แสง (เลนส์): คำจำกัดความ หน่วย & แหล่งที่มา (w/ สเปกตรัม)

การเข้าใจแสงช่วยให้เราเข้าใจว่าเราเห็น รับรู้สี และแก้ไขการมองเห็นของเราอย่างไรด้วยเลนส์ สนามของเลนส์หมายถึงการศึกษาแสง

ในชีวิตประจำวัน คำว่า "แสง" มักจะหมายถึงแสงที่มองเห็นซึ่งเป็นประเภทที่สายตามนุษย์รับรู้ได้ อย่างไรก็ตาม แสงมาในรูปแบบอื่นๆ มากมาย ซึ่งส่วนใหญ่มนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้

แหล่งกำเนิดของแสงทั้งหมดคือแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่แทรกซึมในอวกาศคลื่นแสงเป็นรูปแบบของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า; เงื่อนไขสามารถใช้แทนกันได้ โดยเฉพาะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นการสั่นที่กระจายตัวเองในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

กล่าวอีกนัยหนึ่ง แสงคือการสั่นสะเทือนในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า มันผ่านอวกาศเป็นคลื่น

• ความเร็วแสงในสุญญากาศเท่ากับ 3 × 10⁸ m/s ความเร็วที่เร็วที่สุดในจักรวาล!

มันเป็นลักษณะเฉพาะและแปลกประหลาดของการดำรงอยู่ของเราที่ไม่มีสิ่งใดเดินทางได้เร็วกว่าแสง และแม้ว่าแสงทั้งหมดจะมองเห็นหรือไม่ก็ตามก็เดินทางด้วยความเร็วเท่ากันเมื่อเจอเรื่อง, มันช้าลง เนื่องจากแสงทำปฏิกิริยากับสสาร (ซึ่งไม่มีอยู่ในสุญญากาศ) ยิ่งสสารมีความหนาแน่นมากเท่าใด สสารก็จะยิ่งเดินทางช้าลง

ปฏิสัมพันธ์ของแสงกับคำใบ้เรื่องลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งคือ ธรรมชาติของอนุภาค ปรากฏการณ์ที่แปลกประหลาดที่สุดอย่างหนึ่งในจักรวาล แท้จริงแล้วแสงเป็นสองสิ่งพร้อมกัน: คลื่นและอนุภาค นี้

ในบางครั้ง นักฟิสิกส์พบว่าการคิดว่าแสงเป็นคลื่นมีประโยชน์มากที่สุด โดยประยุกต์ใช้คณิตศาสตร์และคุณสมบัติเดียวกันกับที่อธิบายคลื่นเสียงและคลื่นกลอื่นๆ ในกรณีอื่นๆ การสร้างแบบจำลองแสงที่เป็นอนุภาคจะเหมาะสมกว่า เช่น เมื่อพิจารณาถึงความสัมพันธ์กับระดับพลังงานปรมาณูหรือเส้นทางที่จะใช้เมื่อสะท้อนแสงจากกระจก

ถ้าแสงทั้งหมด ไม่ว่าจะมองเห็นหรือไม่ก็ตาม ในทางเทคนิคแล้วเป็นสิ่งเดียวกัน – การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า – อะไรที่ทำให้ประเภทหนึ่งแตกต่างจากอีกประเภทหนึ่ง คุณสมบัติของคลื่น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีอยู่ในสเปกตรัมที่มีความยาวคลื่นและความถี่ต่างกัน ในฐานะที่เป็นคลื่น ความเร็วของแสงเป็นไปตามสมการความเร็วคลื่น โดยที่ความเร็วจะเท่ากับผลคูณของความยาวคลื่นและความถี่:

ในสมการนี้วีคือ ความเร็วคลื่น เมตรต่อวินาที (m/s)λคือความยาวคลื่นเป็นเมตร (m) และฉคือความถี่ในหน่วยเฮิรตซ์ (Hz)

ในกรณีของแสง สามารถเขียนใหม่ได้ด้วยตัวแปรคสำหรับความเร็วแสงในสุญญากาศ:

• ​คเป็นตัวแปรพิเศษแทนความเร็วแสงในสุญญากาศ ในสื่ออื่นๆ (วัสดุ) ความเร็วของแสงสามารถแสดงเป็นเศษเสี้ยวของค.​

ความสัมพันธ์นี้บอกเป็นนัยว่าแสงสามารถมีความยาวคลื่นหรือความถี่รวมกันได้ ตราบใดที่ค่านั้นเป็นสัดส่วนผกผันและผลิตภัณฑ์ของพวกมันเท่ากับค. กล่าวอีกนัยหนึ่ง แสงสามารถมี. ได้ใหญ่ความถี่และ aเล็กความยาวคลื่นหรือในทางกลับกัน

ที่ความยาวคลื่นและความถี่ต่างกัน แสงมีคุณสมบัติต่างกัน ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์ได้แบ่งสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าออกเป็นส่วนๆ ที่แสดงคุณสมบัติเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมาก เช่น รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ หรือรังสีแกมมา มีพลังมากพอที่จะเจาะและทำร้ายเนื้อเยื่อของร่างกาย อื่น ๆ เช่นคลื่นวิทยุมีความถี่ต่ำมากแต่มีความยาวคลื่นสูงและพวกมันผ่านร่างกายโดยไม่มีสิ่งกีดขวางตลอดเวลา (ใช่แล้ว สัญญาณวิทยุที่ส่งเพลงของดีเจที่คุณชื่นชอบผ่านอากาศไปยังอุปกรณ์ของคุณคือรูปแบบหนึ่งของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า – แสง!)

รูปแบบของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากความยาวคลื่นที่ยาวกว่า/ความถี่ต่ำกว่า/พลังงานต่ำไปจนถึงความยาวคลื่นที่สั้นกว่า/ความถี่สูง/พลังงานสูง ได้แก่

• คลื่นวิทยุ
• ไมโครเวฟ
• คลื่นอินฟราเรด
• แสงที่มองเห็น
• แสงอัลตราไวโอเลต
• เอ็กซ์เรย์
• รังสีแกมมา

[แทรกไดอะแกรมของสเปกตรัม EM]

สเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ครอบคลุมความยาวคลื่นตั้งแต่ 380-750 นาโนเมตร (1 นาโนเมตรเท่ากับ10^-9 เมตร – หนึ่งในพันล้านเมตรหรือประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมไฮโดรเจน) ส่วนนี้ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสีทั้งหมดของรุ้ง ได้แก่ แดง ส้ม เหลือง เขียว น้ำเงิน คราม และม่วง ซึ่งมองเห็นได้ด้วยตา

[รวมไดอะแกรมที่มีการกระจายสเปกตรัมที่มองเห็นได้]

เนื่องจากสีแดงมีความยาวคลื่นที่ยาวที่สุดของสีที่มองเห็นได้ มันจึงมีความถี่ที่เล็กที่สุดและทำให้พลังงานต่ำที่สุด ตรงกันข้ามกับบลูส์และไวโอเล็ต เนื่องจากพลังงานของสีไม่เหมือนกัน อุณหภูมิของสีก็ไม่เหมือนกัน อันที่จริง การวัดความแตกต่างของอุณหภูมิในแสงที่มองเห็นได้นำไปสู่การค้นพบการมีอยู่ของแสงอื่นล่องหนแก่มนุษย์

ในปี ค.ศ. 1800 เซอร์เฟรเดอริก วิลเลียม เฮอร์เชลได้คิดค้นการทดลองเพื่อวัดความแตกต่างของอุณหภูมิสำหรับสีของแสงแดดที่ต่างกันซึ่งเขาแยกออกโดยใช้ปริซึม ในขณะที่เขาพบอุณหภูมิที่แตกต่างกันในบริเวณสีที่ต่างกัน เขาก็ประหลาดใจที่เห็นอุณหภูมิที่ร้อนแรงที่สุด อุณหภูมิที่บันทึกไว้บนเทอร์โมมิเตอร์จนเกินจากสีแดง ซึ่งปรากฏว่าไม่มีแสงที่ ทั้งหมด. นี่เป็นหลักฐานแรกที่แสดงว่ามีแสงสว่างมากกว่าที่มนุษย์จะมองเห็นได้ พระองค์ทรงตั้งชื่อความสว่างในภูมิภาคนี้ว่าอินฟราเรดซึ่งแปลตรงตัวว่า "ใต้สีแดง"

แสงสีขาว ซึ่งมักจะเป็นแสงที่หลอดไฟมาตรฐานให้แสงสว่าง คือการรวมกันของสีทั้งหมด สีดำตรงกันข้ามคือขาดของแสงใดๆ - จริงๆ แล้วไม่มีสีเลย!

วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ด้านทัศนศาสตร์พิจารณาแสงในสองวิธีที่แตกต่างกันเมื่อพิจารณาว่าแสงจะสะท้อน รวมและโฟกัสอย่างไร จำเป็นต้องใช้คำอธิบายทั้งสองเพื่อทำนายความเข้มสุดท้ายและตำแหน่งของแสงเมื่อโฟกัสผ่านเลนส์หรือกระจก

ในกรณีหนึ่ง ช่างแว่นตาจะมองแสงเป็นชุดของแนวหน้าคลื่นซึ่งเป็นคลื่นไซนัสหรือคลื่นรูปตัว S ซ้ำๆ โดยมียอดและร่องน้ำ นี้เป็นฟิสิคัลออปติกเนื่องจากใช้ลักษณะคลื่นของแสงเพื่อทำความเข้าใจว่าแสงมีปฏิกิริยาอย่างไรกับตัวมันเองและ ทำให้เกิดรูปแบบการรบกวนแบบเดียวกับที่คลื่นในน้ำสามารถทำให้รุนแรงขึ้นหรือยกเลิกได้ ออกไปอีก

ทัศนศาสตร์ทางกายภาพเริ่มขึ้นหลังจากปี 1801 เมื่อ Thomas Young ค้นพบคุณสมบัติของคลื่นแสง ช่วยอธิบายการทำงานของเครื่องมือเกี่ยวกับการมองเห็น เช่น ตะแกรงเลี้ยวเบน ซึ่งแยก สเปกตรัมของแสงเป็นความยาวคลื่นส่วนประกอบและเลนส์โพลาไรซ์ซึ่งปิดกั้นบางส่วน ความยาวคลื่น

อีกวิธีหนึ่งในการคิดถึงแสงก็คือเรย์, ลำแสงตามเส้นทางเส้นตรง. รังสีถูกวาดเป็นเส้นตรงที่เปล่งออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงและระบุทิศทางที่แสงเดินทาง การแสดงแสงเป็นรังสีมีประโยชน์ในเลนส์เรขาคณิตซึ่งสัมพันธ์กับธรรมชาติของอนุภาคของแสงมากกว่า

การวาดไดอะแกรมรังสีแสดงเส้นทางของแสงมีความสำคัญต่อการออกแบบเครื่องมือที่เน้นแสง เช่น เลนส์ ปริซึม กล้องจุลทรรศน์ กล้องโทรทรรศน์ และกล้อง เลนส์ทางเรขาคณิตมีมานานแล้วกว่าเลนส์ทางกายภาพ โดยปี 1600 ยุคของ Sir Isaac Newton เลนส์แก้ไขสำหรับการมองเห็นเป็นเรื่องธรรมดา