Ljus (optik): definition, enheter och källor (med spektrum)

Att förstå ljus gör att vi kan förstå hur vi ser, uppfattar färg och till och med korrigerar vår syn med linser. Området föroptikhänvisar till studiet av ljus.

I vardagligt tal betyder ordet "ljus" ofta verkligensynligt ljus, vilket är den typ som uppfattas av det mänskliga ögat. Ljus finns dock i många andra former, varav de allra flesta människor inte kan se.

Källan till allt ljus är elektromagnetism, samspelet mellan elektriska och magnetiska fält som genomsyrar rymden.Ljusvågorär en form avelektromagnetisk strålning; villkoren är utbytbara. Specifikt är elektromagnetiska vågor självförökande svängningar i elektriska och magnetiska fält.

Med andra ord är ljus en vibration i ett elektromagnetiskt fält. Det passerar genom rymden som en våg.

• Ljusets hastighet i vakuum är 3 × 10⁸ m / s, den snabbaste hastigheten i universum!

Det är en unik och bisarr egenskap i vår existens att ingenting färdas snabbare än ljus. Och även om allt ljus, oavsett om det är synligt eller inte, färdas i samma hastighet när det möter

Ljusets interaktioner med materia antyder en annan av dess viktiga egenskaper: dess partikelnatur. Ett av de konstigaste fenomenen i universum, ljus är faktiskt två saker samtidigt: en våg och en partikel. Dettavågpartikel dualitetgör att studera ljus något beroende av kontext.

Ibland tycker fysiker att det är mest användbart att tänka på ljus som en våg, och tillämpa det mycket av samma matematik och egenskaper som beskriver ljudvågor och andra mekaniska vågor. I andra fall är modellering av ljus som en partikel mer lämplig, till exempel när man överväger dess förhållande till atomenerginivåer eller vägen det tar när det reflekterar från en spegel.

Om allt ljus, synligt eller inte, är tekniskt samma sak - elektromagnetisk strålning - vad skiljer en typ från en annan? Dess vågegenskaper.

Elektromagnetiska vågor finns i ett spektrum av olika våglängder och frekvenser. Som en våg följer ljusets hastighet våghastighetsekvationen, där hastigheten är lika med produkten av våglängd och frekvens:

I denna ekvation,vär våghastighet i meter per sekund (m / s),λär våglängd i meter (m) ochfär frekvens i hertz (Hz).

När det gäller ljus kan detta skrivas om med variabelncför ljusets hastighet i vakuum:

• ​cär en speciell variabel som representerar ljusets hastighet i vakuum. I andra medier (material) kan ljusets hastighet uttryckas som en bråkdel avc.​

Detta förhållande innebär att ljus kan ha vilken kombination som helst av våglängd eller frekvens, så länge värdena är omvänt proportionella och deras produkt är lika medc. Med andra ord kan ljus ha enstorfrekvens och asmåvåglängd, eller vice versa.

Vid olika våglängder och frekvenser har ljus olika egenskaper. Så forskare har delat upp det elektromagnetiska spektrumet i segment som representerar dessa egenskaper. Till exempel är mycket höga frekvenser av elektromagnetisk strålning, som ultravioletta strålar, röntgenstrålar eller gammastrålningar, mycket energiska - tillräckligt för att tränga igenom och skada kroppsvävnader. Andra, som radiovågor, har mycket låga frekvenser men höga våglängder, och de passerar hela kroppen obehindrat. (Ja, radiosignalen som transporterar dina favorit DJ-spår genom luften till din enhet är en form av elektromagnetisk strålning - ljus!)

Formerna av elektromagnetisk strålning från längre våglängder / lägre frekvenser / låg energi till kortare våglängder / högre frekvenser / hög energi är:

• Radiovågor
• Mikrovågor
• Infraröda vågor
• Synligt ljus
• Ultraviolett ljus
• Röntgenstrålar
• Gamma-strålar

[infoga diagram över EM-spektrum]

Det synliga ljusspektrumet sträcker sig över våglängder från 380-750 nanometer (1 nanometer är lika med 10^-9 meter - en miljardedel av en meter, eller ungefär diametern på en väteatom). Denna del av det elektromagnetiska spektrumet innehåller alla regnbågens färger - rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett - som är synliga för ögat.

[Inkludera ett diagram med en utblåsning av det synliga spektrumet]

Eftersom rött har den längsta våglängden av de synliga färgerna har den också den minsta frekvensen och därmed den lägsta energin. Motsatsen gäller blues och violer. Eftersom färgenas energi inte är densamma, är det inte heller deras temperatur. I själva verket ledde mätningen av dessa temperaturskillnader i synligt ljus till upptäckten av förekomsten av annat ljusosynligtill människor.

År 1800 utarbetade Sir Frederick William Herschel ett experiment för att mäta skillnaden i temperaturer för olika solljusfärger som han separerade med ett prisma. Medan han verkligen hittade olika temperaturer i olika färgregioner, blev han förvånad över att se de hetaste temperaturen för alla som registrerats på termometern strax bortom den röda, där det inte tycktes vara något ljus vid Allt. Detta var det första beviset på att mer ljus fanns än människor kunde se. Han namngav ljuset i denna regioninfraröd, som översätts direkt till "under rött."

Vitt ljus, vanligtvis vad en standardlampa ger, är en kombination av alla färger. Svart, däremot, ärfrånvaroav något ljus - inte riktigt en färg alls!

Optikingenjörer och forskare betraktar ljus på två olika sätt när de bestämmer hur det ska studsa, kombinera och fokusera. Båda beskrivningarna behövs för att förutsäga ljusets slutliga intensitet och placering när den fokuserar genom linser eller speglar.

I ett fall ser optiker på ljus som serier avtvärgående vågfronter, som upprepar sinusformade eller S-formade vågor med toppar och tråg. Det här ärfysisk optiktillvägagångssätt, eftersom det använder vågens natur för att förstå hur ljus interagerar med sig själv och leder till interferensmönster, på samma sätt som vågor i vatten kan intensifiera eller avbryta en en annan ut.

Fysisk optik började efter 1801 när Thomas Young upptäckte ljusets vågegenskaper. Det hjälper till att förklara hur sådana optiska instrument fungerar som diffraktionsgaller, som skiljer instrumentet spektrum av ljus i dess komponent våglängder och polarisationslinser, som blockerar vissa våglängder.

Det andra sättet att tänka på ljus är som enstråle, en stråle som följer en rak linje. En stråle ritas som en rak linje från en ljuskälla och indikerar i vilken riktning ljuset rör sig. Att uttrycka ljus som en stråle är användbart igeometrisk optik, som mer relaterar till ljusets partikelnatur.

Ritning av stråldiagram som visar ljusets väg är avgörande för utformningen av sådana ljusfokuseringsverktyg som linser, prismer, mikroskop, teleskop och kameror. Geometrisk optik har funnits längre än fysisk optik - år 1600, Sir Isaac Newtons era, var korrigerande linser för syn vanliga.