Svetloba (optika): definicija, enote in viri (s spektrom)

Razumevanje svetlobe nam omogoča, da razumemo, kako vidimo, zaznavamo barvo in si celo popravimo vid z lečami. Področjeoptikase nanaša na preučevanje svetlobe.

V vsakdanjem govoru beseda "svetloba" pogosto resnično pomenividna svetloba, ki je tip, ki ga zazna človeško oko. Vendar je svetloba v številnih drugih oblikah, katerih velika večina ljudje ne vidijo.

Vir vse svetlobe je elektromagnetizem, vzajemno delovanje električnega in magnetnega polja, ki prežema vesolje.Svetlobni valoviso oblikaelektromagnetno sevanje; izrazi so zamenljivi. Natančneje, elektromagnetna valovanja so samoširitvena nihanja v električnih in magnetnih poljih.

Z drugimi besedami, svetloba je vibracija v elektromagnetnem polju. Skozi vesolje prehaja kot val.

• Hitrost svetlobe v vakuumu je 3 × 10⁸ m / s, najhitrejša hitrost v vesolju!

Edinstvena in bizarna lastnost našega obstoja je, da nič ne potuje hitreje kot svetloba. In čeprav vsa svetloba, ne glede na to, ali je vidna ali ne, potuje z enako hitrostjo, ko naleti

Interakcije svetlobe s snovjo namigujejo na še eno njeno pomembno značilnost: naravo delcev. Eden najbolj nenavadnih pojavov v vesolju je pravzaprav dve stvari hkrati: val in delci. Todvojnost valov-delcevnaredi preučevanje svetlobe nekoliko odvisno od konteksta.

Včasih se fizikom zdi najbolj koristno, da o svetlobi razmišljamo kot o valu, pri čemer nanjo uporabljamo večino iste matematike in lastnosti, ki opisujejo zvočne in druge mehanske valove. V drugih primerih je modeliranje svetlobe kot delca bolj primerno, na primer pri razmisleku o njenem razmerju do ravni atomske energije ali poti, ki jo bo ubrala, ko se bo odsevala od ogledala.

Če je vsa svetloba, vidna ali ne, tehnično ista stvar - elektromagnetno sevanje - kaj ločuje eno vrsto od druge? Njegove valovne lastnosti.

Elektromagnetni valovi obstajajo v spektru različnih valovnih dolžin in frekvenc. Hitrost svetlobe kot val sledi enačbi valovne hitrosti, kjer je hitrost enaka zmnožku valovne dolžine in frekvence:

V tej enačbivje hitrost valovanja v metrih na sekundo (m / s),λje valovna dolžina v metrih (m) infje frekvenca v hercih (Hz).

V primeru svetlobe je to mogoče spremeniti s spremenljivkocza svetlobno hitrost v vakuumu:

• ​cje posebna spremenljivka, ki predstavlja hitrost svetlobe v vakuumu. V drugih medijih (materialih) lahko hitrost svetlobe izrazimo kot delčekc.​

To razmerje pomeni, da ima lahko svetloba katero koli kombinacijo valovne dolžine ali frekvence, če so vrednosti obratno sorazmerne in je njihov izdelek enakc. Z drugimi besedami, svetloba ima lahko avelikfrekvenca in amajhnavalovna dolžina ali obratno.

Pri različnih valovnih dolžinah in frekvencah ima svetloba različne lastnosti. Znanstveniki so torej elektromagnetni spekter razdelili na segmente, ki predstavljajo te lastnosti. Na primer, zelo visoke frekvence elektromagnetnega sevanja, kot so ultravijolični žarki, rentgenski ali gama žarki, so zelo energične - dovolj, da prodrejo in škodujejo telesnim tkivom. Drugi, kot so radijski valovi, imajo zelo nizke frekvence, a visoke valovne dolžine, in ves čas neovirano prehajajo skozi telesa. (Da, radijski signal, ki prenaša skladbe vaših najljubših DJ-jev po zraku do vaše naprave, je oblika elektromagnetnega sevanja - svetloba!)

Oblike elektromagnetnega sevanja od daljših valovnih dolžin / nižjih frekvenc / nizke energije do krajših valovnih dolžin / višjih frekvenc / visoke energije so:

• Radijski valovi
• Mikrovalovi
• Infrardeči valovi
• Vidna svetloba
• Ultravijolična svetloba
• Rentgenski žarki
• Gama žarki

[vstavite diagram EM spektra]

Spekter vidne svetlobe obsega valovne dolžine od 380 do 750 nanometrov (1 nanometer je enak 10^-9 metrov - milijarda metrov ali približno premer vodikovega atoma). Ta del elektromagnetnega spektra vključuje vse mavrične barve - rdečo, oranžno, rumeno, zeleno, modro, indigo in vijolično -, ki so vidne na pogled.

[Vključi diagram z izpuhom vidnega spektra]

Ker ima rdeča najdaljšo valovno dolžino vidnih barv, ima tudi najmanjšo frekvenco in s tem najmanjšo energijo. Za blues in vijolice velja ravno nasprotno. Ker energija barv ni enaka, tudi temperatura ni enaka. Dejansko je merjenje teh temperaturnih razlik v vidni svetlobi pripeljalo do odkritja obstoja druge svetlobenevidenza ljudi.

Leta 1800 je sir Frederick William Herschel zasnoval eksperiment za merjenje razlike v temperaturah za različne barve sončne svetlobe, ki jih je ločil s pomočjo prizme. Čeprav je resnično našel različne temperature v različnih barvnih regijah, je bil presenečen, ko je videl najbolj vroče temperatura vseh zabeleženih na termometru tik nad rdečo, kjer se zdi, da ni svetlobe vse. To je bil prvi dokaz, da obstaja več svetlobe, kot so jo ljudje videli. Poimenoval je svetlobo v tej regijiinfrardeči, kar se neposredno prevede v "pod rdečo".

Bela svetloba, običajno tisto, kar oddaja standardna žarnica, je kombinacija vseh barv. Črna, nasprotno, jeodsotnostkatere koli svetlobe - pravzaprav sploh ne barve!

Optični inženirji in znanstveniki pri določanju, kako se bo odbijala, kombinirala in fokusirala, upoštevajo svetlobo na dva različna načina. Oba opisa sta potrebna za napovedovanje končne jakosti in lokacije svetlobe, ko se fokusira skozi leče ali ogledala.

V enem primeru optiki na svetlobo gledajo kot na vrstoprečne valovne fronte, ki ponavljajo sinusne ali valove v obliki črke S z grebeni in koriti. To jefizična optikapristop, saj z uporabo valovne narave svetlobe razume, kako svetloba sodeluje sama s seboj in vodi do vzorcev motenj, na enak način kot lahko valovi v vodi enega okrepijo ali prekličejo še en ven.

Fizična optika se je začela po letu 1801, ko je Thomas Young odkril lastnosti valovanja svetlobe. Pomaga razložiti delovanje optičnih instrumentov, kot so difrakcijske rešetke, ki ločujejo spekter svetlobe na njene valovne dolžine in polarizacijske leče, ki blokirajo nekatere valovne dolžine.

Drugi način razmišljanja o svetlobi je kot ažarek, žarek, ki sledi ravni črti. Žarek je narisan kot ravna črta, ki izvira iz vira svetlobe in kaže smer, v kateri potuje svetloba. Izražanje svetlobe kot žarka je koristno prigeometrijska optika, ki je bolj povezano z naravo delcev svetlobe.

Risanje diagramov žarkov, ki prikazujejo pot svetlobe, je ključnega pomena za oblikovanje takšnih orodij za fokusiranje svetlobe, kot so leče, prizme, mikroskopi, teleskopi in kamere. Geometrijska optika obstaja že dlje kot fizična optika - do leta 1600, v času Sir Isaaca Newtona, so bile korektivne leče za vid običajne.