الضوء (البصريات): التعريف والوحدات والمصادر (مع الطيف)

يتيح لنا فهم الضوء فهم كيفية رؤيتنا وإدراكنا للألوان وحتى تصحيح رؤيتنا باستخدام العدسات. في مجالبصرياتيشير إلى دراسة الضوء.

في الحديث اليومي ، غالبًا ما تعني كلمة "ضوء" حقًاضوء مرئي، وهو النوع الذي تراه عين الإنسان. ومع ذلك ، يأتي الضوء في أشكال أخرى كثيرة ، لا يستطيع البشر رؤيتها في الغالبية العظمى منها.

مصدر كل الضوء هو الكهرومغناطيسية ، والتفاعل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تتخلل الفضاء.موجات الضوءهي شكل من أشكالالاشعاع الكهرومغناطيسي; الشروط قابلة للتبديل. على وجه التحديد ، الموجات الكهرومغناطيسية هي اهتزازات ذاتية الانتشار في المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

بمعنى آخر ، الضوء هو اهتزاز في مجال كهرومغناطيسي. يمر عبر الفضاء كموجة.

• سرعة الضوء في الفراغ 3 × 10⁸ م / ث ، أسرع سرعة في الكون!

إنها سمة فريدة وغريبة لوجودنا أنه لا شيء يسافر أسرع من الضوء. وعلى الرغم من أن كل الضوء ، سواء كان مرئيًا أم لا ، يسافر بنفس السرعة ، عندما يصادفهشيء، فإنه يبطئ. نظرًا لأن الضوء يتفاعل مع المادة (التي لا توجد في الفراغ) ، فكلما كانت المادة أكثر كثافة ، كان انتقالها أبطأ.

تشير تفاعلات الضوء مع المادة إلى خصائص أخرى مهمة: طبيعة الجسيمات. من أغرب الظواهر في الكون ، الضوء في الواقع هو شيئين في وقت واحد: موجة وجسيم. هذا

في بعض الأحيان ، يجد الفيزيائيون أنه من المفيد جدًا التفكير في الضوء كموجة ، وتطبيق الكثير من نفس الرياضيات والخصائص التي تصف الموجات الصوتية والموجات الميكانيكية الأخرى. في حالات أخرى ، يكون نمذجة الضوء كجسيم أكثر ملاءمة ، على سبيل المثال عند النظر في علاقته بمستويات الطاقة الذرية أو المسار الذي سيتخذه عندما ينعكس عن المرآة.

إذا كان كل الضوء ، سواء كان مرئيًا أم لا ، هو نفس الشيء تقنيًا - الإشعاع الكهرومغناطيسي - فما الذي يميز نوعًا عن الآخر؟ خصائصه الموجية.

توجد الموجات الكهرومغناطيسية في طيف من الأطوال الموجية والترددات المختلفة. كموجة ، تتبع سرعة الضوء معادلة سرعة الموجة ، حيث تكون السرعة مساوية لحاصل ضرب الطول الموجي والتردد:

في هذه المعادلة ،الخامسهي سرعة الموجة بالأمتار في الثانية (م / ث) ،λهو الطول الموجي بالأمتار (م) وFهو التردد بالهرتز (هرتز).

في حالة الضوء ، يمكن إعادة كتابة هذا باستخدام المتغيرجلسرعة الضوء في الفراغ:

• ​جهو متغير خاص يمثل سرعة الضوء في الفراغ. في الوسائط الأخرى (المواد) ، يمكن التعبير عن سرعة الضوء كجزء منج.​

تشير هذه العلاقة إلى أن الضوء يمكن أن يكون له أي مزيج من الطول الموجي أو التردد ، طالما أن القيم متناسبة عكسيًا ومنتجها يساويج. بمعنى آخر ، يمكن أن يكون للضوء امتدادكبيرتردد وصغيرالطول الموجي أو العكس.

في الأطوال الموجية والترددات المختلفة ، للضوء خصائص مختلفة. لذلك ، قسم العلماء الطيف الكهرومغناطيسي إلى مقاطع تمثل هذه الخصائص. على سبيل المثال ، تعتبر الترددات العالية جدًا للإشعاع الكهرومغناطيسي ، مثل الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو أشعة جاما ، نشطة للغاية - بما يكفي لاختراق أنسجة الجسم وإلحاق الضرر بها. البعض الآخر ، مثل موجات الراديو ، لها ترددات منخفضة جدًا ولكن أطوال موجية عالية ، وهي تمر عبر الأجسام دون عوائق طوال الوقت. (نعم ، إشارة الراديو التي تحمل مسارات DJ المفضلة لديك عبر الهواء إلى جهازك هي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي - الضوء!)

أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي من الأطوال الموجية الأطول / الترددات المنخفضة / الطاقة المنخفضة إلى الأطوال الموجية الأقصر / الترددات الأعلى / الطاقة العالية هي:

• موجات الراديو
• المايكرويف
• موجات الأشعة تحت الحمراء
• ضوء مرئي
• ضوء الأشعة فوق البنفسجية
• الأشعة السينية
• أشعة غاما

[أدخل مخططًا للطيف الكهرومغناطيسي]

يمتد طيف الضوء المرئي بأطوال موجية من 380 إلى 750 نانومتر (1 نانومتر يساوي 10^-9 متر - واحد من المليار من المتر ، أو حوالي قطر ذرة الهيدروجين). يشمل هذا الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي جميع ألوان قوس قزح - الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والنيلي والبنفسجي - المرئية للعين.

[تضمين رسم تخطيطي مع انفجار الطيف المرئي]

نظرًا لأن اللون الأحمر له أطول طول موجي للألوان المرئية ، فإن له أيضًا أصغر تردد وبالتالي أقل طاقة. والعكس صحيح بالنسبة للبلوز والبنفسج. لأن طاقة الألوان ليست هي نفسها ، وكذلك درجة حرارتها. في الواقع ، أدى قياس هذه الفروق في درجات الحرارة في الضوء المرئي إلى اكتشاف وجود ضوء آخرغير مرئىإلى البشر.

في عام 1800 ، ابتكر السير فريدريك ويليام هيرشل تجربة لقياس الفرق في درجات الحرارة لألوان مختلفة من ضوء الشمس الذي فصله باستخدام المنشور. بينما وجد بالفعل درجات حرارة مختلفة في مناطق ألوان مختلفة ، فقد فوجئ برؤية الأكثر سخونة جميع درجات الحرارة المسجلة على مقياس الحرارة خلف اللون الأحمر مباشرة ، حيث يبدو أنه لا يوجد ضوء عند الكل. كان هذا أول دليل على وجود ضوء أكثر مما يمكن للبشر رؤيته. سمى النور في هذه المنطقةالأشعة تحت الحمراء، والذي يترجم مباشرة إلى "تحت الأحمر".

الضوء الأبيض ، عادة ما ينبعث من المصباح القياسي ، هو مزيج من كل الألوان. الأسود ، في المقابل ، هوغيابمن أي ضوء - ليس حقًا لونًا على الإطلاق!

ينظر مهندسو وعلماء البصريات إلى الضوء بطريقتين مختلفتين عند تحديد كيفية ارتداده وتجميعه وتركيزه. كلا الوصفين ضروريان للتنبؤ بالشدة النهائية للضوء وموقعه لأنه يركز من خلال العدسات أو المرايا.

في حالة واحدة ، ينظر أخصائيو البصريات إلى الضوء على أنه سلسلة منجبهات الموجة المستعرضة، والتي هي عبارة عن موجات متكررة جيبية أو على شكل حرف S مع قمم وقيعان. هذا الالبصريات الفيزيائيةالنهج ، حيث يستخدم الطبيعة الموجية للضوء لفهم كيفية تفاعل الضوء مع نفسه و يؤدي إلى أنماط من التداخل ، بنفس الطريقة التي يمكن بها للموجات في الماء أن تكثف أو تلغي إحداها خارج آخر.

بدأت البصريات الفيزيائية بعد عام 1801 عندما اكتشف توماس يونغ خصائص موجات الضوء. يساعد على شرح طريقة عمل الأدوات البصرية مثل حواجز الانعراج ، والتي تفصل بين طيف الضوء في الأطوال الموجية المكونة له ، وعدسات الاستقطاب ، التي تحجب بعضًا أطوال موجية.

الطريقة الأخرى للتفكير في الضوء هي كملفشعاع، شعاع يتبع مسار خط مستقيم. يرسم الشعاع كخط مستقيم ينبعث من مصدر الضوء ويشير إلى الاتجاه الذي ينتقل فيه الضوء. التعبير عن الضوء كشعاع مفيد فيالبصريات الهندسية، والتي تتعلق أكثر بالطبيعة الجسيمية للضوء.

يعد رسم المخططات الشعاعية التي توضح مسار الضوء أمرًا بالغ الأهمية لتصميم أدوات التركيز على الضوء مثل العدسات والمنشورات والمجاهر والتلسكوبات والكاميرات. كانت البصريات الهندسية موجودة لفترة أطول من البصريات الفيزيائية - بحلول عام 1600 ، عصر السير إسحاق نيوتن ، كانت العدسات التصحيحية للرؤية شائعة.