Svetlo (optika): Definícia, jednotky a zdroje (s spektrom)

Porozumenie svetlu nám umožňuje pochopiť, ako vidíme, vnímame farbu a dokonca korigujeme svoje videnie šošovkami. Oblasťoptikasa týka štúdia svetla.

V každodennej reči slovo „svetlo“ často znamenáviditeľné svetlo, čo je typ vnímaný ľudským okom. Svetlo však má mnoho ďalších foriem, z ktorých drvivú väčšinu ľudia nevidia.

Zdrojom všetkého svetla je elektromagnetizmus, súhra elektrických a magnetických polí, ktoré prestupujú priestorom.Svetelné vlnysú formouelektromagnetická radiácia; podmienky sú zameniteľné. Konkrétne elektromagnetické vlny sú samorozširujúce sa oscilácie v elektrických a magnetických poliach.

Inými slovami, svetlo je vibrácia v elektromagnetickom poli. Priestorom prechádza ako vlna.

• Rýchlosť svetla vo vákuu je 3 × 10⁸ m / s, najrýchlejšia rýchlosť vo vesmíre!

Je to jedinečná a bizarná vlastnosť našej existencie, že nič necestuje rýchlejšie ako svetlo. A hoci všetko svetlo, či už viditeľné, alebo nie, putuje rovnakou rýchlosťou, keď k nej dôjdena čom záleží

Interakcie svetla s hmotou naznačujú ďalšiu z jej dôležitých charakteristík: jej časticovú povahu. Jeden z najpodivnejších javov vo vesmíre, svetlo, sú vlastne dve veci naraz: vlna a častica. Totodualita vlnových častícrobí štúdium svetla trochu závislým od kontextu.

Fyzikom niekedy pripadá najužitočnejšie myslieť na svetlo ako na vlnu, keď na ňu aplikuje veľkú časť rovnakej matematiky a vlastností, aké popisujú zvukové vlny a iné mechanické vlny. V iných prípadoch je modelovanie svetla ako častice vhodnejšie, napríklad keď sa vezme do úvahy jeho vzťah k úrovniam atómovej energie alebo dráha, po ktorej sa bude odrážať od zrkadla.

Ak je všetko svetlo, viditeľné alebo nie, technicky to isté - elektromagnetické žiarenie - čo odlišuje jeden typ od druhého? Jeho vlnové vlastnosti.

Elektromagnetické vlny existujú v spektre rôznych vlnových dĺžok a frekvencií. Ako vlna sleduje rýchlosť svetla rovnicu vlnových rýchlostí, kde sa rýchlosť rovná súčinu vlnovej dĺžky a frekvencie:

V tejto rovnicivje rýchlosť vlny v metroch za sekundu (m / s),λje vlnová dĺžka v metroch (m) afje frekvencia v hertzoch (Hz).

V prípade svetla sa to dá prepísať premennoucpre rýchlosť svetla vo vákuu:

• ​cje špeciálna premenná predstavujúca rýchlosť svetla vo vákuu. V iných médiách (materiáloch) možno rýchlosť svetla vyjadriť ako zlomokc.​

Tento vzťah naznačuje, že svetlo môže mať ľubovoľnú kombináciu vlnovej dĺžky alebo frekvencie, pokiaľ sú hodnoty nepriamo úmerné a ich súčin sa rovnác. Inými slovami, svetlo môže mať aveľkýfrekvencia a amalývlnová dĺžka, alebo naopak.

Pri rôznych vlnových dĺžkach a frekvenciách má svetlo rôzne vlastnosti. Vedci teda rozdelili elektromagnetické spektrum na segmenty predstavujúce tieto vlastnosti. Napríklad veľmi vysoké frekvencie elektromagnetického žiarenia, ako sú ultrafialové lúče, röntgenové lúče alebo gama lúče, sú veľmi energetické - dosť na to, aby prenikli a poškodili tkanivá tela. Iné, ako napríklad rádiové vlny, majú veľmi nízke frekvencie, ale vysoké vlnové dĺžky, a neustále prechádzajú telami bez prekážok. (Áno, rádiový signál prenášajúci vaše obľúbené skladby DJ vzduchom do vášho zariadenia je forma elektromagnetického žiarenia - svetla!)

Formy elektromagnetického žiarenia od dlhších vlnových dĺžok / nižších frekvencií / nízkej energie po kratšie vlnové dĺžky / vyššie frekvencie / vysokej energie sú:

• Rádiové vlny
• Mikrovlny
• Infračervené vlny
• Viditeľné svetlo
• Ultrafialové svetlo
• Röntgenové lúče
• Gama lúče

[vložte schému EM spektra]

Spektrum viditeľného svetla pokrýva vlnové dĺžky od 380 do 750 nanometrov (1 nanometer sa rovná 10^-9 metre - jedna miliardtina metra alebo približne priemer atómu vodíka). Táto časť elektromagnetického spektra obsahuje všetky farby dúhy - červenú, oranžovú, žltú, zelenú, modrú, indigovú a fialovú - ktoré sú viditeľné pre oko.

[Zahrňte diagram s výrezom viditeľného spektra]

Pretože červená farba má najdlhšiu vlnovú dĺžku z viditeľných farieb, má tiež najmenšiu frekvenciu a teda aj najnižšiu energiu. Pre blues a fialky je to naopak. Pretože energia farieb nie je rovnaká, nie je ani ich teplota. Meranie týchto teplotných rozdielov vo viditeľnom svetle v skutočnosti viedlo k objavu existencie iného svetlaneviditeľnýľuďom.

V roku 1800 Sir Frederick William Herschel vymyslel experiment na meranie rozdielu teplôt pre rôzne farby slnečného žiarenia, ktoré oddelil pomocou hranola. Aj keď skutočne našiel rôzne teploty v rôznych farebných oblastiach, bol prekvapený, keď videl najteplejšie teplota všetkých zaznamenaných na teplomere hneď za červenou, kde zrejme nebolo svetlo všetko. Toto bol prvý dôkaz, že existovalo viac svetla, ako ľudia videli. Pomenoval svetlo v tomto regióneinfračervené, čo znamená priamo pod „červenou farbou“.

Biele svetlo, ktoré obyčajne vydávajú štandardné žiarovky, je kombináciou všetkých farieb. Čierna je naopakneprítomnosťakéhokoľvek svetla - vôbec nie farba!

Inžinieri a vedci v oblasti optiky zvažujú svetlo dvoma rôznymi spôsobmi, keď určujú, ako bude odrážať, kombinovať a zaostrovať. Obidva popisy sú potrebné na predpovedanie konečnej intenzity a umiestnenia svetla, ktoré zaostruje cez šošovky alebo zrkadlá.

V jednom prípade sa optici pozerajú na svetlo ako na sériupriečne vlny, ktoré opakujú sínusové vlny alebo vlny v tvare písmena S s vrcholmi a žľabmi. To jefyzikálna optikaprístup, pretože využíva vlnovú povahu svetla na pochopenie toho, ako svetlo interaguje so sebou a vedie k interferenčným vzorcom rovnakým spôsobom, aký môžu vlny vo vode zosilňovať alebo rušiť iný von.

Fyzikálna optika začala po roku 1801, keď Thomas Young objavil vlastnosti svetelných vĺn. Pomáha vysvetliť činnosť takýchto optických prístrojov ako sú difrakčné mriežky, ktoré oddeľujú optické prístroje spektrum svetla na jeho zložku vlnových dĺžok a polarizačné šošovky, ktoré blokujú určité vlnové dĺžky.

Ďalším spôsobom, ako myslieť na svetlo, je alúč, lúč pokračujúci po priamke. Lúč je nakreslený ako priamka vychádzajúca zo zdroja svetla a označujúca smer, ktorým sa svetlo pohybuje. Vyjadrenie svetla ako lúča je užitočné vgeometrická optika, ktorá sa viac týka časticovej povahy svetla.

Kreslenie lúčových diagramov ukazujúcich cestu svetla je rozhodujúce pre návrh nástrojov na zaostrenie svetla, ako sú šošovky, hranoly, mikroskopy, teleskopy a fotoaparáty. Geometrická optika je tu už dlhšie ako fyzická optika - do roku 1600, v ére sira Isaaca Newtona, boli korekčné šošovky pre videnie bežné.