Gaisma (optika): definīcija, vienības un avoti (ar spektru)

Gaismas izpratne ļauj mums saprast, kā mēs redzam, uztveram krāsu un pat koriģējam redzi ar lēcām. Jomaoptikaattiecas uz gaismas izpēti.

Ikdienas runā vārds "gaisma" bieži patiešām nozīmēredzamā gaisma, kuru tipu uztver cilvēka acs. Tomēr gaisma nāk daudzos citos veidos, no kuriem lielāko daļu cilvēki neredz.

Visu gaismas avots ir elektromagnētisms, elektrisko un magnētisko lauku mijiedarbība, kas caurstrāvo telpu.Gaismas viļņiir formaelektromagnētiskā radiācija; noteikumi ir savstarpēji aizstājami. Konkrēti, elektromagnētiskie viļņi ir pašpopulējošas svārstības elektriskajā un magnētiskajā laukā.

Citiem vārdiem sakot, gaisma ir vibrācija elektromagnētiskajā laukā. Tas iet caur kosmosu kā vilnis.

• Gaismas ātrums vakuumā ir 3 × 10⁸ m / s, ātrākais ātrums Visumā!

Tā ir unikāla un savāda mūsu eksistences iezīme, ka nekas nepārvietojas ātrāk par gaismu. Un, lai gan visa gaisma, neatkarīgi no tā, vai tā ir redzama vai nē, satiekoties pārvietojas ar tādu pašu ātrumujautājums, tas palēninās. Tā kā gaisma mijiedarbojas ar matēriju (kas nepastāv vakuumā), jo viela ir blīvāka, jo lēnāk tā pārvietojas.

Gaismas mijiedarbība ar matēriju norāda uz vēl vienu tās svarīgo īpašību: tās daļiņu dabu. Viena no visdīvainākajām parādībām Visumā gaisma faktiski ir divas lietas vienlaikus: vilnis un daļiņa. Šisviļņu-daļiņu dualitātepadara gaismas studēšanu nedaudz atkarīgu no konteksta.

Reizēm fiziķiem šķiet visnoderīgāk domāt par gaismu kā par viļņu, piemērojot tai lielu daļu tās pašas matemātikas un īpašību, kas apraksta skaņas viļņus un citus mehāniskos viļņus. Citos gadījumos gaismas kā daļiņas modelēšana ir piemērotāka, piemēram, ņemot vērā tās saistību ar atomu enerģijas līmeņiem vai ceļu, kuru tā veiks, atstarojoties no spoguļa.

Ja visa gaisma, redzama vai nē, tehniski ir viena un tā pati - elektromagnētiskais starojums - kas atšķir vienu tipu no cita? Tās viļņu īpašības.

Elektromagnētiskie viļņi pastāv dažādu viļņu garumu un frekvenču spektrā. Kā vilnis gaismas ātrums seko viļņa ātruma vienādojumam, kur ātrums ir vienāds ar viļņa garuma un frekvences reizinājumu:

Šajā vienādojumāvir viļņa ātrums metros sekundē (m / s),λir viļņa garums metros (m) unfir frekvence hercos (Hz).

Gaismas gadījumā to var pārrakstīt ar mainīgocgaismas ātrumam vakuumā:

• ​cir īpašs mainīgais, kas attēlo gaismas ātrumu vakuumā. Citos materiālos (materiālos) gaismas ātrumu var izteikt kā daļu noc.​

Šī attiecība nozīmē, ka gaismai var būt jebkura viļņa garuma vai frekvences kombinācija, ja vien vērtības ir apgriezti proporcionālas un to reizinājums ir vienādsc. Citiem vārdiem sakot, gaismai var būt alielsbiežums un amazsviļņa garums, vai otrādi.

Dažādos viļņu garumos un frekvencēs gaismai ir dažādas īpašības. Tātad, zinātnieki ir sadalījuši elektromagnētisko spektru segmentos, kas pārstāv šīs īpašības. Piemēram, ļoti augstas elektromagnētiskā starojuma frekvences, piemēram, ultravioletie, rentgena vai gamma stari, ir ļoti enerģiski - pietiekami, lai iekļūtu ķermeņa audos un kaitētu tiem. Citiem, tāpat kā radioviļņiem, ir ļoti zemas frekvences, bet augsts viļņu garums, un tie visu laiku šķērso ķermeņus netraucēti. (Jā, radio signāls, kas iecienītāko dīdžeju ierakstus pa gaisu ved uz ierīci, ir elektromagnētiskā starojuma veids - gaisma!)

Elektromagnētiskā starojuma formas no garākiem viļņu garumiem / zemākām frekvencēm / zemas enerģijas līdz īsākiem viļņu garumiem / augstākām frekvencēm / augstas enerģijas ir:

• Radioviļņi
• Mikroviļņu krāsnis
• Infrasarkanie viļņi
• Redzamā gaisma
• Ultravioletā gaisma
• Rentgens
• Gamma stari

[ievietot EM spektra diagrammu]

Redzamās gaismas spektrs aptver viļņu garumus no 380-750 nanometriem (1 nanometrs ir vienāds ar 10^-9 metri - viena miljardā daļa metra jeb aptuveni ūdeņraža atoma diametrs). Šī elektromagnētiskā spektra daļa ietver visas varavīksnes krāsas - sarkanu, oranžu, dzeltenu, zaļu, zilu, indigo un violetu -, kas ir redzamas acij.

[Iekļaujiet diagrammu ar redzamā spektra izpūšanu]

Tā kā sarkanajam ir visilgākais redzamo krāsu viļņa garums, tam ir arī mazākā frekvence un līdz ar to arī mazākā enerģija. Blūziem un vijolītēm ir tieši otrādi. Tā kā krāsu enerģija nav vienāda, nav arī to temperatūras. Faktiski, mērot šīs redzamās gaismas temperatūras atšķirības, tika atklāts citas gaismas esamībaneredzamscilvēkiem.

1800. gadā sers Frederiks Viljams Heršels izstrādāja eksperimentu, lai izmērītu temperatūras starpību dažādām saules gaismas krāsām, kuras viņš atdalīja, izmantojot prizmu. Lai gan viņš patiešām atrada dažādas temperatūras dažādos krāsu reģionos, viņš bija pārsteigts, redzot karstāko visu termometrā reģistrēto temperatūru aiz sarkanā, kur, šķiet, nav gaismas visi. Tas bija pirmais pierādījums tam, ka eksistēja vairāk gaismas, nekā cilvēki varēja redzēt. Viņš nosauca gaismu šajā reģionāinfrasarkanais, kas tulkojumā tieši nozīmē "zem sarkanā".

Balta gaisma, ko parasti izstaro standarta spuldze, ir visu krāsu kombinācija. Turpretī melnā krāsa irprombūtnejebkuras gaismas - patiesībā nemaz nav krāsa!

Optikas inženieri un zinātnieki apsver gaismu divos dažādos veidos, nosakot, kā tā atsitīsies, apvienosies un koncentrēsies. Abi apraksti ir nepieciešami, lai prognozētu gaismas galīgo intensitāti un atrašanās vietu, kad tā fokusējas caur lēcām vai spoguļiem.

Vienā gadījumā optika uz gaismu raugās kā uz sērijušķērsvirziena viļņu frontes, kas atkārto sinusoidālus vai S formas viļņus ar cekuliem un silēm. Tas irfiziskā optikapieeja, jo tā izmanto gaismas viļņu dabu, lai saprastu, kā gaisma mijiedarbojas ar sevi un noved pie traucējumu modeļiem, tāpat kā viļņi ūdenī var tos pastiprināt vai atcelt cits ārā.

Fiziskā optika sākās pēc 1801. gada, kad Tomass Jangs atklāja gaismas viļņu īpašības. Tas palīdz izskaidrot tādu optisko instrumentu darbību kā difrakcijas režģi, kas nodala gaismas spektru tā viļņu garumos un polarizācijas lēcas, kas bloķē noteiktus viļņu garumi.

Cits veids, kā domāt par gaismu, ir astaru, staru kūlis pa taisnas līnijas ceļu. Stars tiek uzzīmēts kā taisna līnija, kas nāk no gaismas avota un norāda virzienu, kādā gaisma virzās. Gaismas izteikšana kā stars ir noderīgaģeometriskā optika, kas vairāk attiecas uz gaismas daļiņu dabu.

Staru diagrammu zīmēšana, kas parāda gaismas ceļu, ir izšķiroša, izstrādājot tādus gaismas fokusēšanas rīkus kā lēcas, prizmas, mikroskopus, teleskopus un kameras. Ģeometriskā optika ir pastāvējusi ilgāk nekā fiziskā optika - līdz 1600. gadam, sera Īzaka Ņūtona laikmetā, redzes koriģējošās lēcas bija ikdiena.