LJUS: HISTORIA, NATUR, BETEENDE, FÖRÖKNING - FYSISK

Den ljus är en elektromagnetisk våg kan detekteras genom synriktningen. Det utgör en del av det elektromagnetiska spektrumet: det som kallas synligt ljus. Under åren har olika teorier föreslagits för att förklara dess natur.

Till exempel trodde man att ljuset bestod av en ström av partiklar som släpptes ut av föremål eller av ögonen från observatörer länge. Denna tro av araberna och de antika grekerna delades av Isaac Newton (1642-1727) för att förklara ljusfenomenen.

Bild 1. Himlen är blå tack vare spridningen av solljus i atmosfären. Källa: Pixabay.

Även om Newton kom att misstänka att ljus hade vågkvaliteter och Christian Huygens (1629-1695) lyckades förklara brytning och reflektion med en vågteori, var tron på ljus som en partikel utbredd bland alla forskare fram till början av 1800-talet. .

I början av det seklet visade den engelska fysikern Thomas Young utan tvekan att ljusstrålar kan störa varandra, precis som mekaniska vågor gör i strängar.

Det kunde bara betyda att ljuset var en våg och inte en partikel, även om ingen visste vilken typ av våg det var förrän 1873 hävdade James Clerk Maxwell att ljus var en elektromagnetisk våg.

Med stöd av de experimentella resultaten från Heinrich Hertz 1887 fastställdes ljusets vågkaraktär som ett vetenskapligt faktum.

Men i början av 1900-talet framkom nya bevis om ljusets corpuskulära natur. Denna natur finns i emission- och absorptionsfenomen, där ljusenergi transporteras i paket som kallas "fotoner".

Eftersom ljuset förökas som en våg och interagerar med materien som en partikel, kännetecknas således en dubbel natur i ljuset: vågpartikel.

Ljusens natur

Det är uppenbart att ljusets natur är dubbelt, som sprider sig som en elektromagnetisk våg, vars energi kommer i fotoner.

Dessa, som inte har någon massa, rör sig i ett vakuum med en konstant hastighet av 300 000 km / s. Det är den kända ljushastigheten i ett vakuum, men ljus kan färdas genom andra media, om än med olika hastigheter.

När fotonerna når våra ögon aktiveras sensorerna som upptäcker ljusets närvaro. Informationen överförs till hjärnan och tolkas där.

När en källa avger ett stort antal fotoner ser vi det som en ljus källa. Om den tvärtom släpper ut få, tolkas den som en ogenomskinlig källa. Varje foton har en viss energi, som hjärnan tolkar som en färg. Till exempel är blå fotoner mer energiska än röda fotoner.

Varje källa avger generellt fotoner med olika energier, därmed färgen som den ses med.

Om inget annat avger fotoner med en enda typ av energi, kallas det monokromatiskt ljus. Lasern är ett bra exempel på monokromatiskt ljus. Slutligen kallas distributionen av fotoner i en källa ett spektrum.

En våg kännetecknas också av att ha en viss våglängd. Som vi säger tillhör ljus till det elektromagnetiska spektrumet, som täcker ett extremt brett våglängdsområde, från radiovågor till gammastrålar. Följande bild visar hur en stråle med vitt ljus sprider ett triangulärt prisma. Ljus separeras i långa (röda) och korta (blå) våglängder.

I mitten är det smala bandet med våglängder känt som det synliga spektrumet, som sträcker sig från 400 nanometer (nm) till 700 nm.

Bild 2. Det elektromagnetiska spektrumet visar intervallet för synligt ljus. Källa: Källa: Wikimedia Commons. Författare: Horst Frank.

Ljus beteende

Ljus har dubbelt, våg- och partikelbeteende som undersökt. Ljus sprider sig på samma sätt som en elektromagnetisk våg, och som sådan kan det transportera energi. Men när ljus interagerar med materien, uppträder det som en stråle av partiklar som kallas fotoner.

Bild 4. Förökning av en elektromagnetisk våg. Källa: Wikimedia Commons. SuperManu.

År 1802 visade fysikern Thomas Young (1773-1829) att ljus hade ett vågbeteende med hjälp av dubbelslitsexperimentet.

På detta sätt kunde han producera maximala och minsta störningar på en skärm. Detta beteende är typiskt för vågor och därmed kunde Young visa att ljus var en våg och också kunde mäta dess våglängd.

Den andra aspekten av ljus är en partikel, representerad av paket med energi som kallas fotoner, som i vakuum rör sig med hastigheten c = 3 x 10 ⁸ m / s och inte har någon massa. Men de har E-energi:

Och också storleksmoment:

Där h är Plancks konstant, vars värde är 6,63 x 10 ^-34 Joule.sekund och f är vågens frekvens. Kombinera dessa uttryck:

Och eftersom våglängden λ och frekvensen är relaterade med c = λ.f kvarstår:

Huygens princip

Figur 5. Vågstrålar och ljusstrålar som sprider sig i en rak linje. Källa: Serway. R. Fysik för vetenskap och teknik.

När man studerar ljusets beteende finns det två viktiga principer att tänka på: Huygens princip och Fermats princip. Huygens princip säger att:

Varför sfäriska vågor? Om vi antar att mediet är homogent, kommer det ljus som släpps ut från en punktkälla att spridas i alla riktningar lika. Vi kan föreställa oss att ljus sprider sig i mitten av en stor sfär med strålarna jämnt fördelade. Den som observerar detta ljus uppfattar att det rör sig i en rak linje mot ögat och rör sig vinkelrätt mot vågfronten.

Om ljusstrålarna kommer från en mycket avlägsen källa, till exempel solen, är vågfronten platt och strålarna är parallella. Detta är vad den geometriska optiken tillvägagångssätt handlar om.

Fermats princip

Fermats princip säger att:

Denna princip har sitt namn till den franska matematikern Pierre de Fermat (1601-1665), som först etablerade den 1662.

Enligt denna princip sprider ljuset i ett homogent medium med konstant hastighet, därför har det en enhetlig rätlinjig rörelse och dess bana är en rak linje.

Förökning av ljus

Ljus rör sig som en elektromagnetisk våg. Både det elektriska fältet och magnetfältet genererar varandra och utgör sammankopplade vågor som är i fas och är vinkelräta mot varandra och utbredningsriktningen.

I allmänhet kan en våg som utbreder sig i rymden beskrivas i termer av vågfronten. Detta är den uppsättning punkter som har lika amplitud och fas. Genom att känna till vågfronternas läge vid ett givet ögonblick kan varje efterföljande plats vara känd, enligt Huygens princip.

Diffraktion

Laser avviks av en sexkantig slits. Lienzocian

Ljus vågbeteende framgår tydligt av två viktiga fenomen som uppstår under dess spridning: diffraktion och interferens. Vid diffraktion förvanskas vågor, oavsett om det är vatten, ljud eller ljus, när de passerar genom öppningar, går runt hinder eller går runt hörnen.

Om bländaren är stor jämfört med våglängden är distorsionen inte särskilt stor, men om bländaren är liten är förändringen i vågformen mer synlig. Diffraktion är en exklusiv egenskap hos vågor, så när ljus uppvisar diffraktion vet vi att det har vågbeteende.

Interferens och polarisering

För sin del inträffar ljusstörningar när de elektromagnetiska vågorna som komponerar dem överlappar varandra. När man gör det läggs de vektorellt och det kan ge upphov till två typer av störningar:

–Konstruktiv när intensiteten hos den resulterande vågen är större än intensiteten hos komponenterna.

–Destruktiv om intensiteten är mindre än för komponenterna.

Ljusvågstörningar inträffar när vågorna är monokromatiska och upprätthåller samma fasskillnad hela tiden. Detta kallas konsistens. Ett sådant ljus kan till exempel komma från en laser. Vanliga källor som glödlampor producerar inte sammanhängande ljus eftersom ljuset som släpps ut av miljoner atomer i glödtråden ständigt förändrar fas.

Men om en ogenomskinlig nyans med två små öppningar nära varandra placeras på samma glödlampa, fungerar ljuset som kommer ut från varje spår som en sammanhängande källa.

Slutligen, när svängningarna i det elektromagnetiska fältet alla är i samma riktning, sker polarisering. Naturligt ljus är inte polariserat, eftersom det består av många komponenter, var och en svänger i en annan riktning.

Youngs experiment

I början av 1800-talet var den engelska fysikern Thomas Young den första som fick sammanhängande ljus med en vanlig ljuskälla.

I sitt berömda dubbelslitsexperiment passerade han ljus genom en slits i en ogenomskinlig skärm. Enligt Huygens-principen genereras två sekundära källor, som i sin tur passerade genom en andra ogenomskinlig skärm med två slitsar.

Bild 6. Animering av Youngs dubbelslitsexperiment. Källa: Wikimedia Commons.

Det således erhållna ljuset upplyste en vägg i ett mörkt rum. Det som var synligt var ett mönster bestående av alternerande ljusa och mörka områden. Förekomsten av detta mönster förklaras av fenomenet störningar som beskrivs ovan.

Youngs experiment var mycket viktigt eftersom det avslöjade ljusets vågart. Därefter har experimentet genomförts med grundläggande partiklar som elektroner, neutroner och protoner, med liknande resultat.

Fenomen av ljus

Reflexion

Reflektion av ljus i vattnet

När en ljusstråle träffar en yta kan en del av ljuset reflekteras och en del absorberas. Om det är ett transparent medium fortsätter en del av ljuset igenom det.

Ytan kan också vara slät, som en spegel, eller grov och ojämn. Reflektionen som sker på en slät yta kallas spekulär reflektion, annars är det diffus reflektion eller oregelbunden reflektion. En mycket polerad yta, såsom en spegel, kan reflektera upp till 95% av det infallande ljuset.

Speciell reflektion

Figuren visar en ljusstråle som rör sig i ett medium, vilket kan vara luft. Den faller i vinkeln θ ₁ på en plan spetsig yta och reflekteras i vinkeln θ ₂ . Linjen betecknad som normal är vinkelrätt mot ytan.

Incidensvinkeln är lika med reflektionsvinkeln. Källa: Serway. R. Fysik för vetenskap och teknik.

Både incidenten och den reflekterade strålen och den normala till den spekulära ytan är i samma plan. De gamla grekerna hade redan observerat att infallsvinkeln är lika med reflektionsvinkeln:

Detta matematiska uttryck är lagen för reflektion av ljus. Men andra vågor som exempelvis ljud kan också reflekteras.

De flesta ytor är grova, och därför är ljusreflektion diffus. På detta sätt skickas det ljus de reflekterar till alla riktningar så att objekt kan ses var som helst.

Eftersom vissa våglängder reflekteras mer än andra, har objekt olika färger.

Till exempel återspeglar trädens löv ljus som är ungefär mitt i det synliga spektrumet, vilket motsvarar färgen grön. Resten av de synliga våglängderna absorberas: från ultraviolett nära blått (350-450 nm) och rött ljus (650-700 nm).

Refraktion

Refraktionsfenomen. Josell7

Ljusbrytning inträffar eftersom ljuset rör sig med olika hastigheter beroende på mediet. I ett vakuum är ljusets hastighet c = 3 x 10 ⁸ m / s, men när ljuset når ett materialmedium uppstår absorptions- och utsläppsprocesser som får energin att minska och därmed hastigheten.

Till exempel, när man rör sig i luften, reser ljuset med nästan lika hastighet till c, men i vatten går ljuset med tre fjärdedelar av c, medan det i glaset reser med ungefär två tredjedelar av c.

Brytningsindex

Brytningsindexet betecknas n och definieras som kvoten mellan ljusets hastighet i ett vakuum c och dess hastighet i nämnda medium v:

Brytningsindexet är alltid större än 1, eftersom ljusets hastighet i ett vakuum alltid är större än i ett materialmedium. Några typiska värden för n är:

-Loft: 1.0003

-Vatten: 1,33

-Glas: 1,5

-Diamond: 2,42

Snells lag

När en ljusstråle träffar gränsen mellan två media snett, till exempel luft och glas, reflekteras en del av ljuset och en annan del fortsätter sin väg in i glaset.

I detta fall genomgår våglängden och hastigheten en variation när man passerar från ett medium till ett annat, men inte frekvensen. Eftersom v = c / n = λ.f och även i ett vakuum c = λo. f, då har vi:

Det vill säga våglängden i ett givet medium är alltid mindre än våglängden i vakuum X.

Bild 8. Snells lag. Källa: Vänster figur: diagram över ljusets brytning. Rex, A. Fundamentals of Physics. Höger figur: Wikimedia Commons. Josell7.

Notera trianglarna som har en gemensam hypotenus i rött. I varje medium mäter hypotenusen λ ₁ / sin θ ₁ respektive λ ₂ / sin θ ₂ , eftersom λ och v är proportionella, därför:

Eftersom λ = λ _o / n har vi:

Vilket kan uttryckas som:

Detta är formeln för Snells lag, till hedern för den holländska matematikern Willebrord Snell (1580-1626), som härledde den experimentellt genom att observera ljus som passerar från luft till vatten och glas.

Alternativt är Snells lag skriven i termer av ljusets hastighet i varje medium, med användning av definitionen av brytningsindex: n = c / v:

Dispersion

Som förklarats ovan består ljus av fotoner med olika energier, och varje energi uppfattas som en färg. Vitt ljus innehåller fotoner av alla energier och kan därför delas upp i olika färgade ljus. Detta är ljusets spridning, som redan hade studerats av Newton.

Vattendroppar i atmosfären bete sig som små prismor. Källa: Pixabay.

Newton tog ett optiskt prisma, passerade en stråle med vitt ljus genom det och fick färgade ränder som sträckte sig från röd till violet. Denna frans är spektrumet av synligt ljus sett i figur 2.

Ljusspridning är ett naturfenomen som vi beundrar på himlen när regnbågen bildas. Solljus faller på vattendroppar i atmosfären, som fungerar som små Newton-liknande prismor och därmed sprider ljuset.

Den blå färgen som vi ser himlen med är också en konsekvens av spridningen. Rik på kväve och syre sprider atmosfären huvudsakligen nyanser av blått och lila, men det mänskliga ögat är mer känsligt för blått och därför ser vi himlen i denna färg.

När solen är lägre i horisonten, under soluppgång eller solnedgång, blir himlen orange tack vare att ljusstrålarna måste passera genom ett tjockare lager av atmosfären. De rödaktiga tonerna med lägre frekvenser interagerar mindre med atmosfärens element och drar nytta av att nå ytan direkt.

Atmosfärer som är rikliga med damm och föroreningar, som i vissa stora städer, har gråaktiga himmel på grund av spridningen av låga frekvenser.

Teorier om ljus

Ljus har primärt betraktats som en partikel eller som en våg. Den corpuskulära teorin som Newton försvarade betraktade ljus som en stråle av partiklar. Medan reflektion och brytning kunde tillräckligt förklaras genom att anta att ljus var en våg, som Huygens hävdade.

Men långt innan dessa anmärkningsvärda forskare hade folk redan spekulerat i ljusets natur. Bland dem kunde den grekiska filosofen Aristoteles inte vara frånvarande. Här är en kort sammanfattning av teorier om ljus över tid:

Aristotelisk teori

För 2500 år sedan hävdade Aristoteles att ljus kom ut från observatörens ögon, upplyste föremål och återvände på något sätt med bilden så att det kunde uppskattas av personen.

Newtons korpuskulära teori

Newton trodde att ljus bestod av små partiklar som sprider sig i en rak linje i alla riktningar. När de når ögonen registrerar de sensationen som ljus.

Huygens vågteori

Huygens publicerade ett verk som heter Treatise on light där han föreslog att detta var en störning av mediet som liknar ljudvågor.

Maxwells elektromagnetiska teori

Även om dubbelslitsexperimentet lämnade inget tvivel om ljusets vågkaraktär, under stora delar av 1800-talet fanns det spekulationer om vilken typ av våg det var, tills Maxwell påstod i sin elektromagnetiska teori att ljus bestod av spridning av ett elektromagnetiskt fält.

Ljus som en elektromagnetisk våg förklarar ljusets förökningsfenomen som beskrivs i de föregående avsnitten och är ett begrepp som accepteras av den nuvarande fysiken, liksom ljusets corpuskulära natur.

Einsteins corpuskulära teori

Enligt den moderna ljusuppfattningen består den av masslösa och oladdade partiklar som kallas fotoner. Trots att de inte har massor har de fart och energi, som förklarats ovan. Denna teori förklarar framgångsrikt hur ljus interagerar med materien genom att utbyta energi i diskreta (kvantiserade) mängder.

Förekomsten av ljuskvanta föreslogs av Albert Einstein för att förklara den fotoelektriska effekten som upptäcktes av Heinrich Hertz några år tidigare. Den fotoelektriska effekten består av utsläpp av elektroner av ett ämne på vilket någon typ av elektromagnetisk strålning har påverkats, nästan alltid inom området från ultraviolett till synligt ljus.

referenser

Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik för vetenskap och teknik. Volym 7. Vågor och kvantfysik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
Physic. Teorier om ljus. Återställd från: fisic.ch.
Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6:e. Ed Prentice Hall.
Vågrörelse. Fermats princip. Återställd från: sc.ehu.es.
Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
Romero, O. 2009. Fysik. Santillana Hypertext.
Serway, R. 2019. Fysik för vetenskap och teknik. 10:e. Utgåva. Volym 2. Cengage.
Shipman, J. 2009. En introduktion till fysikalisk vetenskap. Tolfte upplagan. Brooks / Cole, Cengage Editions.
Wikipedia. Ljus. Återställd från: es.wikipedia.org.

LJUS: HISTORIA, NATUR, BETEENDE, FÖRÖKNING - FYSISK - 2025