Valgus (optika): määratlus, ühikud ja allikad (spektriga)

Valguse mõistmine võimaldab meil mõista, kuidas me näeme, tajume värvi ja isegi parandame nägemist läätsedega. Valdkondoptikaviitab valguse uurimisele.

Igapäevases kõnes tähendab sõna "valgus" sageli tõestinähtav valgus, mis on inimese silmaga tajutav tüüp. Valgust tuleb aga mitmel muul kujul, millest valdavat enamust inimesed ei näe.

Kogu valguse allikas on elektromagnetism, ruumi läbistavate elektri- ja magnetväljade koosmõju.Valguslainedon vormelektromagnetiline kiirgus; tingimused on omavahel asendatavad. Täpsemalt, elektromagnetlained on iseenesest levivad võnked elektri- ja magnetväljades.

Teisisõnu, valgus on vibratsioon elektromagnetväljas. See läbib ruumi lainena.

• Valguse kiirus vaakumis on 3 × 10⁸ m / s, universumi kiireim kiirus!

See on meie eksistentsi ainulaadne ja veider omadus, et miski ei liigu kiiremini kui valgus. Ja kuigi kogu valgus, olenemata sellest, kas see on nähtav või mitte, liigub kohtumisel sama kiirusegaasja, see aeglustub. Kuna valgus suhtleb ainega (mida vaakumis ei eksisteeri), siis mida tihedam on aine, seda aeglasemalt see liigub.

Valguse vastastikmõjud ainega viitavad veel ühele tema olulisele tunnusele: osakeste olemusele. Üks universumi kummalisemaid nähtusi on valgus tegelikult kaks asja korraga: laine ja osake. Seelaine-osakeste duaalsusmuudab valguse uurimise mõnevõrra kontekstist sõltuvaks.

Mõnikord on füüsikutel kõige kasulikum mõelda valgusest kui lainest, rakendades sellele paljuski sama matemaatikat ja omadusi, mis kirjeldavad helilaineid ja muid mehaanilisi laineid. Muudel juhtudel on valguse modelleerimine osakesena sobivam, näiteks kui kaaluda selle suhet aatomi energia tasemega või teed, mille ta peeglilt peegeldades läbib.

Kui kogu valgus, nähtav või mitte, on tehniliselt sama - elektromagnetiline kiirgus -, mis eristab ühte tüüpi teisest? Selle laineomadused.

Elektromagnetlained eksisteerivad erineva lainepikkuse ja sagedusega spektris. Lainena järgib valguse kiirus laine kiiruse võrrandit, kus kiirus on võrdne lainepikkuse ja sageduse korrutisega:

Selles võrrandisvon laine kiirus meetrites sekundis (m / s),λon lainepikkus meetrites (m) jafon sagedus hertsides (Hz).

Valguse korral saab selle muutujaga ümber kirjutadacvalguse kiiruse jaoks vaakumis:

• ​con spetsiaalne muutuja, mis tähistab valguse kiirust vaakumis. Teistes meediumides (materjalides) võib valguse kiirust väljendada murdosanac.​

See seos tähendab, et valgusel võib olla mis tahes lainepikkuse või sageduse kombinatsioon, kui väärtused on pöördvõrdelised ja nende korrutis on võrdnec. Teisisõnu, valgusel võib olla asuursagedus ja aväikelainepikkus või vastupidi.

Erinevatel lainepikkustel ja sagedustel on valgusel erinevad omadused. Niisiis on teadlased jaotanud elektromagnetilise spektri neid omadusi esindavateks segmentideks. Näiteks elektromagnetkiirguse väga kõrged sagedused, nagu ultraviolett-, röntgen- või gammakiired, on väga energilised - piisavalt, et tungida kehakudedesse ja kahjustada neid. Teistel, nagu raadiolainetel, on väga madalad, kuid suured lainepikkused ning nad läbivad kehasid kogu aeg takistamatult. (Jah, raadiosignaal, mis viib teie lemmik-DJ-lood läbi õhu seadmesse, on elektromagnetilise kiirguse vorm - valgus!)

Elektromagnetkiirguse vormid, mis pärinevad pikematest lainepikkustest / madalamatest sagedustest / madalast energiast lühemate lainepikkuste / kõrgemate sageduste / suure energiaga

• Raadiolained
• Mikrolaineahjud
• Infrapuna lained
• Nähtav valgus
• Ultraviolettvalgus
• Röntgenikiirgus
• Gammakiired

[sisestage EM-spektri diagramm]

Nähtava valguse spekter ulatub lainepikkuste vahemikku 380–750 nanomeetrit (1 nanomeeter võrdub 10 nm)^-9 meetrit - miljard miljard meetrit ehk umbes vesiniku aatomi läbimõõt). See elektromagnetilise spektri osa hõlmab kõiki vikerkaare värve - punast, oranži, kollast, rohelist, sinist, indigo ja violetset -, mis on silmale nähtav.

[Lisage diagramm nähtava spektri puhumisega]

Kuna punasel on nähtavatest värvidest kõige pikem lainepikkus, on sellel ka kõige väiksem sagedus ja seega ka kõige väiksem energia. Sinise ja kannikese puhul on vastupidi. Kuna värvide energia pole sama, pole ka nende temperatuur. Tegelikult viis nende temperatuurierinevuste mõõtmine nähtavas valguses muu valguse olemasolu avastamiseninähtamatuinimestele.

1800. aastal mõtles sir Frederick William Herschel välja katse, et mõõta päikesevalguse eri värvide temperatuuri erinevust, mille ta eraldas prisma abil. Kuigi ta leidis tõepoolest erinevates värvipiirkondades erinevaid temperatuure, oli ta kuumimat nähes üllatunud termomeetril registreeritud temperatuur kõigest punasest kaugemale, kus valgust ei paistnud olevat kõik. See oli esimene tõestus selle kohta, et valgust oli rohkem, kui inimene nägi. Ta nimetas valgust selles piirkonnasinfrapuna, mis tähendab otse "allpool punast".

Valge valgus, tavaliselt see, mida tavaline lambipirn annab, on kõigi värvide kombinatsioon. Must seevastu onpuuduminemis tahes valgust - pole tegelikult üldse värv!

Optikainsenerid ja teadlased kaaluvad valgust kahel erineval viisil, määrates kindlaks, kuidas see põrkab, kombineerub ja keskendub. Mõlemat kirjeldust on vaja valguse lõpliku intensiivsuse ja asukoha prognoosimiseks, kui see fokuseerib läbi läätsede või peeglite.

Ühel juhul vaatavad optikud valgust kui sarjapõiki lainefrondid, mis kordavad sinusoidseid või S-kujulisi laineid harjade ja küna abil. See onfüüsiline optikalähenemisviisi, kuna see kasutab valguse lainelist olemust, et mõista, kuidas valgus suhtleb iseendaga ja viib häirimismudeliteni, samamoodi võivad vees olevad lained seda intensiivistada või selle tühistada teine ​​välja.

Füüsiline optika sai alguse pärast 1801. aastat, kui Thomas Young avastas valguse lainelised omadused. See aitab selgitada selliste optiliste instrumentide toimimist nagu difraktsioonivõred, mis eraldavad valguse spekter komponendi lainepikkustesse ja polarisatsiooniläätsed, mis blokeerivad teatud lainepikkused.

Teine võimalus valguse mõtlemiseks on akiir, sirgjoont järgiv kiir. Kiir joonistatakse sirgjoonena, mis pärineb valgusallikast ja näitab valguse liikumissuunda. Valguse kiirena väljendamine on kasulikgeomeetriline optika, mis on rohkem seotud valguse osakeste olemusega.

Kiirte skeemide joonistamine, mis näitab valguse teed, on selliste valgust fokuseerivate tööriistade nagu läätsed, prismad, mikroskoobid, teleskoobid ja kaamerad kujundamisel kriitilise tähtsusega. Geomeetriline optika on eksisteerinud kauem kui füüsiline optika - 1600. aastaks, Sir Isaac Newtoni ajastul, olid nägemise korrigeerivad läätsed tavalised.