Lys (optik): definition, enheder og kilder (med spektrum)

Forståelse af lys giver os mulighed for at forstå, hvordan vi ser, opfatter farve og endda retter vores vision med linser. Feltet afoptikhenviser til studiet af lys.

I daglig tale betyder ordet "lys" ofte virkeligsynligt lys, som er den type, der opfattes af det menneskelige øje. Lys kommer imidlertid i mange andre former, hvor langt størstedelen mennesker ikke kan se.

Kilden til alt lys er elektromagnetisme, samspillet mellem elektriske og magnetiske felter, der gennemsyrer rummet.Lysbølgerer en form forelektromagnetisk stråling; vilkårene er udskiftelige. Specifikt er elektromagnetiske bølger selvforplantende svingninger i elektriske og magnetiske felter.

Med andre ord er lys en vibration i et elektromagnetisk felt. Det passerer gennem rummet som en bølge.

• Lysets hastighed i vakuum er 3 × 10⁸ m / s, den hurtigste hastighed i universet!

Det er et unikt og bizart træk ved vores eksistens, at intet bevæger sig hurtigere end lys. Og skønt alt lys, hvad enten det er synligt eller ej, bevæger sig i samme hastighed, når det møder

Lysets interaktioner med stof antyder et andet af dets vigtige egenskaber: dets partikelkarakter. Et af de mærkeligste fænomener i universet, lys er faktisk to ting på én gang: en bølge og en partikel. Det herbølge-partikel dualitetgør studiet af lys noget afhængigt af kontekst.

Til tider finder fysikere det mest nyttigt at tænke på lys som en bølge og anvende det meget af den samme matematik og egenskaber, der beskriver lydbølger og andre mekaniske bølger. I andre tilfælde er modellering af lys som en partikel mere passende, for eksempel når man overvejer dets forhold til atomare energiniveauer eller den vej, det vil tage, når det reflekteres fra et spejl.

Hvis alt lys, synligt eller ej, teknisk set er det samme - elektromagnetisk stråling - hvad adskiller den ene type fra den anden? Dens bølgeegenskaber.

Elektromagnetiske bølger findes i et spektrum af forskellige bølgelængder og frekvenser. Som en bølge følger lysets hastighed bølgehastighedsligningen, hvor hastigheden er lig med produktet af bølgelængde og frekvens:

I denne ligningver bølgehastighed i meter pr. sekund (m / s),λer bølgelængde i meter (m) ogfer frekvens i hertz (Hz).

I tilfælde af lys kan dette omskrives med variablencfor lysets hastighed i vakuum:

• ​cer en speciel variabel, der repræsenterer lysets hastighed i et vakuum. I andre medier (materialer) kan lysets hastighed udtrykkes som en brøkdel afc.​

Dette forhold indebærer, at lys kan have en hvilken som helst kombination af bølgelængde eller frekvens, så længe værdierne er omvendt proportionale og deres produkt er lig medc. Med andre ord kan lys have enstorfrekvens og alillebølgelængde eller omvendt.

Ved forskellige bølgelængder og frekvenser har lys forskellige egenskaber. Så forskere har opdelt det elektromagnetiske spektrum i segmenter, der repræsenterer disse egenskaber. For eksempel er meget høje frekvenser af elektromagnetisk stråling, som ultraviolette stråler, røntgenstråler eller gammastråler, meget energiske - nok til at trænge igennem og skade kropsvæv. Andre, som radiobølger, har meget lave frekvenser, men høje bølgelængder, og de passerer uhindret gennem kroppe hele tiden. (Ja, radiosignalet, der fører dine yndlings DJs spor gennem luften til din enhed, er en form for elektromagnetisk stråling - lys!)

Formerne for elektromagnetisk stråling fra længere bølgelængder / lavere frekvenser / lav energi til kortere bølgelængder / højere frekvenser / høj energi er:

• Radiobølger
• Mikrobølger
• Infrarøde bølger
• Synligt lys
• Ultraviolet lys
• Røntgenstråler
• Gamma-stråler

[indsæt diagram over EM-spektrum]

Det synlige lysspektrum spænder over bølgelængder fra 380-750 nanometer (1 nanometer er lig med 10^-9 meter - en milliarddel meter, eller omtrent diameteren på et brintatom). Denne del af det elektromagnetiske spektrum inkluderer alle regnbuens farver - rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og violet - der er synlige for øjet.

[Inkluder et diagram med en udblæsning af det synlige spektrum]

Fordi rød har den længste bølgelængde af de synlige farver, har den også den mindste frekvens og dermed den laveste energi. Det modsatte gælder for blues og violer. Fordi farvenergien ikke er den samme, er temperaturen heller ikke. Faktisk førte målingen af ​​disse temperaturforskelle i synligt lys til opdagelsen af ​​eksistensen af ​​andet lysusynligtil mennesker.

I 1800 udarbejdede Sir Frederick William Herschel et eksperiment for at måle forskellen i temperaturer for forskellige farver sollys, som han adskilt ved hjælp af et prisme. Mens han faktisk fandt forskellige temperaturer i forskellige farveregioner, blev han overrasket over at se de hotteste temperatur af alle registreret på termometeret lige ud over det røde, hvor der ikke syntes at være noget lys ved alle. Dette var det første bevis for, at der eksisterede mere lys, end mennesker kunne se. Han navngav lyset i denne regioninfrarød, der oversættes direkte til "under rødt."

Hvidt lys, som en standardpære normalt afgiver, er en kombination af alle farverne. Sort er derimodfraværaf ethvert lys - slet ikke rigtig en farve!

Optikingeniører og forskere betragter lys på to forskellige måder, når de bestemmer, hvordan det vil hoppe, kombinere og fokusere. Begge beskrivelser er nødvendige for at forudsige den endelige intensitet og placering af lys, da det fokuserer gennem linser eller spejle.

I et tilfælde ser optikere på lyset som serier aftværgående bølgefronter, som gentager sinusformede eller S-formede bølger med kamme og trug. Dette erfysisk optiktilgang, da den bruger lysets bølgeform til at forstå, hvordan lys interagerer med sig selv og fører til interferensmønstre, på samme måde som bølger i vand kan intensivere eller annullere en en anden ud.

Fysisk optik begyndte efter 1801, da Thomas Young opdagede lysets bølgeegenskaber. Det hjælper med at forklare funktionen af ​​sådanne optiske instrumenter som diffraktionsgitre, der adskiller spektrum af lys i dets komponent bølgelængder og polarisationslinser, der blokerer visse bølgelængder.

Den anden måde at tænke på lys er som enstråle, en bjælke, der følger en lige sti. En stråle tegnes som en lige linje, der stammer fra en lyskilde og angiver retningen, i hvilken lyset bevæger sig. At udtrykke lys som en stråle er nyttigt igeometrisk optik, som mere relaterer sig til lysets partikelkarakter.

Tegning af strålediagrammer, der viser lysstien, er afgørende for at designe sådanne lysfokuserende værktøjer som linser, prismer, mikroskoper, teleskoper og kameraer. Geometrisk optik har eksisteret i længere tid end fysisk optik - I 1600, Sir Isaac Newtons æra, var korrigerende linser almindelige.