Светлина (оптика): Определение, единици и източници (с / спектър)

Разбирането на светлината ни позволява да разберем как виждаме, възприемаме цвета и дори коригираме зрението си с лещи. Полето наоптикасе отнася до изследването на светлината.

Във всекидневната реч думата „светлина“ често наистина означаваВидима светлина, който е типът, възприет от човешкото око. Светлината обаче идва в много други форми, по-голямата част от които хората не могат да видят.

Източникът на цялата светлина е електромагнетизмът, взаимодействието на електрическите и магнитните полета, които проникват в пространството.Светлинни вълниса форма наелектромагнитно излъчване; условията са взаимозаменяеми. По-конкретно, електромагнитните вълни са саморазпространяващи се трептения в електрическо и магнитно поле.

С други думи, светлината е вибрация в електромагнитно поле. Той преминава през космоса като вълна.

• Скоростта на светлината във вакуум е 3 × 10⁸ m / s, най-бързата скорост във Вселената!

Това е уникална и причудлива черта на нашето съществуване, че нищо не пътува по-бързо от светлината. И въпреки че цялата светлина, независимо дали е видима или не, се движи със същата скорост, когато се сблъска

Взаимодействията на светлината с материята намекват за още една от важните й характеристики: природата на частиците. Едно от най-странните явления във Вселената, светлината всъщност е две неща едновременно: вълна и частица. Товадвойственост вълна-частицаправи изучаването на светлината донякъде зависимо от контекста.

Понякога физиците смятат, че е най-полезно да мислят за светлината като за вълна, като прилагат към нея голяма част от същата математика и свойства, които описват звуковите вълни и други механични вълни. В други случаи моделирането на светлината като частица е по-подходящо, например при разглеждане на връзката й с атомните енергийни нива или пътя, по който ще поеме, когато тя се отразява от огледалото.

Ако цялата светлина, видима или не, е технически едно и също нещо - електромагнитно излъчване - какво отличава един тип от друг? Неговите вълнови свойства.

Електромагнитните вълни съществуват в спектър с различни дължини и честоти на вълните. Като вълна скоростта на светлината следва уравнението на скоростта на вълната, където скоростта е равна на произведението на дължината на вълната и честотата:

В това уравнениеvе скоростта на вълната в метри в секунда (m / s),λе дължина на вълната в метри (m) иее честота в херци (Hz).

В случай на светлина, това може да бъде пренаписано с променливата° Сза скоростта на светлината във вакуум:

• ​° Се специална променлива, представляваща скоростта на светлината във вакуум. В други медии (материали) скоростта на светлината може да бъде изразена като част от° С.​

Тази връзка предполага, че светлината може да има всякаква комбинация от дължина на вълната или честота, стига стойностите да са обратно пропорционални и техният продукт да е равен° С. С други думи, светлината може да има aголямчестота и aмалъкдължина на вълната или обратно.

При различни дължини на вълни и честоти светлината има различни свойства. И така, учените са разделили електромагнитния спектър на сегменти, представляващи тези свойства. Например, много високите честоти на електромагнитното излъчване, като ултравиолетовите лъчи, рентгеновите лъчи или гама лъчите, са много енергични - достатъчно, за да проникнат и да навредят на телесните тъкани. Други, като радиовълните, имат много ниски честоти, но високи дължини на вълните и те преминават през тела безпрепятствено през цялото време. (Да, радиосигналът, пренасящ любимите ви DJ песни във въздуха към вашето устройство, е форма на електромагнитно излъчване - светлина!)

Формите на електромагнитното излъчване от по-дълги вълни / по-ниски честоти / ниска енергия до по-къси дължини на вълната / по-високи честоти / висока енергия са:

• Радио вълни
• Микровълни
• Инфрачервени вълни
• Видима светлина
• Ултравиолетова светлина
• Рентгенови лъчи
• Гама лъчи

[вмъкване на диаграма на ЕМ спектъра]

Спектърът на видимата светлина обхваща дължините на вълните от 380-750 нанометра (1 нанометър е равен на 10^-9 метри - една милиардна част от метър или около диаметъра на водородния атом). Тази част от електромагнитния спектър включва всички цветове на дъгата - червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово - които са видими за окото.

[Включете диаграма с издухване на видимия спектър]

Тъй като червеното има най-дългата дължина на вълната от видимите цветове, то има и най-малката честота и съответно най-ниската енергия. Обратното е вярно за блус и теменужки. Тъй като енергията на цветовете не е еднаква, нито температурата им. Всъщност измерването на тези температурни разлики във видимата светлина доведе до откриването на съществуването на друга светлинаневидимза хората.

През 1800 г. сър Фредерик Уилям Хершел измисля експеримент за измерване на разликата в температурите за различни цветове слънчева светлина, които той отделя с помощта на призма. Въпреки че наистина открива различни температури в различни цветови региони, той беше изненадан да види най-горещите температура на всички записани на термометъра точно над червеното, където изглежда не е имало светлина всичко. Това беше първото доказателство, че съществува повече светлина, отколкото хората могат да видят. Той кръсти светлината в този регионинфрачервена, което се превежда директно на „под червено“.

Бялата светлина, обикновено това, което издава стандартната крушка, е комбинация от всички цветове. За разлика от това черното еотсъствиена каквато и да е светлина - всъщност изобщо не е цвят!

Оптичните инженери и учени разглеждат светлината по два различни начина, когато определят как тя ще отскача, комбинира и фокусира. И двете описания са необходими, за да се предскаже крайният интензитет и местоположението на светлината, когато тя фокусира през лещи или огледала.

В един случай оптиците гледат на светлината като на серия отнапречни вълнови фронтове, които повтарят синусоидални или S-образни вълни с гребени и корита. Това ефизическа оптикаподход, тъй като използва вълновата природа на светлината, за да разбере как светлината взаимодейства със себе си и води до модели на смущения, по същия начин, по който вълните във водата могат да засилят или отменят един друг излезе.

Физическата оптика започва след 1801 г., когато Томас Йънг открива свойствата на светлинните вълни. Помага да се обясни работата на такива оптични инструменти като дифракционни решетки, които разделят спектър на светлината в нейните съставни дължини на вълната и поляризационни лещи, които блокират определени дължини на вълните.

Другият начин да мислим за светлината е като aлъч, лъч, следващ права линия. Лъчът е изчертан като права линия, излъчвана от източник на светлина и показваща посоката, в която се движи светлината. Изразяването на светлина като лъч е полезно вгеометрична оптика, което е свързано повече с природата на частиците на светлината.

Изчертаването на лъчеви диаграми, показващи пътя на светлината, е от решаващо значение за проектирането на такива инструменти за фокусиране на светлина като лещи, призми, микроскопи, телескопи и камери. Геометричната оптика съществува по-дълго от физическата оптика - към 1600 г., ерата на сър Исак Нютон, коригиращите лещи за зрението са били нещо обичайно.