הבנת האור מאפשרת לנו להבין כיצד אנו רואים, תופסים צבע ואף מתקנים את ראייתנו בעזרת עדשות. התחום שלאוֹפְּטִיקָהמתייחס לחקר האור.
מה זה אור?
בדיבור יומיומי, המילה "אור" פירושה לרוב באמתאור נראה, שהוא הסוג הנתפס בעין האנושית. עם זאת, האור מגיע בצורות רבות אחרות, שרובם המכריע בני האדם אינם יכולים לראות.
מקור כל האור הוא אלקטרומגנטיות, יחסי הגומלין בין שדות חשמליים ומגנטיים המחלחלים לחלל.גלי אורהם סוג שלקרינה אלקטרומגנטית; התנאים ניתנים להחלפה. באופן ספציפי, גלים אלקטרומגנטיים הם תנודות המתפשטות עצמית בשדות חשמליים ומגנטיים.
במילים אחרות, אור הוא רטט בשדה אלקטרומגנטי. הוא עובר בחלל כגל.
טיפים
מהירות האור בחלל ריק היא 3 × 108 m / s, המהירות המהירה ביותר ביקום!
זהו מאפיין ייחודי ומוזר בקיומנו ששום דבר לא עובר מהר יותר מאור. ולמרות שכל האור, בין אם גלוי ובין אם לאו, נע באותה מהירות, כאשר הוא נתקלחוֹמֶר, זה מאט. מכיוון שאור מתקשר עם חומר (שאינו קיים בחלל ריק), ככל שהחומר צפוף יותר, כך הוא נע לאט יותר.
האינטראקציות של האור עם החומר מרמזות על מאפיין חשוב אחר: טבע החלקיקים שלו. אחת התופעות המוזרות ביקום, האור הוא למעשה שני דברים בבת אחת: גל וחלקיק. זֶה
לעיתים, פיסיקאים מועילים ביותר לחשוב על אור כעל גל, ולהחיל עליו הרבה מאותן מתמטיקה ותכונות המתארות גלי קול וגלים מכניים אחרים. במקרים אחרים, דוגמת אור כחלקיק מתאימה יותר, למשל כאשר בוחנים את יחסו לרמות האנרגיה האטומית או את הנתיב שהוא יעבור כשהוא משקף ממראה.
הספקטרום האלקטרומגנטי
אם כל האור, גלוי או לא, הוא מבחינה טכנית אותו הדבר - קרינה אלקטרומגנטית - מה מבדיל סוג אחד משני? תכונות הגל שלה.
גלים אלקטרומגנטיים קיימים בספקטרום של אורכי גל ותדרים שונים. כגל, מהירות האור עוקבת אחר משוואת מהירות הגל, כאשר המהירות שווה לתוצר של אורך גל ותדר:
v- \ lambda f
במשוואה זו,vהוא מהירות הגל במטרים לשנייה (m / s),λהוא אורך הגל במטרים (מ ') וfהוא תדר בהרץ (הרץ).
במקרה של אור, ניתן לשכתב זאת באמצעות המשתנהגלמהירות האור בחלל ריק:
c = \ lambda f
טיפים
גהוא משתנה מיוחד המייצג את מהירות האור בחלל ריק. בתקשורת (חומרים) אחרים, מהירות האור יכולה לבוא לידי ביטוי כשבריר שלג.
מערכת יחסים זו מרמזת כי לאור יכול להיות כל שילוב של אורך גל או תדר, כל עוד הערכים פרופורציונליים הפוכים והמוצר שלהם שווהג. במילים אחרות, לאור יכול להיותגָדוֹלתדר וקָטָןאורך גל, או להיפך.
באורכי גל ותדרים שונים, לאור יש תכונות שונות. אז מדענים חילקו את הספקטרום האלקטרומגנטי למקטעים המייצגים תכונות אלה. לדוגמא, תדרים גבוהים מאוד של קרינה אלקטרומגנטית, כמו קרני אולטרה סגול, צילומי רנטגן או קרני גמא, הם אנרגטיים מאוד - מספיק כדי לחדור ולפגוע ברקמות הגוף. לאחרים, כמו גלי רדיו, יש תדרים נמוכים מאוד אך אורכי גל גבוהים, והם עוברים דרך גופים ללא הפרעה כל הזמן. (כן, אות הרדיו המוביל את רצועות התקליטנים האהובים עליכם באוויר למכשיר שלכם הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית - אור!)
צורות הקרינה האלקטרומגנטית מאורכי גל ארוכים יותר / תדרים נמוכים יותר / אנרגיה נמוכה לאורכי גל קצרים יותר / תדרים גבוהים יותר / אנרגיה גבוהה הן:
- גלי רדיו
- מיקרוגל
- גלים אינפרא-אדום
- אור נראה
- אור אולטרה סגול
- צילומי רנטגן
- קרני גמא
[הוסף תרשים של ספקטרום EM]
הספקטרום הגלוי
ספקטרום האור הגלוי משתרע על אורכי גל בין 380-750 ננומטר (ננומטר אחד שווה ל -10-9 מטר - מיליארד מטר, או בקוטר של אטום מימן). חלק זה של הספקטרום האלקטרומגנטי כולל את כל צבעי הקשת - אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו וסגול - הנראים לעין.
[כלול תרשים עם פיצוץ של הספקטרום הגלוי]
מכיוון שלאדום יש את אורך הגל הארוך ביותר של הצבעים הגלויים, יש לו גם את התדר הקטן ביותר ובכך את האנרגיה הנמוכה ביותר. ההפך הוא הנכון לגבי בלוז וסיגליות. מכיוון שאנרגיית הצבעים אינה זהה, גם הטמפרטורה שלהם אינה. למעשה, מדידת הבדלי הטמפרטורה הללו באור הנראה הובילה לגילוי קיומו של אור אחרבלתי נראהלבני אדם.
בשנת 1800 המציא סר פרדריק ויליאם הרשל ניסוי למדידת ההבדל בטמפרטורות עבור צבעי שמש שונים שהפריד באמצעות פריזמה. בעוד שהוא אכן מצא טמפרטורות שונות באזורי צבע שונים, הוא הופתע לראות את החמים ביותר הטמפרטורה של כל הרשומות במד החום ממש מעבר לאדום, שם נראה שלא היה אור את כל. זו הייתה הראיה הראשונה לכך שקיים יותר אור ממה שבני האדם יכלו לראות. הוא כינה את האור באזור זהאינפרא אדום, שמתורגם ישירות ל" מתחת לאדום ".
אור לבן, בדרך כלל מה שנורה רגילה פולטת, הוא שילוב של כל הצבעים. לעומת זאת, השחור הואהֶעְדֵרמכל אור - לא ממש צבע בכלל!
חזיתות קרניים וגלים
מהנדסי אופטיקה ומדענים רואים אור בשתי דרכים שונות כאשר הם קובעים כיצד הוא יקפיץ, ישלב ויתמקד. שני התיאורים נחוצים כדי לחזות את עוצמת האור הסופית ומיקומה כאשר הוא מתמקד דרך עדשות או מראות.
במקרה אחד, אופטיקאים מסתכלים על האור כסדרה שלחזיתות גל רוחביות, שחוזרים על גלים סינוסים או בצורת S עם פסגות ושפלות. זהאופטיקה פיזיתגישה, כאשר היא משתמשת באופי הגל של האור כדי להבין כיצד האור מתקשר עם עצמו ו מוביל לדפוסי הפרעה, באותה דרך שגלים במים יכולים להתעצם או לבטל אחד מהם עוד אחד החוצה.
האופטיקה הפיזית החלה לאחר 1801 כאשר תומאס יאנג גילה את תכונות הגל של האור. זה עוזר להסביר את פעולתם של מכשירים אופטיים כגון רשתות דיפרקציה, המפרידות בין ספקטרום של אור באורכי הגל המרכיבים שלו, ועדשות קיטוב, החוסמות מסוימות אורכי גל.
הדרך האחרת לחשוב על אור היא כמוקֶרֶן, קרן בעקבות קו ישר. קרן משורטטת כקו ישר הבוקע ממקור אור ומציין את כיוון האור נע. הבעת אור כקרן שימושית באופטיקה גיאומטרית, המתייחס יותר לטבע החלקיקים של האור.
ציור דיאגרמות קרניים המראות את נתיב האור הוא קריטי לתכנון כלים ממוקדי אור כמו עדשות, מנסרות, מיקרוסקופים, טלסקופים ומצלמות. אופטיקה גיאומטרית קיימת זמן רב יותר מאופטיקה פיזית - עד 1600, עידן סר אייזק ניוטון, עדשות מתקנות לראייה היו מקובלות.