Φως (Οπτικά): Ορισμός, Μονάδες και πηγές (με φάσμα)

Η κατανόηση του φωτός μας επιτρέπει να κατανοήσουμε πώς βλέπουμε, αντιλαμβανόμαστε το χρώμα και ακόμη και διορθώνουμε την όρασή μας με φακούς. Το πεδίο τηςοπτικήαναφέρεται στη μελέτη του φωτός.

Στην καθημερινή ομιλία, η λέξη «φως» συχνά σημαίνει πραγματικάορατό φως, που είναι ο τύπος που αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο μάτι. Ωστόσο, το φως έρχεται σε πολλές άλλες μορφές, η συντριπτική πλειονότητα των οποίων δεν μπορούν να δουν οι άνθρωποι.

Η πηγή όλου του φωτός είναι ο ηλεκτρομαγνητισμός, η αλληλεπίδραση ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που διαπερνούν το χώρο.Φως κύματαείναι μια μορφήηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία; οι όροι είναι εναλλάξιμοι. Συγκεκριμένα, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι αυτο-πολλαπλασιαζόμενες ταλαντώσεις σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.

Με άλλα λόγια, το φως είναι μια δόνηση σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Περνά μέσα από το διάστημα ως κύμα.

• Η ταχύτητα του φωτός σε κενό είναι 3 × 10⁸ m / s, η ταχύτερη ταχύτητα στο σύμπαν!

Είναι ένα μοναδικό και παράξενο χαρακτηριστικό της ύπαρξής μας ότι τίποτα δεν ταξιδεύει γρηγορότερα από το φως. Και παρόλο που όλο το φως, είτε ορατό είτε όχι, ταξιδεύει με την ίδια ταχύτητα, όταν συναντά

Οι αλληλεπιδράσεις του φωτός με την ύλη υποδηλώνουν ένα άλλο από τα σημαντικά χαρακτηριστικά του: τη σωματιδιακή του φύση. Ένα από τα πιο παράξενα φαινόμενα στο σύμπαν, το φως είναι στην πραγματικότητα δύο πράγματα ταυτόχρονα: ένα κύμα και ένα σωματίδιο. Αυτόδυαδικότητα κυμάτων-σωματιδίωνκάνει τη μελέτη του φωτός να εξαρτάται κάπως από το περιβάλλον.

Κατά καιρούς, οι φυσικοί το βρίσκουν πιο χρήσιμο να σκεφτόμαστε το φως ως κύμα, εφαρμόζοντας σε αυτό πολλά από τα ίδια μαθηματικά και ιδιότητες που περιγράφουν τα ηχητικά κύματα και άλλα μηχανικά κύματα. Σε άλλες περιπτώσεις, η μοντελοποίηση του φωτός ως σωματιδίου είναι καταλληλότερη, για παράδειγμα όταν εξετάζουμε τη σχέση του με τα επίπεδα ατομικής ενέργειας ή τη διαδρομή που θα ακολουθήσει καθώς αντανακλά έναν καθρέφτη.

Εάν όλο το φως, ορατό ή όχι, είναι τεχνικά το ίδιο πράγμα - ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - τι διακρίνει έναν τύπο από τον άλλο; Οι κυματομορφές του.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα υπάρχουν σε ένα φάσμα διαφορετικών μηκών κύματος και συχνοτήτων. Ως κύμα, η ταχύτητα του φωτός ακολουθεί την εξίσωση ταχύτητας κύματος, όπου η ταχύτητα είναι ίση με το προϊόν του μήκους κύματος και της συχνότητας:

Σε αυτήν την εξίσωση,βείναι η ταχύτητα κύματος σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m / s),λείναι μήκος κύματος σε μέτρα (m) καιφάείναι συχνότητα σε hertz (Hz).

Στην περίπτωση φωτός, αυτό μπορεί να ξαναγραφεί με τη μεταβλητήντογια την ταχύτητα του φωτός σε κενό:

• ​ντοείναι μια ειδική μεταβλητή που αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του φωτός σε κενό. Σε άλλα μέσα (υλικά), η ταχύτητα του φωτός μπορεί να εκφραστεί ως κλάσμα τουντο.​

Αυτή η σχέση υπονοεί ότι το φως μπορεί να έχει οποιοδήποτε συνδυασμό μήκους κύματος ή συχνότητας, αρκεί οι τιμές να είναι αντιστρόφως ανάλογες και το προϊόν τους να ισούται μεντο. Με άλλα λόγια, το φως μπορεί να έχειμεγάλοσυχνότητα και αμικρόμήκος κύματος ή αντίστροφα.

Σε διαφορετικά μήκη κύματος και συχνότητες, το φως έχει διαφορετικές ιδιότητες. Έτσι, οι επιστήμονες έχουν χωρίσει το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα σε τμήματα που αντιπροσωπεύουν αυτές τις ιδιότητες. Για παράδειγμα, οι πολύ υψηλές συχνότητες ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως οι υπεριώδεις ακτίνες, οι ακτίνες Χ ή οι ακτίνες γάμμα, είναι πολύ ενεργητικές - αρκετά για να διεισδύσουν και να βλάψουν τους ιστούς του σώματος. Άλλοι, όπως τα ραδιοκύματα, έχουν πολύ χαμηλές συχνότητες αλλά υψηλά μήκη κύματος, και περνούν από σώματα χωρίς εμπόδια όλη την ώρα. (Ναι, το ραδιοφωνικό σήμα που μεταφέρει τα αγαπημένα σας κομμάτια DJ μέσω του αέρα στη συσκευή σας είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας - φως!)

Οι μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από μεγαλύτερα μήκη κύματος / χαμηλότερες συχνότητες / χαμηλή ενέργεια σε μικρότερα μήκη κύματος / υψηλότερες συχνότητες / υψηλή ενέργεια είναι:

• Ραδιοκύματα
• Μικροκύματα
• Υπέρυθρα κύματα
• Ορατό φως
• Υπεριώδες φως
• Ακτινογραφίες
• Ακτίνες γάμμα

[εισάγετε διάγραμμα EM φάσματος]

Το φάσμα ορατού φωτός εκτείνεται σε μήκη κύματος από 380-750 νανόμετρα (1 νανόμετρο ισούται με 10^-9 μέτρα - ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου, ή περίπου τη διάμετρο ενός ατόμου υδρογόνου). Αυτό το μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος περιλαμβάνει όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου - κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε, λουλακί και βιολετί - που είναι ορατά στο μάτι.

[Συμπεριλάβετε ένα διάγραμμα με έκρηξη του ορατού φάσματος]

Επειδή το κόκκινο έχει το μεγαλύτερο μήκος κύματος των ορατών χρωμάτων, έχει επίσης τη μικρότερη συχνότητα και συνεπώς τη χαμηλότερη ενέργεια. Το αντίθετο ισχύει για μπλουζ και βιολέτες. Επειδή η ενέργεια των χρωμάτων δεν είναι η ίδια, ούτε η θερμοκρασία τους. Στην πραγματικότητα, η μέτρηση αυτών των διαφορών θερμοκρασίας στο ορατό φως οδήγησε στην ανακάλυψη της ύπαρξης άλλου φωτόςαόρατοςστους ανθρώπους.

Το 1800, ο Sir Frederick William Herschel επινόησε ένα πείραμα για τη μέτρηση της διαφοράς θερμοκρασιών για διαφορετικά χρώματα του ηλιακού φωτός που χώρισε χρησιμοποιώντας ένα πρίσμα. Ενώ βρήκε πράγματι διαφορετικές θερμοκρασίες σε διαφορετικές περιοχές χρώματος, ήταν έκπληκτος που είδε τα πιο καυτά θερμοκρασία όλων των ηχογραφημένων στο θερμόμετρο ακριβώς πέρα ​​από το κόκκινο, όπου δεν φαίνεται να υπάρχει φως όλα. Αυτή ήταν η πρώτη απόδειξη ότι υπήρχε περισσότερο φως από ό, τι οι άνθρωποι μπορούσαν να δουν. Ονόμασε το φως σε αυτήν την περιοχήυπέρυθρες, που μεταφράζεται απευθείας σε "κάτω από το κόκκινο".

Το λευκό φως, συνήθως αυτό που εκπέμπει μια τυπική λάμπα, είναι ένας συνδυασμός όλων των χρωμάτων. Το μαύρο, σε αντίθεση, είναι τοαπουσίαοποιουδήποτε φωτός - δεν είναι πραγματικά καθόλου χρώμα!

Οι μηχανικοί και οι επιστήμονες της οπτικής θεωρούν το φως με δύο διαφορετικούς τρόπους όταν καθορίζουν πώς θα αναπηδήσει, θα συνδυάσει και θα εστιάσει. Και οι δύο περιγραφές απαιτούνται για την πρόβλεψη της τελικής έντασης και της θέσης του φωτός καθώς εστιάζει μέσω φακών ή καθρεφτών.

Σε μια περίπτωση, οι οπτικοί βλέπουν το φως ως σειράεγκάρσια μέτωπα κύματος, τα οποία επαναλαμβάνουν ημιτονοειδή ή σχήματα S κύματα με κορυφές και γούρνες. Αυτό είναι τοφυσική οπτικήπροσέγγιση, καθώς χρησιμοποιεί τη φύση του κύματος του φωτός για να καταλάβει πώς το φως αλληλεπιδρά με τον εαυτό του και οδηγεί σε μοτίβα παρεμβολών, με τον ίδιο τρόπο που τα κύματα στο νερό μπορούν να ενταθούν ή να ακυρωθούν άλλο.

Η φυσική οπτική ξεκίνησε μετά το 1801 όταν ο Thomas Young ανακάλυψε τις ιδιότητες των κυμάτων του φωτός. Βοηθά στην εξήγηση της λειτουργίας τέτοιων οπτικών οργάνων, όπως σχάρες περίθλασης, που διαχωρίζουν το φάσμα φωτός στα μήκη κύματος των συστατικών του, και φακοί πόλωσης, που εμποδίζουν ορισμένα μήκη κύματος.

Ο άλλος τρόπος σκέψης του φωτός είναι ωςακτίνα, μια ακτίνα που ακολουθεί μια ευθεία διαδρομή. Μια ακτίνα σχεδιάζεται ως ευθεία γραμμή που προέρχεται από μια πηγή φωτός και υποδεικνύει την κατεύθυνση στην οποία ταξιδεύει το φως. Η έκφραση του φωτός ως ακτίνα είναι χρήσιμηγεωμετρικά οπτικά, που σχετίζεται περισσότερο με τη σωματιδιακή φύση του φωτός.

Η σχεδίαση διαγραμμάτων ακτίνων που δείχνουν τη διαδρομή του φωτός είναι ζωτικής σημασίας για το σχεδιασμό εργαλείων εστίασης φωτός όπως φακών, πρισμάτων, μικροσκοπίων, τηλεσκοπίων και φωτογραφικών μηχανών. Η γεωμετρική οπτική υπάρχει εδώ και περισσότερο από ό, τι η φυσική οπτική - μέχρι το 1600, η ​​εποχή του Sir Isaac Newton, οι διορθωτικοί φακοί για την όραση ήταν συνηθισμένοι.