Šviesa (optika): apibrėžimas, vienetai ir šaltiniai (su spektru)

Šviesos supratimas leidžia suprasti, kaip mes matome, suvokiame spalvas ir netgi koreguojame regėjimą lęšiais. Sritisoptikanurodo šviesos tyrimą.

Kasdienėje kalboje žodis „šviesa“ dažnai tikrai reiškiamatoma šviesa, kuris yra žmogaus akimi suvokiamas tipas. Tačiau šviesa būna daugybė kitų formų, kurių didžioji dauguma žmonių nemato.

Visos šviesos šaltinis yra elektromagnetizmas, erdvę persmelkiančių elektrinių ir magnetinių laukų sąveika.Šviesos bangosyra formaelektromagnetinė radiacija; sąlygos yra keičiamos. Konkrečiai, elektromagnetinės bangos yra savaime plintantys svyravimai elektriniuose ir magnetiniuose laukuose.

Kitaip tariant, šviesa yra vibracija elektromagnetiniame lauke. Jis praeina per erdvę kaip banga.

• Šviesos greitis vakuume yra 3 × 10⁸ m / s, greičiausias greitis visatoje!

Tai unikalus ir keistas mūsų egzistavimo bruožas, kad niekas nekeliauja greičiau nei šviesa. Ir nors visa šviesa, nesvarbu, ar ji matoma, ar ne, kai susiduria, juda tuo pačiu greičiu

Šviesos sąveika su materija rodo dar vieną svarbią jos savybę: dalelių prigimtį. Vienas iš keisčiausių visatos reiškinių, šviesa iš tikrųjų yra du dalykai vienu metu: banga ir dalelė. Taibangos-dalelės dvilypumasšviesos studijas daro šiek tiek priklausomą nuo konteksto.

Kartais fizikams yra naudingiausia galvoti apie šviesą kaip apie bangą, taikant jai didžiąją dalį tos pačios matematikos ir savybių, kurios apibūdina garso bangas ir kitas mechanines bangas. Kitais atvejais šviesos, kaip dalelės, modeliavimas yra tinkamesnis, pavyzdžiui, atsižvelgiant į jos ryšį su atominės energijos lygiais arba kelią, kurį ji eis atspindėdama nuo veidrodžio.

Jei visa šviesa, matoma ar ne, techniškai yra tas pats dalykas - elektromagnetinė spinduliuotė - kuo skiriasi vienas tipas nuo kito? Jo bangos savybės.

Elektromagnetinės bangos egzistuoja skirtingų bangų ilgių ir dažnių spektruose. Kaip banga, šviesos greitis atitinka bangos greičio lygtį, kur greitis yra lygus bangos ilgio ir dažnio sandaugai:

Šioje lygtyjevyra bangos greitis metrais per sekundę (m / s),λyra bangos ilgis metrais (m) irfyra dažnis hercais (Hz).

Šviesos atveju tai galima perrašyti kintamuojucšviesos greičiui vakuume:

• ​cyra specialus kintamasis, vaizduojantis šviesos greitį vakuume. Kitose terpėse (medžiagose) šviesos greitį galima išreikšti kaip trupmenąc.​

Šis ryšys reiškia, kad šviesa gali turėti bet kokį bangos ilgio ar dažnio derinį, jei vertės yra atvirkščiai proporcingos ir jų sandauga lygic. Kitaip tariant, šviesa gali turėti adidelisdažnis ir amažasbangos ilgis, arba atvirkščiai.

Skirtingame bangos ilgyje ir dažnyje šviesa turi skirtingas savybes. Taigi, mokslininkai elektromagnetinį spektrą suskirstė į segmentus, vaizduojančius šias savybes. Pavyzdžiui, labai aukšti elektromagnetinės spinduliuotės dažniai, tokie kaip ultravioletiniai, rentgeno ar gama spinduliai, yra labai energingi - pakankamai, kad prasiskverbtų ir pakenktų kūno audiniams. Kiti, kaip ir radijo bangos, turi labai žemus dažnius, bet didelius bangos ilgius, ir jie visą laiką praeina per kūnus netrukdomi. (Taip, radijo signalas, per kurį mėgstamiausi didžėjaus kūriniai perduodami oru į jūsų prietaisą, yra elektromagnetinės spinduliuotės forma - šviesa!)

Elektromagnetinės spinduliuotės formos nuo ilgesnio bangos ilgio / žemesnių dažnių / mažos energijos iki trumpesnių bangos ilgių / aukštesnių dažnių / didelės energijos yra:

• Radio bangos
• Mikrobangų krosnelės
• Infraraudonųjų spindulių bangos
• Matoma šviesa
• Ultravioletinė šviesa
• Rentgeno spinduliai
• Gama spinduliai

[įterpti EM spektro schemą]

Matomos šviesos spektras apima 380–750 nanometrų bangos ilgius (1 nanometras yra lygus 10^-9 metrų - viena milijardo metro dalis arba maždaug vandenilio atomo skersmuo). Ši elektromagnetinio spektro dalis apima visas vaivorykštės spalvas - raudoną, oranžinę, geltoną, žalią, mėlyną, indigo ir violetinę.

[Įtraukite diagramą su matomo spektro išpūtimu]

Kadangi raudona turi ilgiausią matomų spalvų bangos ilgį, ji taip pat turi mažiausią dažnį, taigi ir mažiausią energiją. Bliuzo ir violetinės spalvos yra atvirkščiai. Kadangi spalvų energija nėra vienoda, taip pat ir jų temperatūra. Tiesą sakant, matuojant šiuos matomos šviesos temperatūros skirtumus, buvo nustatyta, kad egzistuoja kita šviesanematomasžmonėms.

1800 m. Seras Frederickas Williamas Herschelis sugalvojo eksperimentą, skirtą išmatuoti skirtingų spalvų saulės spindulių temperatūrų skirtumą, kurį jis atskyrė naudodamas prizmę. Nors jis iš tiesų rado skirtingą temperatūrą įvairiuose spalvų regionuose, jis nustebo pamatęs karščiausią visų termometre užfiksuotų temperatūrų, esančių už raudonos spalvos, kur, atrodo, nebuvo šviesos visi. Tai buvo pirmasis įrodymas, kad egzistuoja daugiau šviesos, nei žmonės matė. Jis įvardijo šio regiono šviesąinfraraudonųjų spindulių, kuris tiesiogiai reiškia „žemiau raudonos“.

Balta šviesa, kurią paprastai skleidžia standartinė lemputė, yra visų spalvų derinys. Juoda, priešingai, yranebuvimasbet kokios šviesos - iš tikrųjų visai ne spalva!

Optikos inžinieriai ir mokslininkai atsižvelgia į šviesą dviem skirtingais būdais, nustatydami, kaip ji atsimuš, derės ir fokusuos. Abu aprašymai reikalingi norint numatyti galutinį šviesos intensyvumą ir vietą, kai ji sutelkiama per lęšius ar veidrodžius.

Vienu atveju optika į šviesą žiūri kaip į serijąskersinės bangos frontai, kurios kartoja sinusines ar S formos bangas su keteromis ir loviais. Tai yrafizinė optikapožiūris, nes jis naudoja šviesos banginę prigimtį, kad suprastų, kaip šviesa sąveikauja su savimi ir veda prie trukdžių modelių, tuo pačiu būdu, kai bangos vandenyje gali sustiprinti arba panaikinti kitas išėjo.

Fizinė optika prasidėjo po 1801 m., Kai Thomasas Youngas atrado šviesos bangų savybes. Tai padeda paaiškinti tokių optinių prietaisų, kaip difrakcinės grotelės, veikimą, kuris atskiria šviesos spektrą į jo komponentų bangos ilgius ir poliarizacinius lęšius, kurie blokuoja tam tikrus bangos ilgius.

Kitas būdas galvoti apie šviesą yra aspindulys, spindulys, einantis tiesia linija. Spindulys brėžiamas kaip tiesi linija, sklindanti iš šviesos šaltinio ir nurodanti šviesos judėjimo kryptį. Šviesą kaip spindulį išreikšti yra naudingageometrinė optika, kuris labiau susijęs su dalelių šviesos prigimtimi.

Šviesos kelią parodančių spindulių diagramų piešimas yra labai svarbus projektuojant tokius šviesos fokusavimo įrankius kaip lęšiai, prizmės, mikroskopai, teleskopai ir kameros. Geometrinė optika egzistuoja ilgiau nei fizinė optika - 1600 m., Sero Isaaco Newtono laikais, korekciniai lęšiai regėjimui buvo įprasti.