetlo je rozdelené na dlhé (červené) a krátke (modré) vlnové dĺžky.

Uprostred je úzke pásmo vlnových dĺžok známe ako viditeľné spektrum, v rozsahu od 400 nanometrov (nm) do 700 nm.

Obrázok 2. Elektromagnetické spektrum ukazujúce rozsah viditeľného svetla. Zdroj: Zdroj: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Správanie sa svetla

Svetlo má dvojité, vlnové a časticové správanie. Svetlo sa šíri rovnakým spôsobom ako elektromagnetická vlna a ako také je schopné prenášať energiu. Ale keď svetlo interaguje s hmotou, správa sa ako lúč častíc nazývaný fotóny.

Obrázok 4. Propagácia elektromagnetickej vlny. Zdroj: Wikimedia Commons. Supermana.

V roku 1802 fyzik Thomas Young (1773-1829) preukázal, že svetlo malo vlnové správanie pomocou experimentu s dvojitou štrbinou.

Týmto spôsobom dokázal na obrazovke vytvoriť maximálne a minimálne rušenie. Toto správanie je typické pre vlny, a tak Young dokázal dokázať, že svetlo bolo vlnou a tiež bolo možné zmerať jeho vlnovú dĺžku.

Ďalším aspektom svetla je aspekt častice predstavovaný zväzkami energie nazývanými fotóny, ktoré sa vo vákuu pohybujú rýchlosťou c = 3 x ¹⁰⁸ m / s a ​​nemajú hmotnosť. Majú však energiu E:

A tiež rýchlosť:

Kde h je Planckova konštanta, ktorej hodnota je 6,63 x 10 ^-34 Joule.second a f je frekvencia vlny. Kombinácia týchto výrazov:

A keďže vlnová dĺžka λ a frekvencia súvisia s c = λ.f, zostáva:

Huygensov princíp

Obrázok 5. Vlnové predné a svetelné lúče šíriace sa v priamke. Zdroj: Serway. R. Fyzika pre vedu a techniku.

Pri štúdiu správania sa svetla je potrebné vziať do úvahy dva dôležité princípy: Huygensov princíp a Fermatov princíp. Huygensov princíp uvádza, že:

Prečo sférické vlny? Ak predpokladáme, že médium je homogénne, svetlo emitované bodovým zdrojom sa bude šíriť vo všetkých smeroch rovnako. Vieme si predstaviť šírenie svetla uprostred veľkej gule s rovnomerne rozloženými lúčmi. Každý, kto pozoruje toto svetlo, vníma, že cestuje v priamej línii smerom k svojmu oku a pohybuje sa kolmo na prednú časť vlny.

Ak svetelné lúče pochádzajú z veľmi vzdialeného zdroja, napríklad zo Slnka, čelo vlny je ploché a lúče sú rovnobežné. O tom je prístup geometrickej optiky.

Fermatov princíp

Fermatova zásada uvádza, že:

Za tento princíp vďačí francúzsky matematik Pierre de Fermat (1601 - 1665), ktorý ho prvýkrát založil v roku 1662.

Podľa tohto princípu sa v homogénnom prostredí svetlo šíri konštantnou rýchlosťou, preto má rovnomerný priamočiary pohyb a jeho trajektória je priamka.

Šírenie svetla

Svetlo cestuje ako elektromagnetická vlna. Elektrické pole aj magnetické pole sa navzájom vytvárajú a vytvárajú spojené vlny, ktoré sú vo fáze a sú kolmé na seba a na smer šírenia.

Všeobecne možno povedať, že šírenie vĺn v priestore sa môže opísať z hľadiska čelnej vlny. Toto je množina bodov, ktoré majú rovnakú amplitúdu a fázu. Na základe princípu Huygensa je možné poznať polohu nasledujúceho nábrežia v danom okamihu.

difrakcie

Laser rozptyľovaný šesťuholníkovou štrbinou. Lienzocian

Vlnové správanie svetla je jasne preukázané dvoma dôležitými javmi, ktoré vznikajú pri jeho šírení: difrakcia a interferencia. V difrakcii sú vlny, či už vody, zvuku alebo svetla, deformované, keď prechádzajú otvormi, okolo prekážok alebo okolo rohov.

Ak je otvor v porovnaní s vlnovou dĺžkou veľký, skreslenie nie je príliš veľké, ale ak je otvor malý, zmena tvaru vlny je zreteľnejšia. Difrakcia je výhradnou vlastnosťou vĺn, takže keď svetlo vykazuje difrakciu, vieme, že má vlnové správanie.

Rušenie a polarizácia

K rušeniu svetla dochádza, keď sa prekrývajú elektromagnetické vlny, ktoré ich tvoria. Pritom sa pridávajú vektorovo, čo by mohlo spôsobiť dva typy rušenia:

- Konštruktívne, keď je intenzita výslednej vlny väčšia ako intenzita komponentov.

- deštruktívne, ak je intenzita menšia ako intenzita komponentov.

K rušeniu svetelnými vlnami dochádza, keď sú vlny monochromatické a stále udržiavajú rovnaký fázový rozdiel. Toto sa nazýva konzistentnosť. Takéto svetlo môže pochádzať napríklad z lasera. Bežné zdroje, ako napríklad žiarovky, nevytvárajú koherentné svetlo, pretože svetlo emitované miliónmi atómov vo vlákne sa neustále mení.

Ak je však na tú istú žiarovku umiestnený nepriehľadný tieň s dvoma malými otvormi blízko seba, svetlo, ktoré vychádza z každej štrbiny, pôsobí ako súvislý zdroj.

Nakoniec, keď sú kmity elektromagnetického poľa všetky v rovnakom smere, dochádza k polarizácii. Prirodzené svetlo nie je polarizované, pretože je tvorené mnohými komponentmi, z ktorých každá osciluje iným smerom.

Youngov experiment

Začiatkom 19. storočia anglický fyzik Thomas Young ako prvý získal koherentné svetlo s bežným svetelným zdrojom.

Vo svojom slávnom experimente s dvoma štrbinami prešiel svetlom štrbinou na nepriehľadnej obrazovke. Podľa Huygensovho princípu sa generujú dva sekundárne zdroje, ktoré zase prechádzajú druhou nepriehľadnou obrazovkou s dvoma štrbinami.

Obrázok 6. Animácia Youngovho experimentu s dvoma štrbinami. Zdroj: Wikimedia Commons.

Takto získané svetlo osvetlilo stenu v tmavej miestnosti. To, čo bolo viditeľné, bol vzor pozostávajúci zo striedajúcich sa svetlých a tmavých oblastí. Existencia tohto vzoru je vysvetlená javom rušenia opísaným vyššie.

Youngov experiment bol veľmi dôležitý, pretože odhalil vlnovú povahu svetla. Následne sa experiment uskutočnil so základnými časticami, ako sú elektróny, neutróny a protóny, s podobnými výsledkami.

Javy svetla

odraz

Odraz svetla vo vode

Keď lúč svetla dopadne na povrch, niektoré svetlo sa môže odraziť a niektoré absorbovať. Ak je to priehľadné médium, časť svetla ním pokračuje.

Povrch môže byť tiež hladký ako zrkadlo alebo drsný a nerovný. Odraz, ktorý sa vyskytuje na hladkom povrchu, sa nazýva zrkadlový odraz, inak je to difúzny alebo nepravidelný odraz. Vysoko leštený povrch, napríklad zrkadlo, môže odrážať až 95% dopadajúceho svetla.

Spekulárny odraz

Obrázok ukazuje lúč svetla putujúci v médiu, ktorým môže byť vzduch. Spadá pod uhlom t Vstup ₁ na rovinné zrkadlové plochy a odráža sa pod uhlom t Vstup ₂ . Čiara označená ako normálna je kolmá na povrch.

Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu. Zdroj: Serway. R. Fyzika pre vedu a techniku.

Incident aj odrazený lúč a kolmá na zrkadlový povrch sú v rovnakej rovine. Starí Gréci už pozorovali, že uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu:

Tento matematický výraz je zákon odrazu svetla. Odrážajú sa však aj iné vlny, napríklad zvuk.

Väčšina povrchov je drsná, a preto je odraz svetla difúzny. Týmto spôsobom je svetlo, ktoré odrážajú, vysielané do všetkých smerov, takže predmety sú viditeľné odkiaľkoľvek.

Pretože niektoré vlnové dĺžky sa odrážajú viac ako iné, objekty majú rôzne farby.

Napríklad listy stromov odrážajú svetlo, ktoré je približne v strede viditeľného spektra, čo zodpovedá zelenej farbe. Zvyšné viditeľné vlnové dĺžky sú absorbované: z ultrafialového žiarenia blízko k modrej (350 - 450 nm) a červeného svetla (650 - 700 nm).

lom svetla

Fenomén lomu. Josell7

K lomu svetla dochádza, pretože svetlo prechádza rôznymi rýchlosťami v závislosti od média. Vo vákuu je rýchlosť svetla c = 3 x ¹⁰⁸ m / s, ale keď svetlo dosiahne materiálové médium, vznikajú absorpčné a emisné procesy, ktoré spôsobujú pokles energie a tým aj rýchlosť.

Napríklad pri pohybe vo vzduchu svetlo cestuje takmer rovnakou rýchlosťou ako c, ale vo vode cestuje svetlo pri troch štvrtinách c, zatiaľ čo v skle cestuje približne pri dvoch tretinách c.

Index lomu

Index lomu je n a je definovaný ako podiel medzi rýchlosťou svetla vo vákuu c a jeho rýchlosťou v uvedenom médiu v:

Index lomu je vždy vyšší ako 1, pretože rýchlosť svetla vo vákuu je vždy vyššia ako v materiálnom médiu. Niektoré typické hodnoty n sú:

-Air: 1.0003

- Voda: 1,33

-Sklo: 1,5

-Diamond: 2,42

Snellov zákon

Keď lúč svetla šikmo zasiahne hranicu medzi dvoma médiami, napríklad vzduchom a sklom, časť svetla sa odrazí a ďalšia časť pokračuje v ceste do skla.

V tomto prípade sa pri prechode z jedného média na druhé mení vlnová dĺžka a rýchlosť, ale nie frekvencia. Pretože v = c / n = λ.f a tiež vo vákuu, c = λo. f, potom máme:

To znamená, že vlnová dĺžka v danom médiu je vždy menšia ako vlnová dĺžka vo vákuu λo.

Obrázok 8. Snellov zákon. Zdroj: Ľavá číslica: schéma lomu svetla. Rex, A. Základy fyziky. Pravá postava: Wikimedia Commons. Josell7.

Všimnite si trojuholníky, ktoré majú spoločnú preponu červenou farbou. V každom médiu, prepona opatrenia lambda ₁ / sin θ ₁ a λ ₂ / sin θ ₂ v tomto poradí, pretože λ a v sú úmerné, teda:

Pretože λ = λ _o / n máme:

Ktoré možno vyjadriť ako:

Toto je vzorec Snellovho zákona na počesť holandského matematika Willebrorda Snella (1580 - 1626), ktorý ho odvodil experimentálne pozorovaním svetla prechádzajúceho zo vzduchu do vody a skla.

Alternatívne je Snellov zákon napísaný z hľadiska rýchlosti svetla v každom médiu, pričom sa používa definícia indexu lomu: n = c / v:

rozptyl

Ako je vysvetlené vyššie, svetlo sa skladá z fotónov s rôznymi energiami a každá energia sa vníma ako farba. Biele svetlo obsahuje fotóny všetkých energií, a preto sa môže rozdeliť na rôzne farebné svetlá. Toto je rozptyl svetla, ktorý už Newton študoval.

Kvapky vody v atmosfére sa správajú ako malé hranoly. Zdroj: Pixabay.

Newton vzal optický hranol, prešiel cez lúč bieleho svetla a získal farebné pruhy od červenej po fialovú. Tento okraj je spektrum viditeľného svetla, ktoré je vidieť na obrázku 2.

Rozptyl svetla je prírodný jav, ktorého krásu obdivujeme na oblohe, keď sa vytvára dúha. Slnečné svetlo dopadá na kvapôčky vody v atmosfére, ktoré pôsobia ako malé Newtonove hranoly, čím rozptyľujú svetlo.

Modrá farba, s ktorou vidíme nebo, je tiež dôsledkom rozptylu. Atmosféra bohatá na dusík a kyslík rozptyľuje hlavne odtiene modrej a fialovej, ale ľudské oko je citlivejšie na modrú, a preto vidíme oblohu tejto farby.

Keď je Slnko na obzore nižšie, počas východu alebo západu slnka, obloha sa zmení na oranžovú vďaka skutočnosti, že svetelné lúče musia prechádzať silnejšou vrstvou atmosféry. Červenkasté tóny nižších frekvencií interagujú menej s prvkami atmosféry a využívajú sa priamo na povrch.

Atmosféry bohaté na prach a znečistenie, ako napríklad tie v niektorých veľkých mestách, majú kvôli rozptylu nízkych frekvencií šedivú oblohu.

Teórie svetla

Svetlo bolo považované predovšetkým za časticu alebo vlnu. Korpuskulárna teória, ktorú Newton bránil, považovala svetlo za lúč častíc. Zatiaľ čo odrazenie a lom sa dajú primerane vysvetliť predpokladom, že svetlo je vlna, ako tvrdil Huygens.

Ale dávno predtým, ako títo pozoruhodní vedci začali uvažovať o povahe svetla. Medzi nimi nemohol chýbať ani grécky filozof Aristoteles. Tu je stručné zhrnutie teórií svetla v čase:

Aristotelská teória

Pred 2 500 rokmi Aristoteles tvrdil, že z očí pozorovateľa vyšlo svetlo, osvetlené objekty a nejakým spôsobom sa vrátil s obrazom, aby ho človek mohol oceniť.

Newtonova korpuskulárna teória

Newton veril, že svetlo pozostáva z malých častíc, ktoré sa šíria v priamej línii vo všetkých smeroch. Keď sa dostanú do očí, zaregistrujú pocit ako svetlo.

Huygensova vlnová teória

Huygens publikoval prácu s názvom Pojednanie o svetle, v ktorej navrhol, že ide o rušenie média podobné zvukovým vlnám.

Maxwellova elektromagnetická teória

Hoci experiment s dvojitou štrbinou nenechal žiadne pochybnosti o vlnovej povahe svetla, pre väčšinu 19. storočia existovali špekulácie o tom, aký typ vlny to bolo, až kým Maxwell vo svojej elektromagnetickej teórii neuviedol, že svetlo pozostávalo z šírenie elektromagnetického poľa.

Svetlo ako elektromagnetická vlna vysvetľuje fenomény šírenia svetla, ako je opísané v predchádzajúcich častiach, a je to koncept akceptovaný súčasnou fyzikou, ako aj korpuskulárna povaha svetla.

Einsteinova korpuskulárna teória

Podľa modernej koncepcie svetla pozostáva z bezhmotných a nenabitých častíc nazývaných fotóny. Napriek tomu, že nemajú masu, majú dynamiku a energiu, ako je vysvetlené vyššie. Táto teória úspešne vysvetľuje spôsob, akým svetlo interaguje s hmotou, výmenou energie v diskrétnych (kvantizovaných) množstvách.

Albert Einstein navrhol existenciu kvanta svetla na vysvetlenie fotoelektrického účinku, ktorý objavil Heinrich Hertz pred niekoľkými rokmi. Fotoelektrický efekt spočíva v emisii elektrónov látkou, na ktorú bol zasiahnutý určitý typ elektromagnetického žiarenia, takmer vždy v rozmedzí od ultrafialového do viditeľného svetla.

Referencie

1. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 7. Vlny a kvantová fyzika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Fyzika. Teórie svetla. Získané z: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6 .. Ed Prentice Hall.
4. Vlny. Fermatov princíp. Získané z: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fyzika. Santillana Hypertext.
7. Serway, R. 2019. Fyzika pre vedu a techniku. 10 .. Vydanie. Zväzok 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Úvod do fyzikálnej vedy. Dvanáste vydanie. Brooks / Cole, vydania Cengage.
9. Wikipedia. Svetlo. Obnovené z: es.wikipedia.org.