Lys (optikk): definisjon, enheter og kilder (med spektrum)

Forståelse av lys lar oss forstå hvordan vi ser, oppfatter farge og til og med korrigerer vårt syn med linser. Feltet avoptikkrefererer til studiet av lys.

I daglig tale betyr ordet "lys" ofte virkeligsynlig lys, som er typen oppfattes av det menneskelige øye. Imidlertid kommer lys i mange andre former, de aller fleste mennesker ikke kan se.

Kilden til alt lys er elektromagnetisme, samspillet mellom elektriske og magnetiske felt som gjennomsyrer rommet.Lysbølgerer en form forelektromagnetisk stråling; vilkårene er utskiftbare. Spesielt er elektromagnetiske bølger selvforplantende svingninger i elektriske og magnetiske felt.

Med andre ord er lys en vibrasjon i et elektromagnetisk felt. Den passerer gjennom rommet som en bølge.

• Lysets hastighet i vakuum er 3 × 10⁸ m / s, den raskeste hastigheten i universet!

Det er et unikt og bisarrt trekk ved vår eksistens at ingenting reiser raskere enn lys. Og selv om alt lys, enten det er synlig eller ikke, beveger seg i samme hastighet når det møter

Lysets interaksjoner med materie antyder et annet av dets viktige egenskaper: dets partikkelart. Et av de merkeligste fenomenene i universet, lys er faktisk to ting på en gang: en bølge og en partikkel. Dettebølge-partikkel dualitetgjør studiet av lys noe avhengig av kontekst.

Noen ganger synes fysikere at det er mest nyttig å tenke på lys som en bølge, og bruke mye av den samme matematikken og egenskapene som beskriver lydbølger og andre mekaniske bølger. I andre tilfeller er modellering av lys som en partikkel mer hensiktsmessig, for eksempel når man vurderer dets forhold til atomenerginivåer eller veien det vil ta når det reflekteres av et speil.

Hvis alt lys, synlig eller ikke, teknisk sett er det samme - elektromagnetisk stråling - hva skiller en type fra en annen? Dens bølgeegenskaper.

Elektromagnetiske bølger eksisterer i et spektrum av forskjellige bølgelengder og frekvenser. Som en bølge følger lysets hastighet bølgehastighetsligningen, der hastigheten er lik produktet av bølgelengde og frekvens:

I denne ligningen,ver bølgehastighet i meter per sekund (m / s),λer bølgelengde i meter (m) ogfer frekvens i hertz (Hz).

I tilfelle lys kan dette skrives om med variabelencfor lysets hastighet i vakuum:

• ​cer en spesiell variabel som representerer lysets hastighet i et vakuum. I andre medier (materialer) kan lysets hastighet uttrykkes som en brøkdel avc.​

Dette forholdet innebærer at lys kan ha en hvilken som helst kombinasjon av bølgelengde eller frekvens, så lenge verdiene er omvendt proporsjonale og deres produkt er likc. Med andre ord kan lys ha enstorfrekvens og alitenbølgelengde, eller omvendt.

Ved forskjellige bølgelengder og frekvenser har lys forskjellige egenskaper. Så forskere har delt opp det elektromagnetiske spekteret i segmenter som representerer disse egenskapene. For eksempel er svært høye frekvenser av elektromagnetisk stråling, som ultrafiolette stråler, røntgenstråler eller gammastråler, veldig energiske - nok til å trenge gjennom og skade kroppsvevet. Andre, som radiobølger, har svært lave frekvenser, men høye bølgelengder, og de passerer uhindret gjennom kropper hele tiden. (Ja, radiosignalet som bærer favoritt DJ-sporene dine gjennom luften til enheten din er en form for elektromagnetisk stråling - lys!)

Formene for elektromagnetisk stråling fra lengre bølgelengder / lavere frekvenser / lav energi til kortere bølgelengder / høyere frekvenser / høy energi er:

• Radiobølger
• Mikrobølger
• Infrarøde bølger
• Synlig lys
• Ultrafiolett lys
• Røntgenbilder
• Gamma-stråler

[sett inn diagram over EM-spektrum]

Det synlige lysspekteret spenner over bølgelengder fra 380-750 nanometer (1 nanometer er lik 10^-9 meter - en milliarddel av en meter, eller omtrent diameteren til et hydrogenatom). Denne delen av det elektromagnetiske spekteret inkluderer alle regnbuens farger - rød, oransje, gul, grønn, blå, indigo og fiolett - som er synlige for øyet.

[Inkluder et diagram med en utblåsning av det synlige spekteret]

Fordi rødt har den lengste bølgelengden av de synlige fargene, har den også den minste frekvensen og dermed den laveste energien. Det motsatte gjelder for blues og fioler. Fordi fargenes energi ikke er den samme, er heller ikke temperaturen deres. Faktisk førte målingen av disse temperaturforskjellene i synlig lys til oppdagelsen av at det eksisterte annet lysusynligtil mennesker.

I 1800 utviklet Sir Frederick William Herschel et eksperiment for å måle forskjellen i temperaturer for forskjellige farger av sollys som han skilte med et prisme. Selv om han faktisk fant forskjellige temperaturer i forskjellige fargeregioner, var han overrasket over å se de hotteste temperaturen til alle registrert på termometeret like utenfor det røde, der det ikke så ut til å være noe lys alle. Dette var det første beviset på at det eksisterte mer lys enn mennesker kunne se. Han kalte lyset i denne regioneninfrarød, som oversettes direkte til "under rødt."

Hvitt lys, vanligvis hva en standardpære gir fra seg, er en kombinasjon av alle fargene. Svart, derimot, er detfraværav noe lys - egentlig ikke en farge i det hele tatt!

Optikkingeniører og forskere vurderer lys på to forskjellige måter når de bestemmer hvordan det skal sprette, kombinere og fokusere. Begge beskrivelsene er nødvendige for å forutsi den endelige intensiteten og plasseringen av lys når det fokuserer gjennom linser eller speil.

I ett tilfelle ser optikere på lys som serier avtverrgående bølgefronter, som gjentar sinusformede eller S-formede bølger med topper og kummer. Dette erfysisk optikktilnærming, da den bruker bølgenaturen til lys for å forstå hvordan lys interagerer med seg selv og fører til interferensmønstre, på samme måte som bølger i vann kan intensivere eller avbryte en en annen ut.

Fysisk optikk begynte etter 1801 da Thomas Young oppdaget lysets bølgeegenskaper. Det hjelper med å forklare virkemåten til slike optiske instrumenter som diffraksjonsgitter, som skiller spekter av lys i komponentens bølgelengder, og polarisasjonslinser, som blokkerer visse bølgelengder.

Den andre måten å tenke på lys er som enstråle, en bjelke som følger en rett sti. En stråle tegnes som en rett linje som kommer fra en lyskilde og indikerer retningen lyset beveger seg i. Å uttrykke lys som en stråle er nyttig igeometrisk optikk, som mer relaterer seg til lysets partikkelart.

Å tegne strålediagrammer som viser lysveien er avgjørende for å designe slike lysfokuserende verktøy som linser, prismer, mikroskoper, teleskoper og kameraer. Geometrisk optikk har eksistert lenger enn fysisk optikk - innen 1600, en tid av Sir Isaac Newton, var korrigerende linser vanlig.