Door licht te begrijpen, kunnen we begrijpen hoe we zien, kleur waarnemen en zelfs ons zicht corrigeren met lenzen. Het vakgebied vanoptiekverwijst naar de studie van licht.
Wat is licht?
In alledaagse spraak betekent het woord "licht" vaak echt:zichtbaar licht, het type dat door het menselijk oog wordt waargenomen. Licht komt echter in vele andere vormen voor, waarvan de overgrote meerderheid mensen niet kan zien.
De bron van alle licht is elektromagnetisme, het samenspel van elektrische en magnetische velden die de ruimte doordringen.Lichtgolvenzijn een vorm vanelectromagnetische straling; de termen zijn onderling uitwisselbaar. Specifiek zijn elektromagnetische golven zelfvoortplantende oscillaties in elektrische en magnetische velden.
Met andere woorden, licht is een trilling in een elektromagnetisch veld. Het gaat als een golf door de ruimte.
Tips
De lichtsnelheid in vacuüm is 3 × 108 m/s, de hoogste snelheid in het heelal!
Het is een uniek en bizar kenmerk van ons bestaan dat niets sneller reist dan het licht. En hoewel al het licht, of het nu zichtbaar is of niet, met dezelfde snelheid reist, wanneer het elkaar tegenkomt
De interacties van licht met materie duiden op een andere belangrijke eigenschap: de aard van deeltjes. Een van de vreemdste verschijnselen in het universum, licht is eigenlijk twee dingen tegelijk: een golf en een deeltje. Ditdualiteit golf-deeltjesmaakt het bestuderen van licht enigszins contextafhankelijk.
Soms vinden natuurkundigen het heel nuttig om licht als een golf te zien, waarbij ze veel van dezelfde wiskunde en eigenschappen toepassen die geluidsgolven en andere mechanische golven beschrijven. In andere gevallen is het modelleren van licht als een deeltje geschikter, bijvoorbeeld als we kijken naar de relatie met atomaire energieniveaus of het pad dat het zal volgen als het van een spiegel weerkaatst.
Het elektromagnetische spectrum
Als al het licht, zichtbaar of niet, technisch gezien hetzelfde is – elektromagnetische straling – wat onderscheidt het ene type dan van het andere? Zijn golfeigenschappen.
Elektromagnetische golven bestaan in een spectrum van verschillende golflengten en frequenties. Als een golf volgt de snelheid van het licht de golfsnelheidsvergelijking, waarbij de snelheid gelijk is aan het product van golflengte en frequentie:
v-\lambda f
In deze vergelijking,vis de golfsnelheid in meter per seconde (m/s),λis de golflengte in meter (m) enfis frequentie in hertz (Hz).
In het geval van licht kan dit worden herschreven met de variabelecvoor de lichtsnelheid in een vacuüm:
c=\lambda f
Tips
cis een speciale variabele die de lichtsnelheid in een vacuüm weergeeft. In andere media (materialen) kan de lichtsnelheid worden uitgedrukt als een fractie van fractionc.
Deze relatie houdt in dat licht elke combinatie van golflengte of frequentie kan hebben, zolang de waarden omgekeerd evenredig zijn en hun product gelijk is aanc. Met andere woorden, licht kan eengrootfrequentie en akleingolflengte, of omgekeerd.
Bij verschillende golflengten en frequenties heeft licht verschillende eigenschappen. Dus hebben wetenschappers het elektromagnetische spectrum opgedeeld in segmenten die deze eigenschappen vertegenwoordigen. Zeer hoge frequenties van elektromagnetische straling, zoals ultraviolette stralen, röntgenstralen of gammastralen, zijn bijvoorbeeld zeer energiek - genoeg om lichaamsweefsels binnen te dringen en te beschadigen. Anderen, zoals radiogolven, hebben zeer lage frequenties maar hoge golflengten, en ze gaan de hele tijd ongehinderd door lichamen. (Ja, het radiosignaal dat de nummers van je favoriete DJ door de lucht naar je apparaat vervoert, is een vorm van elektromagnetische straling – licht!)
De vormen van elektromagnetische straling van langere golflengten/lagere frequenties/lage energie naar kortere golflengten/hogere frequenties/hoge energie zijn:
- Radio golven
- Magnetrons
- Infrarood golven
- Zichtbaar licht
- Ultraviolet licht
- röntgenstralen
- Gamma stralen
[vul diagram van EM-spectrum in]
Het zichtbare spectrum
Het zichtbare lichtspectrum omspant golflengten van 380-750 nanometer (1 nanometer is gelijk aan 10-9 meter - een miljardste van een meter, of ongeveer de diameter van een waterstofatoom). Dit deel van het elektromagnetische spectrum omvat alle kleuren van de regenboog - rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet - die voor het oog zichtbaar zijn.
[Voeg een diagram toe met een uitbarsting van het zichtbare spectrum]
Omdat rood de langste golflengte van de zichtbare kleuren heeft, heeft het ook de kleinste frequentie en dus de laagste energie. Het tegenovergestelde geldt voor blues en viooltjes. Omdat de energie van de kleuren niet hetzelfde is, is hun temperatuur dat ook niet. In feite leidde het meten van deze temperatuurverschillen in zichtbaar licht tot de ontdekking van het bestaan van ander lichtonzichtbaaraan mensen.
In 1800 bedacht Sir Frederick William Herschel een experiment om het temperatuurverschil te meten voor verschillende kleuren zonlicht die hij van elkaar scheidde met een prisma. Hoewel hij inderdaad verschillende temperaturen vond in verschillende kleurgebieden, was hij verrast om de heetste te zien temperatuur van alles geregistreerd op de thermometer net voorbij het rood, waar er geen licht leek te zijn alle. Dit was het eerste bewijs dat er meer licht bestond dan mensen konden zien. Hij noemde het licht in deze regioinfrarood, wat zich direct vertaalt naar 'onder rood'.
Wit licht, meestal wat een gloeilamp uitstraalt, is een combinatie van alle kleuren. Zwart daarentegen is deafwezigheidvan elk licht - helemaal geen kleur!
Golffronten en stralen
Optica-ingenieurs en wetenschappers beschouwen licht op twee verschillende manieren bij het bepalen hoe het zal stuiteren, combineren en focussen. Beide beschrijvingen zijn nodig om de uiteindelijke intensiteit en locatie van licht te voorspellen wanneer het door lenzen of spiegels wordt gefocust.
In één geval beschouwen opticiens licht als een reeks vantransversale golffronten, die zich herhalende sinusvormige of S-vormige golven met toppen en dalen. Dit is defysieke opticabenadering, omdat het de golvende aard van licht gebruikt om te begrijpen hoe licht met zichzelf interageert en leidt tot interferentiepatronen, net zoals golven in water die kunnen versterken of opheffen cancel een ander uit.
Fysieke optica begon na 1801 toen Thomas Young de golfeigenschappen van licht ontdekte. Het helpt om de werking van optische instrumenten te verklaren, zoals diffractieroosters, die de spectrum van licht in de samenstellende golflengten en polarisatielenzen, die bepaalde golflengten.
De andere manier om aan licht te denken is als eenstraal, een straal die een rechtlijnig pad volgt. Een straal wordt getekend als een rechte lijn die uit een lichtbron komt en de richting aangeeft waarin het licht zich voortplant. Het uitdrukken van licht als een straal is nuttig ingeometrische optica, die meer betrekking heeft op de deeltjesaard van licht.
Het tekenen van straaldiagrammen die het pad van het licht laten zien, is van cruciaal belang voor het ontwerpen van lichtfocusserende gereedschappen zoals lenzen, prisma's, microscopen, telescopen en camera's. Geometrische optica bestaat al langer dan fysieke optica - tegen 1600, het tijdperk van Sir Isaac Newton, waren corrigerende lenzen voor het gezichtsvermogen gemeengoed.