Lumina (optică): definiție, unități și surse (cu spectru)

Înțelegerea luminii ne permite să înțelegem modul în care vedem, percepem culoarea și chiar ne corectăm vederea cu lentile. Campul deopticăse referă la studiul luminii.

În vorbirea de zi cu zi, cuvântul „lumină” înseamnă adesea cu adevăratlumina vizibila, care este tipul perceput de ochiul uman. Cu toate acestea, lumina vine sub multe alte forme, marea majoritate a cărora oamenii nu le pot vedea.

Sursa tuturor luminii este electromagnetismul, interacțiunea câmpurilor electrice și magnetice care pătrund în spațiu.Undele de luminăsunt o formă deradiatie electromagnetica; termenii sunt interschimbabili. Mai exact, undele electromagnetice sunt oscilații de auto-propagare în câmpuri electrice și magnetice.

Cu alte cuvinte, lumina este o vibrație într-un câmp electromagnetic. Trece prin spațiu ca o undă.

• Viteza luminii în vid este de 3 × 10⁸ m / s, cea mai rapidă viteză din univers!

Este o trăsătură unică și bizară a existenței noastre că nimic nu călătorește mai repede decât lumina. Și, deși toată lumina, vizibilă sau nu, călătorește cu aceeași viteză, atunci când se întâlnește

Interacțiunile luminii cu materia indică o altă dintre caracteristicile sale importante: natura particulelor sale. Unul dintre cele mai ciudate fenomene din univers, lumina este de fapt două lucruri simultan: o undă și o particulă. Acestdualitatea undă-particulăface ca studierea luminii să fie oarecum dependentă de context.

Uneori, fizicienii consideră că este cel mai util să se gândească la lumină ca la o undă, aplicându-i o mare parte din aceeași matematică și proprietăți care descriu undele sonore și alte unde mecanice. În alte cazuri, modelarea luminii ca o particulă este mai potrivită, de exemplu atunci când se ia în considerare relația acesteia cu nivelurile de energie atomică sau calea pe care o va lua în timp ce se reflectă pe o oglindă.

Dacă toată lumina, vizibilă sau nu, este din punct de vedere tehnic același lucru - radiația electromagnetică - ce distinge un tip de altul? Proprietățile sale de undă.

Undele electromagnetice există într-un spectru de lungimi de undă și frecvențe diferite. Ca undă, viteza luminii urmează ecuația vitezei undei, unde viteza este egală cu produsul lungimii de undă și frecvenței:

În această ecuație,veste viteza de undă în metri pe secundă (m / s),λeste lungimea de undă în metri (m) șifeste frecvența în hertz (Hz).

În cazul luminii, aceasta poate fi rescrisă cu variabilacpentru viteza luminii în vid:

• ​ceste o variabilă specială care reprezintă viteza luminii în vid. În alte medii (materiale), viteza luminii poate fi exprimată ca o fracțiune dec.​

Această relație implică faptul că lumina poate avea orice combinație de lungime de undă sau frecvență, atât timp cât valorile sunt invers proporționale și produsul lor este egalc. Cu alte cuvinte, lumina poate avea unmarefrecvența și amiclungimea de undă sau invers.

La diferite lungimi de undă și frecvențe, lumina are proprietăți diferite. Deci, oamenii de știință au împărțit spectrul electromagnetic în segmente care reprezintă aceste proprietăți. De exemplu, frecvențele foarte ridicate ale radiațiilor electromagnetice, cum ar fi razele ultraviolete, razele X sau razele gamma, sunt foarte energice - suficient pentru a pătrunde și a afecta țesuturile corpului. Altele, cum ar fi undele radio, au frecvențe foarte scăzute, dar lungimi de undă mari și trec prin corpuri neîngrădite tot timpul. (Da, semnalul radio care transportă piesele DJ preferate prin aer către dispozitiv este o formă de radiație electromagnetică - lumină!)

Formele de radiații electromagnetice de la lungimi de undă mai lungi / frecvențe mai mici / energie scăzută la lungimi de undă mai mici / frecvențe mai mari / energie ridicată sunt:

• Unde radio
• Microunde
• Undele infraroșii
• Lumina vizibila
• Lumină ultravioletă
• Raze X.
• Raze gamma

[inserați diagrama spectrului EM]

Spectrul luminii vizibile se întinde pe lungimi de undă de la 380-750 nanometri (1 nanometru este egal cu 10^-9 metri - o miliardime dintr-un metru, sau aproximativ diametrul unui atom de hidrogen). Această parte a spectrului electromagnetic include toate culorile curcubeului - roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet - care sunt vizibile pentru ochi.

[Includeți o diagramă cu o explozie a spectrului vizibil]

Deoarece roșul are cea mai mare lungime de undă a culorilor vizibile, are și cea mai mică frecvență și, prin urmare, cea mai mică energie. Opusul este valabil pentru blues și violete. Deoarece energia culorilor nu este aceeași, nici temperatura lor. De fapt, măsurarea acestor diferențe de temperatură în lumina vizibilă a dus la descoperirea existenței altei luminiinvizibilla oameni.

În 1800, Sir Frederick William Herschel a conceput un experiment pentru a măsura diferența de temperatură pentru diferite culori ale soarelui pe care le-a separat folosind o prismă. Deși a găsit într-adevăr temperaturi diferite în diferite regiuni de culoare, a fost surprins să vadă cele mai fierbinți temperatura tuturor înregistrate pe termometru chiar dincolo de roșu, unde se pare că nu există lumină toate. Aceasta a fost prima dovadă că există mai multă lumină decât ar putea vedea oamenii. El a numit lumina în această regiuneinfraroşu, care se traduce direct prin „sub roșu”.

Lumina albă, de obicei ceea ce emite un bec standard, este o combinație a tuturor culorilor. Negru, în schimb, esteabsentaa oricărei lumini - deloc o culoare!

Inginerii optici și oamenii de știință consideră lumina în două moduri diferite atunci când determină modul în care va sări, combina și focaliza. Ambele descrieri sunt necesare pentru a prezice intensitatea finală și locația luminii, deoarece se concentrează prin lentile sau oglinzi.

Într-un caz, opticienii privesc lumina ca o serie defronturi de undă transversale, care repetă unde sinusoidale sau în formă de S cu creste și jgheaburi. Acesta esteoptică fizicăabordare, deoarece folosește natura undelor luminii pentru a înțelege modul în care lumina interacționează cu ea însăși și duce la modele de interferență, în același mod în care valurile din apă pot intensifica sau anula una alta afară.

Optica fizică a început după 1801, când Thomas Young a descoperit proprietățile undei luminii. Ajută la explicarea funcționării unor astfel de instrumente optice ca grătare de difracție, care separă spectrul de lumină în lungimile sale de undă componente și lentilele de polarizare, care blochează anumite lungimi de undă.

Cealaltă modalitate de a gândi la lumină este ca unraza, o grindă care urmează o cale dreaptă. O rază este trasată ca o linie dreaptă care emană dintr-o sursă de lumină și care indică direcția în care se deplasează lumina. Exprimarea luminii ca o rază este utilă înoptică geometrică, care se leagă mai mult de natura particulelor de lumină.

Desenarea diagramelor cu raze care arată calea luminii este esențială pentru proiectarea unor instrumente de focalizare a luminii precum lentile, prisme, microscopuri, telescoape și camere. Optica geometrică există de mai mult timp decât optica fizică - până în 1600, era lui Sir Isaac Newton, lentilele corective pentru vedere erau banale.