Comprendere la luce ci permette di capire come vediamo, percepiamo il colore e persino correggere la nostra visione con le lenti. Il campo diotticasi riferisce allo studio della luce.
Cos'è la luce?
Nel linguaggio di tutti i giorni, la parola "luce" spesso significa davveroluce visibile, che è il tipo percepito dall'occhio umano. Tuttavia, la luce arriva in molte altre forme, la stragrande maggioranza delle quali gli umani non possono vedere.
La fonte di tutta la luce è l'elettromagnetismo, l'interazione di campi elettrici e magnetici che permeano lo spazio.Onde luminosesono una forma diradiazioni elettromagnetiche; i termini sono intercambiabili. Nello specifico, le onde elettromagnetiche sono oscillazioni che si autopropagano nei campi elettrici e magnetici.
In altre parole, la luce è una vibrazione in un campo elettromagnetico. Attraversa lo spazio come un'onda.
Suggerimenti
La velocità della luce nel vuoto è 3 × 108 m/s, la velocità più alta dell'universo!
È una caratteristica unica e bizzarra della nostra esistenza che nulla viaggia più veloce della luce. E sebbene tutta la luce, visibile o no, viaggi alla stessa velocità, quando incontra
Le interazioni della luce con la materia suggeriscono un'altra delle sue importanti caratteristiche: la sua natura particellare. Uno dei fenomeni più strani nell'universo, la luce è in realtà due cose contemporaneamente: un'onda e una particella. Questodualità onda-particellarende lo studio della luce in qualche modo dipendente dal contesto.
A volte, i fisici trovano molto utile pensare alla luce come un'onda, applicando ad essa gran parte della stessa matematica e proprietà che descrivono le onde sonore e altre onde meccaniche. In altri casi, modellare la luce come una particella è più appropriato, ad esempio quando si considera la sua relazione con i livelli di energia atomica o il percorso che prenderà quando si rifletterà su uno specchio.
Lo spettro elettromagnetico
Se tutta la luce, visibile o meno, è tecnicamente la stessa cosa – radiazione elettromagnetica – cosa distingue un tipo da un altro? Le sue proprietà ondulatorie.
Le onde elettromagnetiche esistono in uno spettro di diverse lunghezze d'onda e frequenze. Come un'onda, la velocità della luce segue l'equazione della velocità dell'onda, dove la velocità è uguale al prodotto della lunghezza d'onda e della frequenza:
v-\lambda f
In questa equazione,vè la velocità dell'onda in metri al secondo (m/s),λè la lunghezza d'onda in metri (m) efè la frequenza in hertz (Hz).
Nel caso della luce, questo può essere riscritto con la variabilecper la velocità della luce nel vuoto:
c=\lambda f
Suggerimenti
cè una variabile speciale che rappresenta la velocità della luce nel vuoto. In altri media (materiali), la velocità della luce può essere espressa come una frazione dic.
Questa relazione implica che la luce può avere qualsiasi combinazione di lunghezza d'onda o frequenza, purché i valori siano inversamente proporzionali e il loro prodotto sia ugualec. In altre parole, la luce può avere ungrandefrequenza e apiccololunghezza d'onda, o viceversa.
A diverse lunghezze d'onda e frequenze, la luce ha proprietà diverse. Quindi, gli scienziati hanno suddiviso lo spettro elettromagnetico in segmenti che rappresentano queste proprietà. Ad esempio, le frequenze molto alte delle radiazioni elettromagnetiche, come i raggi ultravioletti, i raggi X oi raggi gamma, sono molto energiche, abbastanza da penetrare e danneggiare i tessuti del corpo. Altri, come le onde radio, hanno frequenze molto basse ma lunghezze d'onda elevate e passano continuamente attraverso i corpi senza impedimenti. (Sì, il segnale radio che trasporta i brani del tuo DJ preferito attraverso l'aria fino al tuo dispositivo è una forma di radiazione elettromagnetica: luce!)
Le forme di radiazione elettromagnetica da lunghezze d'onda più lunghe/frequenze più basse/bassa energia a lunghezze d'onda più corte/frequenze più alte/alta energia sono:
- Onde radio
- Microonde
- Onde infrarosse
- Luce visibile
- Luce ultravioletta
- raggi X
- Raggi gamma
[inserire diagramma dello spettro EM]
Lo spettro visibile
Lo spettro della luce visibile abbraccia lunghezze d'onda da 380-750 nanometri (1 nanometro equivale a 10-9 metri – un miliardesimo di metro, o circa il diametro di un atomo di idrogeno). Questa parte dello spettro elettromagnetico include tutti i colori dell'arcobaleno – rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e viola – che sono visibili all'occhio.
[Includi un diagramma con una esplosione dello spettro visibile]
Poiché il rosso ha la lunghezza d'onda più lunga dei colori visibili, ha anche la frequenza più piccola e quindi l'energia più bassa. È vero il contrario per i blu e i viola. Perché l'energia dei colori non è la stessa, nemmeno la loro temperatura. Infatti, la misurazione di queste differenze di temperatura nella luce visibile ha portato alla scoperta dell'esistenza di altra luceinvisibileagli umani.
Nel 1800, Sir Frederick William Herschel ideò un esperimento per misurare la differenza di temperatura per diversi colori della luce solare che separava usando un prisma. Sebbene abbia effettivamente trovato temperature diverse in diverse regioni di colore, è stato sorpreso di vedere il più caldo temperatura di tutti registrata sul termometro appena oltre il rosso, dove sembrava non esserci luce a tutti. Questa è stata la prima prova che esisteva più luce di quanta gli umani potessero vedere. Ha chiamato la luce in questa regioneinfrarossi, che si traduce direttamente in "sotto il rosso".
La luce bianca, di solito quella che emana una lampadina standard, è una combinazione di tutti i colori. Il nero, al contrario, è ilassenzadi qualsiasi luce – non proprio un colore!
Fronti d'onda e raggi
Gli ingegneri e gli scienziati dell'ottica considerano la luce in due modi diversi quando determinano come rimbalzerà, si combinerà e si concentrerà. Entrambe le descrizioni sono necessarie per prevedere l'intensità finale e la posizione della luce mentre si concentra attraverso lenti o specchi.
In un caso, gli ottici considerano la luce come una serie difronti d'onda trasversali, che si ripetono onde sinusoidali oa forma di S con creste e avvallamenti. Questo è ilottica fisicaapproccio, poiché utilizza la natura ondulatoria della luce per capire come la luce interagisce con se stessa e porta a schemi di interferenza, allo stesso modo in cui le onde nell'acqua possono intensificarne o annullarne uno un altro fuori.
L'ottica fisica iniziò dopo il 1801 quando Thomas Young scoprì le proprietà ondulatorie della luce. Aiuta a spiegare il funzionamento di tali strumenti ottici come reticoli di diffrazione, che separano il spettro di luce nelle sue lunghezze d'onda componenti e lenti di polarizzazione, che bloccano certi lunghezze d'onda.
L'altro modo di pensare alla luce è come araggio, un raggio che segue un percorso rettilineo. Un raggio è disegnato come una linea retta che emana da una sorgente luminosa e indica la direzione in cui viaggia la luce. Esprimere la luce come un raggio è utile inottica geometrica, che si riferisce più alla natura particellare della luce.
Disegnare diagrammi dei raggi che mostrano il percorso della luce è fondamentale per la progettazione di strumenti di messa a fuoco della luce come lenti, prismi, microscopi, telescopi e fotocamere. L'ottica geometrica esiste da più tempo dell'ottica fisica: nel 1600, l'era di Sir Isaac Newton, le lenti correttive per la vista erano all'ordine del giorno.
