Light (Optics): Definition, Units & Sources (w / Spectrum)

Porozumění světlu nám umožňuje pochopit, jak vidíme, vnímáme barvy a dokonce korigujeme své vidění pomocí čoček. Poleoptikaodkazuje na studium světla.

V každodenní řeči slovo „světlo“ často znamenáviditelné světlo, což je typ vnímaný lidským okem. Světlo však přichází v mnoha dalších formách, z nichž drtivou většinu lidé nemohou vidět.

Zdrojem veškerého světla je elektromagnetismus, souhra elektrických a magnetických polí, která prostupují prostorem.Světelné vlnyjsou formouelektromagnetická radiace; podmínky jsou zaměnitelné. Konkrétně jsou elektromagnetické vlny samovolně se šířící oscilace v elektrických a magnetických polích.

Jinými slovy, světlo je vibrace v elektromagnetickém poli. Prochází prostorem jako vlna.

• Rychlost světla ve vakuu je 3 × 10⁸ m / s, nejvyšší rychlost ve vesmíru!

Je to jedinečná a bizarní vlastnost naší existence, že nic necestuje rychleji než světlo. A i když všechno světlo, ať už viditelné nebo ne, cestuje stejnou rychlostí, když narazíhmota, zpomaluje. Protože světlo interaguje s hmotou (která ve vakuu neexistuje), čím je hmota hustší, tím pomaleji se pohybuje.

Interakce světla s hmotou naznačují další z jeho důležitých charakteristik: její částicovou povahu. Jeden z nejpodivnějších jevů ve vesmíru, světlo, jsou ve skutečnosti dvě věci najednou: vlna a částice. Tentodualita vlnových částicdělá studium světla poněkud závislým na kontextu.

Fyzikům občas připadá velmi užitečné myslet na světlo jako na vlnu a aplikovat na ni hodně stejné matematiky a vlastností, které popisují zvukové vlny a jiné mechanické vlny. V jiných případech je vhodnější modelování světla jako částice, například při zvažování jeho vztahu k úrovním atomové energie nebo dráze, kterou bude mít, když se odráží od zrcadla.

Pokud je všechno světlo, viditelné nebo ne, technicky totéž - elektromagnetické záření - co odlišuje jeden typ od druhého? Jeho vlnové vlastnosti.

Elektromagnetické vlny existují ve spektru různých vlnových délek a frekvencí. Jako vlna se rychlost světla řídí rovnicí rychlosti vlny, kde se rychlost rovná součinu vlnové délky a frekvence:

V této rovniciprotije rychlost vln v metrech za sekundu (m / s),λje vlnová délka v metrech (m) aFje frekvence v hertzích (Hz).

V případě světla to lze přepsat proměnnouCpro rychlost světla ve vakuu:

• ​Cje speciální proměnná představující rychlost světla ve vakuu. V jiných médiích (materiálech) lze rychlost světla vyjádřit jako zlomekC.​

Tento vztah znamená, že světlo může mít libovolnou kombinaci vlnové délky nebo frekvence, pokud jsou hodnoty nepřímo úměrné a jejich součin se rovnáC. Jinými slovy, světlo může mít avelkýfrekvence amalývlnová délka nebo naopak.

Při různých vlnových délkách a frekvencích má světlo různé vlastnosti. Vědci tedy rozdělili elektromagnetické spektrum na segmenty představující tyto vlastnosti. Například velmi vysoké frekvence elektromagnetického záření, jako jsou ultrafialové paprsky, rentgenové záření nebo paprsky gama, jsou velmi energické - dost na to, aby pronikly a poškodily tkáně těla. Jiné, jako rádiové vlny, mají velmi nízké frekvence, ale vysoké vlnové délky, a neustále procházejí těly bez překážek. (Ano, rádiový signál přenášející skladby vašich oblíbených DJů vzduchem do vašeho zařízení je formou elektromagnetického záření - světla!)

Formy elektromagnetického záření od delších vlnových délek / nižších frekvencí / nízké energie po kratší vlnové délky / vyšších frekvencí / vysoké energie jsou:

• Rádiové vlny
• Mikrovlny
• Infračervené vlny
• Viditelné světlo
• Ultrafialové světlo
• Rentgenové záření
• Gama paprsky

[vložte schéma EM spektra]

Spektrum viditelného světla pokrývá vlnové délky od 380 do 750 nanometrů (1 nanometr se rovná 10^-9 metry - jedna miliardtina metru nebo přibližně o průměru atomu vodíku). Tato část elektromagnetického spektra zahrnuje všechny barvy duhy - červenou, oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, indigovou a fialovou - které jsou viditelné pro oko.

[Zahrňte diagram s vybuchnutím viditelného spektra]

Protože červená má nejdelší vlnovou délku viditelných barev, má také nejmenší frekvenci a tedy nejnižší energii. Opak je pravdou pro blues a fialky. Protože energie barev není stejná, není ani jejich teplota. Měření těchto teplotních rozdílů ve viditelném světle ve skutečnosti vedlo k objevu existence dalšího světlaneviditelnýlidem.

V roce 1800 Sir Frederick William Herschel vytvořil experiment pro měření rozdílu teplot pro různé barvy slunečního světla, který oddělil pomocí hranolu. I když skutečně našel různé teploty v různých barevných oblastech, byl překvapen, když viděl nejteplejší teplota všech zaznamenaných na teploměru těsně za červenou, kde se zdálo, že na nich není žádné světlo Všechno. Toto byl první důkaz, že existovalo více světla, než kolik lidé mohli vidět. Pojmenoval světlo v této oblastiinfračervený, což znamená přímo „pod červenou“.

Bílé světlo, které obvykle vydává standardní žárovka, je kombinací všech barev. Černá je naopakabsencejakéhokoli světla - vůbec ne barva!

Inženýři a vědci v oblasti optiky zvažují světlo dvěma různými způsoby, když určují, jak bude odrážet, kombinovat a zaostřovat. Oba popisy jsou potřebné k předpovědi konečné intenzity a umístění světla při jeho zaostřování prostřednictvím čoček nebo zrcadel.

V jednom případě optici pohlíží na světlo jako na sériipříčné vlnové fronty, což jsou opakující se sinusové vlny nebo vlny ve tvaru písmene S s hřebeny a koryty. To jefyzikální optikapřístup, protože využívá vlnovou povahu světla k pochopení interakce světla se sebou a vede ke vzorům interference, stejně jako vlny ve vodě mohou zesílit nebo zrušit jednu další ven.

Fyzická optika začala po roce 1801, kdy Thomas Young objevil vlastnosti vln světla. Pomáhá vysvětlit fungování takových optických nástrojů, jako jsou difrakční mřížky, které oddělují spektrum světla na jeho vlnové délky a polarizační čočky, které určité blokují vlnové délky.

Jiný způsob, jak uvažovat o světle, je jakopaprsek, paprsek sledující přímou cestu. Paprsek je nakreslen jako přímka vycházející ze světelného zdroje a udávající směr, kterým se světlo pohybuje. Vyjádření světla jako paprsku je užitečné vgeometrická optika, která se více týká částicové povahy světla.

Kreslení paprskových diagramů ukazujících cestu světla je zásadní pro konstrukci takových nástrojů pro zaostření světla, jako jsou čočky, hranoly, mikroskopy, dalekohledy a fotoaparáty. Geometrická optika existuje déle než fyzická optika - do roku 1600, v éře sira Isaaca Newtona, byly korekční čočky pro vidění běžné.