Luz (óptica): definição, unidades e fontes (com espectro)

Compreender a luz permite-nos compreender como vemos, percebemos as cores e até corrigimos a nossa visão com lentes. O campo deóticarefere-se ao estudo da luz.

Na fala do dia-a-dia, a palavra "luz" muitas vezes realmente significaluz visível, que é o tipo percebido pelo olho humano. No entanto, a luz vem em muitas outras formas, a grande maioria das quais os humanos não podem ver.

A fonte de toda luz é o eletromagnetismo, a interação dos campos elétricos e magnéticos que permeiam o espaço.Ondas de luzsão uma forma deradiação eletromagnética; os termos são intercambiáveis. Especificamente, as ondas eletromagnéticas são oscilações de autopropagação em campos elétricos e magnéticos.

Em outras palavras, a luz é uma vibração em um campo eletromagnético. Ele passa pelo espaço como uma onda.

• A velocidade da luz no vácuo é 3 × 10⁸ m / s, a velocidade mais rápida do universo!

É uma característica única e bizarra de nossa existência que nada viaja mais rápido do que a luz. E embora toda luz, seja visível ou não, viaje na mesma velocidade, quando encontra

As interações da luz com a matéria sugerem outra de suas características importantes: sua natureza de partícula. Um dos fenômenos mais estranhos do universo, a luz é na verdade duas coisas ao mesmo tempo: uma onda e uma partícula. Estadualidade onda-partículatorna o estudo da luz um tanto dependente do contexto.

Às vezes, os físicos acham mais útil pensar na luz como uma onda, aplicando a ela muito da mesma matemática e propriedades que descrevem as ondas sonoras e outras ondas mecânicas. Em outros casos, modelar a luz como uma partícula é mais apropriado, por exemplo, ao considerar sua relação com os níveis de energia atômica ou o caminho que ela tomará ao refletir em um espelho.

Se toda luz, visível ou não, é tecnicamente a mesma coisa - radiação eletromagnética - o que distingue um tipo do outro? Suas propriedades de onda.

As ondas eletromagnéticas existem em um espectro de diferentes comprimentos de onda e frequências. Como uma onda, a velocidade da luz segue a equação da velocidade da onda, onde a velocidade é igual ao produto do comprimento de onda e frequência:

Nesta equação,vé a velocidade da onda em metros por segundo (m / s),λé o comprimento de onda em metros (m) efé a frequência em hertz (Hz).

No caso de luz, isso pode ser reescrito com a variávelcpara a velocidade da luz no vácuo:

• ​cé uma variável especial que representa a velocidade da luz no vácuo. Em outras mídias (materiais), a velocidade da luz pode ser expressa como uma fração dec.​

Esta relação implica que a luz pode ter qualquer combinação de comprimento de onda ou frequência, desde que os valores sejam inversamente proporcionais e seus produtos sejam iguaisc. Em outras palavras, a luz pode ter umamplafrequência e umpequenocomprimento de onda ou vice-versa.

Em diferentes comprimentos de onda e frequências, a luz tem propriedades diferentes. Portanto, os cientistas dividiram o espectro eletromagnético em segmentos que representam essas propriedades. Por exemplo, frequências muito altas de radiação eletromagnética, como raios ultravioleta, raios X ou raios gama, são muito energéticas - o suficiente para penetrar e danificar os tecidos do corpo. Outras, como as ondas de rádio, têm frequências muito baixas, mas comprimentos de onda elevados, e passam através dos corpos sem impedimentos o tempo todo. (Sim, o sinal de rádio que transporta as faixas do seu DJ favorito pelo ar até o seu dispositivo é uma forma de radiação eletromagnética - luz!)

As formas de radiação eletromagnética de comprimentos de onda mais longos / frequências mais baixas / baixa energia para comprimentos de onda mais curtos / frequências mais altas / alta energia são:

• Ondas de rádio
• Microondas
• Ondas infravermelhas
• Luz visível
• Luz ultravioleta
• raios X
• Raios gama

[inserir diagrama do espectro EM]

O espectro de luz visível abrange comprimentos de onda de 380-750 nanômetros (1 nanômetro é igual a 10^-9 metros - um bilionésimo de um metro, ou aproximadamente o diâmetro de um átomo de hidrogênio). Esta parte do espectro eletromagnético inclui todas as cores do arco-íris - vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, índigo e violeta - que são visíveis a olho nu.

[Incluir um diagrama com uma explosão do espectro visível]

Como o vermelho tem o comprimento de onda mais longo das cores visíveis, ele também tem a menor frequência e, portanto, a energia mais baixa. O oposto é verdadeiro para blues e violetas. Porque a energia das cores não é a mesma, nem a temperatura. Na verdade, a medição dessas diferenças de temperatura na luz visível levou à descoberta da existência de outra luzinvisívelpara os humanos.

Em 1800, Sir Frederick William Herschel planejou um experimento para medir a diferença de temperaturas para diferentes cores de luz solar que ele separou usando um prisma. Embora ele de fato tenha encontrado temperaturas diferentes em regiões de cores diferentes, ele ficou surpreso ao ver os temperatura de todas as registradas no termômetro logo além do vermelho, onde parecia não haver luz em tudo. Esta foi a primeira evidência de que existia mais luz do que os humanos podiam ver. Ele chamou a luz nesta regiãoinfravermelho, que se traduz diretamente em "abaixo do vermelho".

A luz branca, geralmente o que uma lâmpada padrão emite, é uma combinação de todas as cores. O preto, em contraste, é oausênciade qualquer luz - nem mesmo uma cor!

Engenheiros óticos e cientistas consideram a luz de duas maneiras diferentes ao determinar como ela irá refletir, combinar e focar. Ambas as descrições são necessárias para prever a intensidade final e a localização da luz conforme ela se concentra através de lentes ou espelhos.

Em um caso, os oculistas olham para a luz como uma série defrentes de onda transversais, que estão repetindo ondas sinusoidais ou em forma de S com cristas e depressões. Isto é oótica físicaabordagem, pois usa a natureza ondulatória da luz para entender como a luz interage com ela mesma e leva a padrões de interferência, da mesma forma que as ondas na água podem intensificar ou cancelar um outro fora.

A óptica física começou depois de 1801, quando Thomas Young descobriu as propriedades das ondas da luz. Isso ajuda a explicar o funcionamento de instrumentos ópticos como grades de difração, que separam o espectro de luz em seus comprimentos de onda componentes e lentes de polarização, que bloqueiam certos comprimentos de onda.

A outra maneira de pensar na luz é como umraio, um feixe seguindo um caminho em linha reta. Um raio é desenhado como uma linha reta que emana de uma fonte de luz e indica a direção em que a luz viaja. Expressar a luz como um raio é útil emótica geométrica, que se relaciona mais com a natureza da partícula da luz.

Desenhar diagramas de raios mostrando o caminho da luz é fundamental para projetar ferramentas de foco de luz como lentes, prismas, microscópios, telescópios e câmeras. A ótica geométrica existe há mais tempo do que a ótica física - em 1600, a era de Sir Isaac Newton, as lentes corretivas para a visão eram comuns.