Svjetlo (optika): definicija, jedinice i izvori (sa spektrom)

Razumijevanje svjetlosti omogućuje nam da razumijemo kako vidimo, opažamo boju i čak korigiramo vid lećama. Poljeoptikaodnosi se na proučavanje svjetlosti.

U svakodnevnom govoru riječ "svjetlost" često zaista značividljivo svjetlo, koji je tip koji opaža ljudsko oko. Međutim, svjetlost dolazi u mnogim drugim oblicima, od kojih veliku većinu ljudi ne mogu vidjeti.

Izvor sve svjetlosti je elektromagnetizam, međusobno djelovanje električnih i magnetskih polja koja prožimaju prostor.Svjetlosni valovisu oblikelektromagnetska radijacija; pojmovi su zamjenjivi. Konkretno, elektromagnetski valovi su samoproširujuće se oscilacije u električnim i magnetskim poljima.

Drugim riječima, svjetlost je vibracija u elektromagnetskom polju. Kroz prostor prolazi kao val.

• Brzina svjetlosti u vakuumu je 3 × 10⁸ m / s, najbrža brzina u svemiru!

Jedinstvena je i bizarna značajka našeg postojanja da ništa ne putuje brže od svjetlosti. I premda sva svjetlost, bez obzira je li vidljiva ili ne, putuje istom brzinom kad naiđe

Interakcije svjetlosti s materijom nagovještavaju još jedno važno obilježje: prirodu čestica. Jedan od najčudnijih fenomena u svemiru, svjetlost je zapravo dvije stvari odjednom: val i čestica. Ovajdualnost val-česticačini proučavanje svjetla donekle ovisnim o kontekstu.

Ponekad je fizičarima najkorisnije razmišljati o svjetlosti kao o valu, primjenjujući na nju veći dio iste matematike i svojstava koja opisuju zvučne valove i druge mehaničke valove. U drugim je slučajevima modeliranje svjetlosti kao čestice prikladnije, na primjer kada se razmatra njezin odnos s razinama atomske energije ili put kojim će ići dok se odražava od zrcala.

Ako je sva svjetlost, vidljiva ili ne, tehnički ista stvar - elektromagnetsko zračenje - što razlikuje jednu vrstu od druge? Njegova valna svojstva.

Elektromagnetski valovi postoje u spektru različitih valnih duljina i frekvencija. Kao val, brzina svjetlosti slijedi jednadžbu brzine vala, gdje je brzina jednaka umnošku valne duljine i frekvencije:

U ovoj jednadžbi,vje brzina vala u metrima u sekundi (m / s),λje valna duljina u metrima (m) ifje frekvencija u hercima (Hz).

U slučaju svjetlosti, to se može prepisati s varijablomcza brzinu svjetlosti u vakuumu:

• ​cje posebna varijabla koja predstavlja brzinu svjetlosti u vakuumu. U ostalim medijima (materijalima) brzina svjetlosti može se izraziti dijelom odc.​

Ovaj odnos podrazumijeva da svjetlost može imati bilo koju kombinaciju valne duljine ili frekvencije, sve dok su vrijednosti obrnuto proporcionalne i njihov je proizvod jednakc. Drugim riječima, svjetlost može imati avelikafrekvencija i amalivalna duljina, ili obrnuto.

Na različitim valnim duljinama i frekvencijama svjetlost ima različita svojstva. Znanstvenici su podijelili elektromagnetski spektar u segmente koji predstavljaju ta svojstva. Na primjer, vrlo visoke frekvencije elektromagnetskog zračenja, poput ultraljubičastih zraka, X-zraka ili gama zraka, vrlo su energične - dovoljno da prodru i naštete tjelesnim tkivima. Drugi, poput radio valova, imaju vrlo niske frekvencije, ali velike valne duljine, i cijelo vrijeme prolaze kroz tijela neometano. (Da, radio signal koji prenosi vaše omiljene DJ-ove pjesme zrakom do vašeg uređaja oblik je elektromagnetskog zračenja - svjetlost!)

Oblici elektromagnetskog zračenja od dužih valnih duljina / nižih frekvencija / niske energije do kraćih valnih duljina / viših frekvencija / visoke energije su:

• Radio valovi
• Mikrovalne pećnice
• Infracrveni valovi
• Vidljivo svjetlo
• Ultraljubičasto svijetlo
• X-zrake
• Gama zrake

[umetnite dijagram EM spektra]

Spektar vidljive svjetlosti obuhvaća valne duljine od 380-750 nanometara (1 nanometar jednak je 10^-9 metara - milijardu metra ili otprilike promjer atoma vodika). Ovaj dio elektromagnetskog spektra uključuje sve dugine boje - crvenu, narančastu, žutu, zelenu, plavu, indigo i ljubičastu - koje su vidljive oku.

[Uključite dijagram s ispuhivanjem vidljivog spektra]

Budući da crvena ima najdužu valnu duljinu vidljivih boja, ona ima i najmanju frekvenciju, a time i najmanju energiju. Suprotno vrijedi za blues i ljubičice. Budući da energija boja nije ista, nije ni njihova temperatura. Zapravo, mjerenje ovih temperaturnih razlika u vidljivoj svjetlosti dovelo je do otkrića postojanja druge svjetlostinevidljivljudima.

1800. godine Sir Frederick William Herschel osmislio je eksperiment za mjerenje razlike u temperaturama za različite boje sunčeve svjetlosti koje je razdvojio pomoću prizme. Iako je uistinu pronašao različite temperature u različitim regijama boja, iznenadio se kad je vidio najtoplije temperatura svih zabilježenih na termometru odmah iznad crvene, gdje se činilo da nema svjetla svi. To je bio prvi dokaz da postoji više svjetla nego što su ljudi mogli vidjeti. Nazvao je svjetlost u ovoj regijiinfracrveni, što izravno znači "ispod crvene boje".

Bijelo svjetlo, obično ono što standardna žarulja odaje, kombinacija je svih boja. Za razliku od njega, crna je bojaodsutnostbilo kojeg svjetla - zapravo uopće nije boja!

Inženjeri optike i znanstvenici razmatraju svjetlost na dva različita načina kada određuju kako će se odbiti, kombinirati i fokusirati. Oba su opisa potrebna za predviđanje konačnog intenziteta i položaja svjetlosti koja se fokusira kroz leće ili zrcala.

U jednom slučaju, optičari svjetlost gledaju kao nizpoprečne valne fronte, koji ponavljaju sinusne valove ili valove u obliku slova S s grebenima i koritima. Ovo jefizička optikapristup, jer koristi valnu prirodu svjetlosti da bi razumio kako svjetlost djeluje sama sa sobom i dovodi do uzoraka smetnji, na isti način na koji valovi u vodi jedan mogu pojačati ili poništiti još jedan van.

Fizička optika započela je nakon 1801. kada je Thomas Young otkrio svojstva svjetlosnih valova. Pomaže u objašnjavanju rada takvih optičkih instrumenata kao što su difrakcijske rešetke koje razdvajaju spektar svjetlosti u njegove valne duljine i polarizacijske leće koje blokiraju određene valne duljine.

Drugi način razmišljanja o svjetlosti je kao azraka, snop koji ide ravnom linijom. Zraka je nacrtana kao ravna linija koja proizlazi iz izvora svjetlosti i pokazuje smjer u kojem svjetlost putuje. Izražavanje svjetlosti kao zraka korisno je ugeometrijska optika, koji se više odnosi na prirodu čestica svjetlosti.

Crtanje dijagrama zraka koji pokazuju put svjetlosti presudno je za projektiranje takvih alata za fokusiranje svjetlosti kao što su leće, prizme, mikroskopi, teleskopi i kamere. Geometrijska optika postoji duže od fizičke optike - 1600. godine, u doba Sir Isaaca Newtona, korektivne leće za vid bile su uobičajena.