Das Verständnis von Licht ermöglicht es uns zu verstehen, wie wir sehen, Farben wahrnehmen und sogar unser Sehen mit Linsen korrigieren. Das Feld vonOptikbezieht sich auf das Studium des Lichts.
Was ist Licht?
In der Alltagssprache bedeutet das Wort "Licht" oft wirklichsichtbares Licht, der vom menschlichen Auge wahrgenommene Typ. Licht kommt jedoch in vielen anderen Formen vor, von denen die meisten Menschen nicht sehen können.
Die Quelle allen Lichts ist der Elektromagnetismus, das Zusammenspiel von elektrischen und magnetischen Feldern, die den Raum durchdringen.Lichtwellensind eine Form vonelektromagnetische Strahlung; die Begriffe sind austauschbar. Elektromagnetische Wellen sind insbesondere sich selbst ausbreitende Schwingungen in elektrischen und magnetischen Feldern.
Mit anderen Worten, Licht ist eine Schwingung in einem elektromagnetischen Feld. Es geht als Welle durch den Raum.
Tipps
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 3 × 108 m/s, die schnellste Geschwindigkeit im Universum!
Es ist ein einzigartiges und bizarres Merkmal unserer Existenz, dass sich nichts schneller als das Licht fortbewegt. Und obwohl sich alles Licht, ob sichtbar oder nicht, mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegt, wenn es aufAngelegenheit, es wird langsamer. Da Licht mit Materie wechselwirkt (die im Vakuum nicht existiert), bewegt sich die Materie umso langsamer, je dichter sie ist.
Die Wechselwirkungen von Licht mit Materie weisen auf eine weitere seiner wichtigen Eigenschaften hin: seine Teilchennatur. Licht ist eines der seltsamsten Phänomene im Universum und besteht eigentlich aus zwei Dingen gleichzeitig: einer Welle und einem Teilchen. DieseWelle-Teilchen-Dualitätmacht das Studium von Licht etwas kontextabhängig.
Physiker finden es manchmal am hilfreichsten, sich Licht als Welle vorzustellen und dabei viele der gleichen Mathematik und Eigenschaften anzuwenden, die Schallwellen und andere mechanische Wellen beschreiben. In anderen Fällen ist es angemessener, Licht als Teilchen zu modellieren, beispielsweise wenn man seine Beziehung zu Atomenergieniveaus oder den Weg, den es bei der Reflexion an einem Spiegel nimmt, betrachtet.
Das elektromagnetische Spektrum
Wenn alles Licht, sichtbares oder nicht, technisch dasselbe ist – elektromagnetische Strahlung – was unterscheidet eine Art von einer anderen? Seine Welleneigenschaften.
Elektromagnetische Wellen existieren in einem Spektrum unterschiedlicher Wellenlängen und Frequenzen. Als Welle folgt die Lichtgeschwindigkeit der Wellengeschwindigkeitsgleichung, wobei die Geschwindigkeit gleich dem Produkt aus Wellenlänge und Frequenz ist:
v-\lambda f
In dieser Gleichung istvist die Wellengeschwindigkeit in Metern pro Sekunde (m/s),λist die Wellenlänge in Metern (m) undfist die Frequenz in Hertz (Hz).
Bei Licht kann dies mit der Variablen. umgeschrieben werdencfür die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum:
c=\lambda f
Tipps
cist eine spezielle Variable, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum repräsentiert. In anderen Medien (Materialien) kann die Lichtgeschwindigkeit als Bruchteil von. ausgedrückt werdenc.
Diese Beziehung impliziert, dass Licht eine beliebige Kombination von Wellenlänge oder Frequenz haben kann, solange die Werte umgekehrt proportional sind und ihr Produkt gleich istc. Mit anderen Worten, Licht kann a. habengroßFrequenz und akleinWellenlänge oder umgekehrt.
Bei verschiedenen Wellenlängen und Frequenzen hat Licht unterschiedliche Eigenschaften. Daher haben Wissenschaftler das elektromagnetische Spektrum in Segmente unterteilt, die diese Eigenschaften repräsentieren. Beispielsweise sind sehr hohe Frequenzen elektromagnetischer Strahlung, wie ultraviolette Strahlen, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen, sehr energiereich – genug, um Körpergewebe zu durchdringen und zu schädigen. Andere, wie Radiowellen, haben sehr niedrige Frequenzen, aber hohe Wellenlängen und passieren die ganze Zeit ungehindert Körper. (Ja, das Radiosignal, das die Tracks Ihres Lieblings-DJs durch die Luft zu Ihrem Gerät trägt, ist eine Form von elektromagnetischer Strahlung – Licht!)
Die Formen elektromagnetischer Strahlung von längeren Wellenlängen/niedrigeren Frequenzen/niedriger Energie bis zu kürzeren Wellenlängen/höheren Frequenzen/hoher Energie sind:
- Radiowellen
- Mikrowellen
- Infrarotwellen
- Sichtbares Licht
- Ultraviolettes Licht
- Röntgenstrahlen
- Gamma Strahlen
[Diagramm des EM-Spektrums einfügen]
Das sichtbare Spektrum
Das sichtbare Lichtspektrum umfasst Wellenlängen von 380-750 Nanometern (1 Nanometer entspricht 10-9 Meter – ein Milliardstel Meter oder etwa der Durchmesser eines Wasserstoffatoms). Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums umfasst alle Farben des Regenbogens – Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett – die für das Auge sichtbar sind.
[Fügen Sie ein Diagramm mit einem Blowout des sichtbaren Spektrums hinzu]
Da Rot die längste Wellenlänge der sichtbaren Farben hat, hat es auch die kleinste Frequenz und damit die niedrigste Energie. Das Gegenteil ist bei Blau und Violett der Fall. Da die Energie der Farben nicht dieselbe ist, ist auch ihre Temperatur nicht gleich. Tatsächlich führte die Messung dieser Temperaturunterschiede im sichtbaren Licht zur Entdeckung der Existenz von anderem Lichtunsichtbarzu Menschen.
Im Jahr 1800 entwickelte Sir Frederick William Herschel ein Experiment, um den Temperaturunterschied für verschiedene Farben des Sonnenlichts zu messen, das er mit einem Prisma trennte. Obwohl er tatsächlich unterschiedliche Temperaturen in verschiedenen Farbregionen vorfand, war er überrascht, die heißesten zu sehen Temperatur aller auf dem Thermometer aufgezeichneten Temperaturen knapp über dem Rot, wo bei kein Licht zu sein schien alle. Dies war der erste Beweis dafür, dass mehr Licht existierte, als der Mensch sehen konnte. Er nannte das Licht in dieser RegionInfrarot, was direkt übersetzt "unterhalb von Rot" bedeutet.
Weißes Licht, normalerweise das, was eine normale Glühbirne abgibt, ist eine Kombination aller Farben. Schwarz hingegen ist dasAbwesenheitvon jedem Licht – nicht wirklich eine Farbe!
Wellenfronten und Strahlen
Optikingenieure und Wissenschaftler berücksichtigen Licht auf zwei verschiedene Arten, wenn sie bestimmen, wie es reflektiert, kombiniert und fokussiert wird. Beide Beschreibungen werden benötigt, um die endgültige Intensität und Position des Lichts vorherzusagen, wenn es durch Linsen oder Spiegel fokussiert wird.
In einem Fall betrachten Optiker Licht als Serie von seriestransversale Wellenfronten, die sich wiederholende Sinus- oder S-förmige Wellen mit Wellenbergen und -tälern sind. Dies ist dasphysikalische OptikopticAnsatz, da er die Wellennatur des Lichts nutzt, um zu verstehen, wie Licht mit sich selbst interagiert und führt zu Interferenzmustern, so wie Wellen im Wasser einen verstärken oder aufheben können ein anderer aus.
Die physikalische Optik begann nach 1801, als Thomas Young die Welleneigenschaften des Lichts entdeckte. Es hilft, die Funktionsweise optischer Instrumente wie Beugungsgitter zu erklären, die die Spektrum des Lichts in seine Teilwellenlängen und Polarisationslinsen, die bestimmte Wellenlängen.
Die andere Art, sich Licht vorzustellen, ist wie einStrahl, ein Strahl, der einem geradlinigen Weg folgt. Ein Strahl wird als gerade Linie gezeichnet, die von einer Lichtquelle ausgeht und die Richtung anzeigt, in die sich das Licht ausbreitet. Licht als Strahl auszudrücken ist nützlich ingeometrische Optik, die sich mehr auf die Teilchennatur des Lichts bezieht.
Das Zeichnen von Strahlendiagrammen, die den Lichtweg zeigen, ist entscheidend für die Entwicklung von Lichtfokussierungswerkzeugen wie Linsen, Prismen, Mikroskopen, Teleskopen und Kameras. Geometrische Optik gibt es schon länger als physikalische Optik – um 1600, der Ära von Sir Isaac Newton, waren Korrekturgläser für das Sehen alltäglich.