Światło (optyka): definicja, jednostki i źródła (z widmem)

Zrozumienie światła pozwala nam zrozumieć, jak widzimy, postrzegamy kolor, a nawet korygować nasze widzenie za pomocą soczewek. Poleoptykaodnosi się do nauki o świetle.

W mowie potocznej słowo „światło” często naprawdę oznaczawidzialne światło, który jest typem postrzeganym przez ludzkie oko. Jednak światło występuje w wielu innych formach, z których większość nie jest widoczna dla ludzi.

Źródłem wszelkiego światła jest elektromagnetyzm, wzajemne oddziaływanie pól elektrycznych i magnetycznych, które przenikają przestrzeń.Fale świetlnesą formąpromieniowanie elektromagnetyczne; warunki są wymienne. W szczególności fale elektromagnetyczne to samorozchodzące się oscylacje w polach elektrycznych i magnetycznych.

Innymi słowy, światło to wibracja w polu elektromagnetycznym. Przechodzi przez przestrzeń jako fala.

• Prędkość światła w próżni wynosi 3 × 10⁸ m/s, najszybsza prędkość we wszechświecie!

Unikalną i dziwaczną cechą naszej egzystencji jest to, że nic nie porusza się szybciej niż światło. I chociaż całe światło, widoczne czy nie, porusza się z tą samą prędkością, kiedy napotyka

Interakcje światła z materią wskazują na inną z jego ważnych cech: cząsteczkową naturę. Jedno z najdziwniejszych zjawisk we wszechświecie, światło to tak naprawdę dwie rzeczy naraz: fala i cząstka. Todualizm falowo-cząsteczkowyuzależnia naukę światła od kontekstu.

Czasami fizycy uważają, że najbardziej pomocne jest myślenie o świetle jako fali, stosując do niego tę samą matematykę i właściwości, które opisują fale dźwiękowe i inne fale mechaniczne. W innych przypadkach bardziej odpowiednie jest modelowanie światła jako cząstki, na przykład przy rozważaniu jego związku z poziomami energii atomowej lub ścieżki, którą obędzie, gdy odbija się od lustra.

Jeśli całe światło, widoczne lub nie, jest technicznie tym samym – promieniowaniem elektromagnetycznym – co odróżnia jeden rodzaj od drugiego? Jego właściwości falowe.

Fale elektromagnetyczne występują w spektrum o różnych długościach fal i częstotliwościach. Jako fala prędkość światła jest zgodna z równaniem prędkości fali, gdzie prędkość jest równa iloczynowi długości fali i częstotliwości:

W tym równaniuvto prędkość fali w metrach na sekundę (m/s),λto długość fali w metrach (m) ifato częstotliwość w hercach (Hz).

W przypadku światła można to przepisać za pomocą zmiennejdodla prędkości światła w próżni:

• ​doto specjalna zmienna reprezentująca prędkość światła w próżni. W innych mediach (materiałach) prędkość światła może być wyrażona jako ułamekdo.​

Ta zależność implikuje, że światło może mieć dowolną kombinację długości fali lub częstotliwości, o ile wartości są odwrotnie proporcjonalne, a ich iloczyn jest równydo. Innymi słowy, światło może miećdużyczęstotliwość i amałydługość fali lub odwrotnie.

Przy różnych długościach fal i częstotliwościach światło ma różne właściwości. Tak więc naukowcy podzielili widmo elektromagnetyczne na segmenty reprezentujące te właściwości. Na przykład bardzo wysokie częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, takie jak promienie ultrafioletowe, rentgenowskie lub gamma, są bardzo energetyczne – wystarczające, aby przenikać i uszkadzać tkanki ciała. Inne, jak fale radiowe, mają bardzo niskie częstotliwości, ale duże długości fal i przez cały czas przechodzą przez ciała bez przeszkód. (Tak, sygnał radiowy przenoszący w powietrzu utwory Twojego ulubionego DJ-a do Twojego urządzenia jest formą promieniowania elektromagnetycznego – światła!)

Formy promieniowania elektromagnetycznego od dłuższych fal/niższych częstotliwości/niskiej energii do krótszych/wyższych częstotliwości/wysokiej energii to:

• Fale radiowe
• Mikrofale
• Fale podczerwone
• Widzialne światło
• Światło ultrafioletowe
• promienie rentgenowskie
• Promienie gamma

[wstawić wykres widma EM]

Widmo światła widzialnego obejmuje długości fal od 380-750 nanometrów (1 nanometr to 10^-9 metry – jedna miliardowa metra, czyli mniej więcej średnica atomu wodoru). Ta część widma elektromagnetycznego obejmuje wszystkie kolory tęczy – czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy – które są widoczne gołym okiem.

[Dołącz diagram z wydmuchem widma widzialnego]

Ponieważ kolor czerwony ma najdłuższą długość fali z widocznych kolorów, ma również najmniejszą częstotliwość, a tym samym najniższą energię. Odwrotnie jest w przypadku błękitu i fioletu. Ponieważ energia kolorów nie jest taka sama, podobnie jak ich temperatura. W rzeczywistości pomiar tych różnic temperatur w świetle widzialnym doprowadził do odkrycia istnienia innego światłaniewidzialnydla ludzi.

W 1800 roku Sir Frederick William Herschel opracował eksperyment, w którym zmierzył różnicę temperatur dla różnych kolorów światła słonecznego, które oddzielił za pomocą pryzmatu. Chociaż rzeczywiście znalazł różne temperatury w różnych regionach kolorów, był zaskoczony, widząc najgorętsze temperatura wszystkich zarejestrowana na termometrze tuż za czerwoną, gdzie wydawało się, że nie ma światła w wszystko. Był to pierwszy dowód na to, że istnieje więcej światła, niż ludzie mogli zobaczyć. Nazwał światło w tym regioniepodczerwień, co przekłada się bezpośrednio na „poniżej czerwonego”.

Białe światło, zwykle to, co emituje standardowa żarówka, jest kombinacją wszystkich kolorów. W przeciwieństwie do tego czarny jestbrakdowolnego światła – w ogóle nie ma koloru!

Inżynierowie optyki i naukowcy biorą pod uwagę światło na dwa różne sposoby, określając, jak będzie się odbijać, łączyć i skupiać. Oba opisy są potrzebne, aby przewidzieć ostateczną intensywność i lokalizację światła, gdy skupia się ono przez soczewki lub lustra.

W jednym przypadku optycy patrzą na światło jako serięfronty fal poprzecznych,, które są powtarzającymi się falami sinusoidalnymi lub w kształcie litery S z grzbietami i dolinami. To jestoptyka fizycznapodejście, ponieważ wykorzystuje falową naturę światła, aby zrozumieć, w jaki sposób światło oddziałuje ze sobą i prowadzi do wzorców interferencji, w taki sam sposób, w jaki fale w wodzie mogą je zintensyfikować lub anulować kolejne wyjście.

Optyka fizyczna rozpoczęła się po 1801 roku, kiedy Thomas Young odkrył właściwości falowe światła. Pomaga wyjaśnić działanie takich przyrządów optycznych, jak siatki dyfrakcyjne, które oddzielają widmo światła na jego składowe długości fal oraz soczewki polaryzacyjne, które blokują pewne długości fal.

Innym sposobem myślenia o świetle jestpromień, belka podążająca ścieżką w linii prostej. Promień jest rysowany jako linia prosta wychodząca ze źródła światła i wskazująca kierunek, w którym porusza się światło. Wyrażanie światła jako promienia jest przydatne woptyka geometryczna, który odnosi się bardziej do cząsteczkowej natury światła.

Rysowanie diagramów promieni pokazujących ścieżkę światła ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu takich narzędzi skupiających światło, jak soczewki, pryzmaty, mikroskopy, teleskopy i kamery. Optyka geometryczna istnieje dłużej niż optyka fizyczna – w 1600, erze Sir Isaaca Newtona, soczewki korekcyjne dla wzroku były powszechne.