Optik fizikal moden menganggap cahaya sebagai jenis gelombang elektromagnet, dilihat oleh mata manusia. Dengan kata lain, kita boleh mengatakan bahawa cahaya adalah sinaran elektromagnet yang boleh dilihat.
Cahaya nampak
Seperti yang diketahui, gelombang elektromagnet berbeza dalam frekuensi dan panjang gelombang. Dan bergantung kepada nilai ini, sinaran elektromagnet dibahagikan kepada julat frekuensi.
Di luar optik fizikal Konsep "cahaya" juga termasuk gelombang elektromagnet yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia, dalam julat inframerah dengan panjang gelombang 1 mm - 780 nm dan frekuensi 300 GHz - 429 THz dan dalam julat ultraviolet dengan panjang gelombang 380 - 10 nm dan frekuensi 7.5 10 14 Hz - 3 10 16 Hz.
Sinaran inframerah, kelihatan dan ultraviolet dipanggil rantau spektrum optik. Had atas Julat optik ialah had gelombang panjang sinaran inframerah, dan yang lebih rendah ialah had gelombang pendek sinaran ultraungu. Jadi julat sinaran optik- dari 1 mm hingga 10 nm.
Bagaimanakah cahaya terhasil? Ternyata ia terbentuk akibat proses yang berlaku di dalam atom apabila keadaannya berubah. Ini menghasilkan aliran zarah yang dipanggil foton. Mereka tidak mempunyai jisim, tetapi mereka mempunyai tenaga.
Ternyata cahaya secara serentak mempunyai sifat gelombang elektromagnet dan sifat zarah diskret - foton.
Sumber cahaya
Mana-mana badan yang memancarkan gelombang elektromagnet dengan frekuensi dalam julat cahaya nampak, boleh dipanggil sumber cahaya. Semua sumber cahaya dibahagikan kepada semula jadi, dicipta oleh alam semula jadi, dan buatan, dicipta oleh manusia.
Sumber cahaya semula jadi yang paling penting di Bumi, sudah tentu, Matahari. Ia memberi kita bukan sahaja cahaya, tetapi juga kehangatan. Terima kasih kepada tenaga cahaya matahari terdapat kehidupan di planet kita. Cahaya dipancarkan oleh Bulan, bintang, komet dan lain-lain badan kosmik. Sumber cahaya semula jadi boleh ada bukan sahaja badan, tetapi juga fenomena semulajadi. Semasa ribut petir, kita melihat dengan cahaya yang kuat sekali kilatan petir menerangi segala-galanya di sekeliling. Auroras, organisma hidup bercahaya, mineral, dsb. - ini juga mata air semula jadi Sveta.
Sumber cahaya buatan yang pertama dan tertua boleh dipanggil api api. Kemudian, orang ramai belajar menggunakan jenis bahan api lain dan mencipta sumber cahaya mudah alih: lilin, obor, lampu minyak, tanglung gas, dll. Semua sumber ini adalah berdasarkan pembakaran dan, bersama-sama dengan cahaya, dipancarkan sejumlah besar haba.
Dengan penciptaan elektrik, mentol lampu muncul, yang masih digunakan oleh orang hari ini sebagai sumber cahaya.
optik geometri
Penyebaran cahaya dalam medium lutsinar, pantulannya dari permukaan yang dipantulkan secara spekular, pembiasan pada sempadan dua media lutsinar berlaku mengikut undang-undang tertentu, yang dikaji oleh optik geometri.
Untuk mengkaji pelbagai fenomena cahaya dalam optik geometri, konsep seperti sumber cahaya titik dan pancaran cahaya digunakan.
Konsep asas optik geometri ialah pancaran cahaya .
Lampu biasa mengedarkan cahaya secara sama rata ke semua arah. Marilah kita menutup lampu ini dengan bahan legap supaya cahaya yang dipancarkan olehnya hanya boleh melalui lubang sempit yang kecil. Fluks cahaya sempit akan melaluinya, diarahkan sepanjang garis lurus. Garisan ini di mana rasuk cahaya merambat dipanggil sinar cahaya. Arah rasuk ini tidak bergantung pada dimensi melintangnya.
Lilin, tanglung, lampu dan sumber cahaya lain mempunyai cukup saiz besar berbanding dengan jarak perjalanan cahaya mereka. Mereka dipanggil sumber cahaya lanjutan . Sumber cahaya titik sumber dianggap sebagai saiz yang boleh diabaikan berbanding dengan jarak yang dicapai oleh cahaya ini. Sebagai contoh, bintang angkasa, yang sebenarnya bersaiz besar, boleh dianggap sebagai sumber titik cahaya, kerana jarak penyebaran cahaya ini sangat besar berbanding dengan saiz bintang itu sendiri.
Mari kita pertimbangkan undang-undang asas optik geometri.
Hukum perambatan rectilinear cahaya
Dalam medium homogen telus, cahaya bergerak dalam garis lurus. Bukti undang-undang ini adalah pengalaman dari mana cahaya sumber mata melalui lubang kecil pada skrin. Akibatnya, pancaran cahaya sempit terbentuk, dan dalam satah yang terletak di belakang skrin selari dengannya, bulatan cahaya biasa muncul dengan pusatnya pada garis lurus di mana cahaya merambat.
Mari letakkan objek kecil di antara sumber cahaya dan skrin. Pada skrin kita akan melihat bayang-bayang objek ini. Bayang-bayang- ini adalah kawasan di mana pancaran cahaya tidak sampai. Penampilannya dijelaskan oleh perambatan rectilinear cahaya. Jika sumber cahaya adalah seperti titik, maka hanya bayang yang terbentuk. Sekiranya dimensinya agak besar berbanding dengan jarak ke objek, maka bayang-bayang dan penumbra dicipta. Sesungguhnya, dalam kes ini, sinaran cahaya terpancar dari setiap titik sumber. Sebahagian daripada mereka, jatuh ke dalam kawasan bayang-bayang, menyerlahkan tepinya, dan dengan itu mencipta penumbra - kawasan yang sebahagiannya sinaran cahaya jatuh.
Hukum perambatan rectilinear menerangkan sifat suria dan gerhana bulan. Gerhana matahari berlaku apabila Bulan berada di antara Matahari dan Bumi, dan bayang-bayang Bulan jatuh ke Bumi.
Undang-undang perambatan rectilinear cahaya digunakan oleh orang Yunani kuno semasa memasang tiang. Jika lajur diletakkan dengan ketat dalam garis lurus, maka yang paling dekat akan secara visual meliputi semua yang lain.
Hukum Pantulan Cahaya
Jika dalam perjalanan pancaran cahaya Apabila permukaan reflektif ditemui, pancaran cahaya menukar arahnya. Kejadian dan sinar pantulan dan normal (berserenjang) ke permukaan pemantulan, dipulihkan pada titik kejadian, terletak pada satah yang sama. Sudut antara sinar dibahagikan dengan normal ini kepada dua bahagian yang sama. Rumusan hukum pantulan yang paling umum ialah: “ Sudut kejadian sama dengan sudut refleksi" Tetapi definisi ini tidak menunjukkan arah sinar yang dipantulkan. Sementara itu, pancaran pantulan akan pergi ke arah yang bertentangan dengan pancaran kejadian.
Jika saiz ketidakteraturan permukaan lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, maka sinaran yang datang dalam aliran selari akan dipantulkan secara spekular dan juga akan bergerak dalam aliran selari.
Jika dimensi penyelewengan melebihi panjang gelombang, maka sanggul sempit akan bertaburan, dan sinar yang dipantulkan akan pergi ke arah yang berbeza. Refleksi ini dipanggil meresap, atau pelupa. Tetapi, walaupun serakan rawak, hukum pantulan berpuas hati dalam kes ini juga. Bagi mana-mana sinar, sudut tuju dan sudut pantulan adalah sama.
Hukum pembiasan cahaya
Celupkan pensel ke dalam secawan air. Secara visual, nampaknya kami seolah-olah terbelah dua di permukaan air. Malah, tiada apa yang berlaku kepada pensel itu. Sebabnya ialah sinar cahaya mengenai permukaan air pada satu sudut, dan masuk lebih dalam pada sudut yang lain. Disebabkan ini, saiz dan lokasi badan fizikal diherotkan.
Menukar arah pancaran cahaya pada antara muka antara dua media lutsinar kepada gelombang cahaya dipanggil pembiasan Sveta.
Hukum yang menerangkan pembiasan gelombang cahaya dipanggil undang-undang Snell(Snell atau Snell) dinamakan sempena pengarangnya - ahli matematik Belanda Willebrord Snellius, yang menemuinya pada tahun 1621.
Menurut undang-undang ini, sudut tuju cahaya pada antara muka dan sudut biasan adalah berkaitan dengan hubungan:
n 1 sinƟ 1 = n 2 sinƟ 2 ,
atau dosa Ɵ 1 / dosa Ɵ 2 = n 2 / n 1 ,
di mana n 1 - indeks biasan medium dari mana cahaya jatuh pada antara muka;
Ɵ 1 - sudut antara kejadian pancaran cahaya pada antara muka dan normal pada permukaan ini;
n 2 - indeks biasan medium di mana cahaya masuk selepas antara muka;
Ɵ 2 - sudut antara sinar yang melepasi antara muka dan normal ke permukaan ini.
Indeks biasan medium ialah nisbah kelajuan cahaya dalam vakum kepada kelajuannya dalam medium tertentu:
n = c/v
Semakin ia berbeza daripada perpaduan, semakin besar sudut pesongan pancaran cahaya apabila melalui vakum ke sederhana.
Sikap n 2 / n 1 dipanggil penunjuk relatif pembiasan .
Sinar cahaya yang memasuki medium yang lebih tumpat membentuk sudut yang lebih kecil dengan normal ke permukaan ini, iaitu, ia dibiaskan ke bawah. Tetapi pada hakikatnya, nampaknya sudut ini, sebaliknya, lebih besar daripada sudut tuju. Akibatnya, kami melihat herotan dalam saiz, bentuk dan lokasi objek. Objek di dalam air kelihatan lebih besar kepada kita daripada yang sebenarnya dan terletak lebih tinggi. Oleh itu, perenang sering melakukan kesilapan semasa menilai kedalaman takungan. Mereka melihat bahagian bawah dinaikkan, dan kedalaman kelihatan lebih cetek kepada mereka.
Disebabkan oleh pembiasan cahaya matahari di atmosfera, kita memerhati matahari terbit lebih awal sedikit dan matahari terbenam lewat sedikit daripada fenomena ini akan berlaku jika tiada atmosfera.
Kanta untuk kamera foto dan filem, mikroskop, teleskop, teropong dan lain-lain dibina berdasarkan fenomena pembiasan. alat optik, yang mengandungi kanta optik atau prisma.
Apabila cahaya berpindah dari medium yang lebih tumpat kepada yang kurang tumpat (contohnya, dari air ke udara), seseorang boleh memerhati jumlah pantulan dalaman bagi pancaran cahaya . Ia berlaku apabila sudut tuju adalah sama dengan nilai tertentu yang dipanggil had sudut penuh refleksi dalaman . Dalam kes ini, sinar kejadian dipantulkan sepenuhnya daripada antara muka. Sinaran terbias hilang sepenuhnya.
Fenomena ini digunakan dalam LED gentian, yang diperbuat daripada bahan telus optik. Mereka adalah benang yang sangat nipis. Cahaya yang memasukinya dipantulkan sepenuhnya dari permukaan sisi dalam dan merebak pada jarak yang jauh.
Optik geometri mengambil kira sifat cahaya tanpa mengambil kira teori gelombang Dan fenomena kuantum. Sudah tentu, ia tidak dapat menerangkan dengan tepat fenomena optik. Tetapi oleh kerana undang-undangnya jauh lebih mudah berbanding dengan undang-undang gelombang generalisasi, ia digunakan secara meluas dalam pengiraan sistem optik.
Salah satu ciri cahaya ialah warnanya, yang untuk sinaran monokromatik ditentukan oleh panjang gelombang, dan untuk sinaran kompleks - oleh komposisi spektrumnya.
Cahaya boleh merambat walaupun tanpa ketiadaan jirim, iaitu dalam vakum. Dalam kes ini, kehadiran jirim mempengaruhi kelajuan perambatan cahaya.
Setiap kuantiti tenaga mempunyai analog yang sepadan - kuantiti fotometrik cahaya. Kuantiti cahaya berbeza daripada kuantiti tenaga kerana ia menilai cahaya dengan keupayaannya untuk menimbulkan sensasi visual pada seseorang. Analog cahaya bagi kuantiti tenaga yang disenaraikan di atas ialah tenaga bercahaya, fluks bercahaya, keamatan bercahaya, kecerahan, kecerahan dan pencahayaan.
Dengan mengambil kira pergantungan sensasi visual pada panjang gelombang cahaya oleh kuantiti cahaya membawa kepada fakta bahawa untuk nilai yang sama, sebagai contoh, tenaga yang dipindahkan oleh cahaya hijau dan ungu, tenaga cahaya yang dipindahkan dalam kes pertama akan menjadi lebih tinggi dengan ketara. daripada yang kedua. Keputusan ini bersetuju sepenuhnya dengan fakta bahawa sensitiviti mata manusia terhadap cahaya hijau adalah lebih tinggi daripada cahaya ungu.
Kelajuan cahaya
Kelajuan cahaya dalam vakum ditentukan tepat pada 299,792,458 m/s (kira-kira 300,000 km sesaat). Nilai tetap kelajuan cahaya dalam SI adalah disebabkan oleh fakta bahawa meter pada masa ini ditakrifkan dari segi kelajuan cahaya. Semua jenis sinaran elektromagnet dipercayai bergerak pada kelajuan yang sama dalam vakum.
Pelbagai ahli fizik telah cuba mengukur kelajuan cahaya sepanjang sejarah. Galileo cuba mengukur kelajuan cahaya pada abad ketujuh belas. Satu eksperimen awal untuk mengukur kelajuan cahaya telah dijalankan oleh Ole Römer, seorang ahli fizik Denmark, pada tahun 1676. Menggunakan teleskop, Roemer memerhati pergerakan Musytari dan salah satu bulannya, Io. Menyedari perbezaan dalam tempoh ketara orbit Io, dia mengira bahawa cahaya mengambil masa kira-kira 22 minit untuk melintasi diameter orbit Bumi. Bagaimanapun, saiznya tidak diketahui pada masa itu. Sekiranya Roemer mengetahui diameter orbit Bumi, dia akan memperoleh nilai kelajuan 227,000,000 m/s.
Lain, lebih cara yang tepat, pengukuran kelajuan cahaya telah dijalankan di Eropah oleh Hippolyte Fizeau pada tahun 1849. Fizeau mengarahkan pancaran cahaya ke cermin beberapa kilometer jauhnya. Roda gear berputar diletakkan di laluan pancaran cahaya yang bergerak dari sumber ke cermin dan kemudian kembali ke puncanya. Fizeau mendapati bahawa pada kelajuan putaran tertentu, rasuk akan melalui satu celah dalam roda dalam perjalanan dan celah seterusnya dalam perjalanan pulang. Mengetahui jarak ke cermin, bilangan gigi pada roda, dan kelajuan putaran, Fizeau dapat mengira kelajuan cahaya 313,000,000 m/s.
Leon Foucault menggunakan eksperimen yang menggunakan cermin berputar untuk mendapatkan nilai 298,000,000 m/s pada tahun 1862. Albert A. Michelson menjalankan eksperimen untuk menentukan kelajuan cahaya dari tahun 1877 sehingga kematiannya pada tahun 1931. Beliau menambah baik kaedah Foucault pada tahun 1926 dengan menggunakan cermin berputar yang dipertingkatkan untuk mengukur masa yang diperlukan cahaya untuk bergerak dari Gunung Wilson ke Gunung San Antonio di California. Pengukuran yang tepat diberi kelajuan 299,796,000 m/s.
Kelajuan cahaya berkesan dalam pelbagai bahan lutsinar yang mengandungi bahan biasa adalah kurang daripada dalam vakum. Sebagai contoh, kelajuan cahaya dalam air adalah kira-kira 3/4 daripadanya dalam vakum. Walau bagaimanapun, perlambatan proses dalam jirim dipercayai berlaku bukan daripada perlambatan sebenar zarah cahaya, tetapi daripada penyerapan dan pelepasan semula oleh zarah bercas dalam jirim.
Sebagai contoh melampau cahaya melambatkan, dua kumpulan ahli fizik bebas dapat "menghentikan sepenuhnya" cahaya dengan menghantarnya melalui kondensat Bose-Einstein berasaskan rubidium Walau bagaimanapun, perkataan "berhenti" dalam eksperimen ini hanya merujuk kepada cahaya yang disimpan dalam keadaan teruja atom, dan kemudian dipancarkan semula menjadi lebih sewenang-wenangnya lewat waktu, sebagai sinaran yang dirangsang oleh nadi laser kedua. Pada masa apabila cahaya "berhenti", ia tidak lagi menjadi cahaya.
Sifat optik cahaya
Kajian tentang cahaya dan interaksi cahaya dan jirim dipanggil optik. Pemerhatian dan kajian fenomena optik seperti pelangi dan lampu utara izinkan kami memberi penerangan tentang sifat cahaya.
pembiasan
Contoh pembiasan cahaya. Jerami kelihatan melengkung kerana pembiasan cahaya apabila ia memasuki cecair dari udara.
Pembiasan cahaya ialah perubahan arah perambatan cahaya (sinar cahaya) apabila melalui antara muka antara dua media lutsinar yang berbeza. Ia diterangkan oleh undang-undang Snell:
di manakah sudut antara sinar dan normal ke permukaan dalam medium pertama, ialah sudut antara sinar dan normal ke permukaan dalam persekitaran kedua, dan dan ialah indeks biasan bagi medium pertama dan kedua, masing-masing. Lebih-lebih lagi, untuk vakum dan dalam kes media telus.
Apabila pancaran cahaya melintasi sempadan antara vakum dan medium lain, atau antara dua persekitaran yang berbeza, panjang gelombang cahaya berubah, tetapi frekuensinya tetap sama. Jika pancaran cahaya tidak ortogon (atau lebih tepatnya normal) ke sempadan, menukar panjang gelombang menyebabkan pancaran bertukar arah. Perubahan arah ini ialah pembiasan cahaya.
Pembiasan cahaya oleh kanta sering digunakan untuk mengawal cahaya dengan cara yang berubah saiz yang ketara imej, seperti dalam cermin mata pembesar, cermin mata, kanta sentuh, mikroskop dan teleskop.
Sumber cahaya
Cahaya dicipta dalam banyak proses fizikal, di mana zarah bercas mengambil bahagian. Yang paling penting ialah sinaran haba, yang mempunyai spektrum berterusan dengan maksimum bergantung pada suhu sumber. Khususnya, sinaran suria hampir dengan sinaran haba badan hitam benar-benar dipanaskan kepada kira-kira 6000 K, dengan kira-kira 40% sinaran suria terletak dalam julat yang boleh dilihat, dan pengagihan kuasa maksimum merentas spektrum terletak berhampiran 550 nm ( warna hijau). Proses lain yang merupakan sumber cahaya:
- peralihan kepada cengkerang elektronik atom dan molekul dari satu tahap ke tahap yang lain (proses ini memberi spektrum garis dan sertakan kedua-duanya pelepasan spontan- dalam lampu pelepasan gas, LED, dsb. - dan pelepasan rangsangan dalam laser);
- proses yang berkaitan dengan pecutan dan nyahpecutan zarah bercas (sinarisasi sinkrotron, sinaran siklotron, bremsstrahlung);
- Sinaran Cherenkov apabila zarah bercas bergerak pada kelajuan melebihi kelajuan fasa cahaya dalam medium tertentu;
- pelbagai jenis pendaran:
- chemiluminescence (dalam organisma hidup ia dipanggil bioluminescence)
- kilauan
DALAM sains gunaan Pencirian spektrum yang tepat adalah penting. Terutama penting jenis berikut sumber:
- Sumber A
- Sumber B
- Sumber C
- Sumber D 65
Lampu pendarfluor Tersedia dalam julat cahaya yang berbeza, termasuk:
- Lampu cahaya putih (suhu warna 3500),
- Lampu cahaya putih sejuk (suhu warna 4300 K)
Radiometri dan ukuran cahaya
Kepada salah satu yang paling penting dan dituntut oleh sains dan ciri-ciri amalan cahaya, seperti yang lain objek fizikal, kaitkan ciri tenaga. Pengukuran dan kajian ciri sedemikian, dinyatakan dalam kuantiti fotometrik tenaga, adalah subjek cabang fotometri yang dipanggil "radiometri sinaran optik". Oleh itu, radiometri mengkaji cahaya tanpa mengambil kira sifat penglihatan manusia.
Sebaliknya, cahaya memainkan peranan istimewa dalam kehidupan manusia, memberikannya kebanyakan maklumat tentang dunia di sekelilingnya yang diperlukan untuk kehidupan. Ini berlaku kerana kehadiran organ penglihatan manusia - mata. Ini membayangkan keperluan untuk mengukur ciri-ciri cahaya yang mana seseorang boleh menilai keupayaannya untuk merangsang sensasi visual. Ciri-ciri yang disebutkan dinyatakan dalam kuantiti fotometrik ringan, dan ukuran dan kajiannya adalah subjek kajian dalam bahagian lain fotometri - " ukuran cahaya» .
Kuantiti cahaya dan tenaga berkait antara satu sama lain menggunakan kecekapan bercahaya spektrum relatif sinaran monokromatik untuk penglihatan siang hari, mempunyai maksud kepekaan spektrum relatif mata manusia purata yang disesuaikan dengan penglihatan siang hari. Untuk sinaran monokromatik dengan panjang gelombang, hubungan yang menghubungkan kuantiti cahaya sewenang-wenangnya dengan kuantiti tenaga yang sepadan ditulis dalam SI sebagai:
DALAM kes am, apabila tiada sekatan dikenakan ke atas pengagihan tenaga sinaran merentasi spektrum, hubungan ini mengambil bentuk:
Kuantiti cahaya tergolong dalam kelas kuantiti fotometrik terkurang, yang mana sistem lain juga tergolong kuantiti fotometrik. Namun, hanya kuantiti yang ringan disahkan dalam rangka kerja SI dan hanya untuk mereka unit ukuran khas yang ditakrifkan dalam SI.
Tekanan ringan
Cahaya memberikan tekanan fizikal pada objek di laluannya - fenomena yang tidak boleh diperolehi daripada persamaan Maxwell, tetapi boleh dijelaskan dengan mudah dalam teori korpuskular, apabila foton berlanggar dengan halangan dan memindahkan momentumnya. Tekanan cahaya adalah sama dengan kuasa pancaran cahaya dibahagikan dengan c, kelajuan cahaya. Oleh kerana magnitud c, kesan tekanan cahaya boleh diabaikan untuk objek harian. Sebagai contoh, penunjuk laser satu milliwatt menghasilkan tekanan kira-kira 3.3 pN. Objek yang diterangi dengan cara ini boleh diangkat, walaupun untuk syiling 1 sen ini memerlukan kira-kira 30 bilion 1-mW penunjuk laser. Walau bagaimanapun, pada skala nanometer, kesan tekanan cahaya adalah lebih ketara, dan penggunaan tekanan cahaya untuk mengawal mekanisme dan menukar suis nanometer dalam litar bersepadu adalah kawasan penyelidikan yang aktif.
Sejarah teori cahaya dalam susunan kronologi
Yunani Purba dan Rom
Pada awal abad ke-19, eksperimen Thomas Young dengan pembelauan memberikan bukti yang meyakinkan yang memihak kepada teori gelombang. Telah didapati bahawa cahaya adalah gelombang melintang dan dicirikan oleh polarisasi. Jung mencadangkan itu warna yang berbeza sepadan dengan panjang gelombang yang berbeza. Pada tahun 1817, Augustin Fresnel menggariskan teori gelombang cahayanya dalam memoir untuk Akademi Sains. Selepas teori elektromagnetisme dicipta, cahaya dikenal pasti sebagai gelombang elektromagnet. Kemenangan teori gelombang telah digoncang pada akhir abad ke-19, apabila eksperimen Michelson-Morley tidak menemui eter. Gelombang memerlukan medium di mana ia boleh merambat, tetapi eksperimen yang direka dengan teliti belum mengesahkan kewujudan medium ini. Ini membawa kepada penciptaan Albert Einstein teori khas relativiti. Sifat gelombang elektromagnet ternyata lebih kompleks daripada hanya penyebaran gangguan dalam jirim. Pertimbangan Max Planck tentang masalah keseimbangan terma jasad yang benar-benar hitam dengan sinarannya membawa kepada kemunculan idea memancarkan cahaya dalam bahagian - quanta cahaya, yang dipanggil foton. Analisis Einstein terhadap kesan fotoelektrik menunjukkan bahawa penyerapan tenaga cahaya juga berlaku oleh quanta.
Dengan pembangunan mekanik kuantum Idea Louis de Broglie tentang dualiti gelombang-zarah telah ditubuhkan, mengikut mana cahaya harus mempunyai kedua-duanya. sifat gelombang, yang menerangkan keupayaannya untuk pembelauan dan gangguan, dan sifat korpuskular, yang menerangkan penyerapan dan pelepasannya.
Teori gelombang dan elektromagnet
Cahaya dalam relativiti khas
Teori kuantum
Dualiti gelombang-zarah
Elektrodinamik kuantum
Persepsi cahaya oleh mata
Lihat dunia kita hanya boleh kerana cahaya wujud dan manusia dapat melihatnya. Sebaliknya, persepsi seseorang terhadap sinaran elektromagnet dalam julat spektrum yang boleh dilihat berlaku disebabkan oleh fakta bahawa dalam retina mata seseorang terdapat reseptor yang boleh bertindak balas terhadap sinaran ini.
Retina mata manusia mempunyai dua jenis sel sensitif cahaya: rod dan kon. Tongkat mempunyai sensitiviti yang tinggi kepada cahaya dan berfungsi dalam keadaan cahaya malap, dengan itu bertanggungjawab untuk penglihatan malam. Walau bagaimanapun, pergantungan spektrum sensitiviti adalah sama untuk semua rod, jadi rod tidak dapat memberikan keupayaan untuk membezakan warna. Sehubungan itu, imej yang diperoleh dengan bantuan mereka hanyalah hitam dan putih.
Kon mempunyai kepekaan yang agak rendah kepada cahaya dan menyediakan mekanisme untuk penglihatan siang hari yang beroperasi hanya apabila tahap tinggi penerangan Pada masa yang sama, tidak seperti rod, dalam retina manusia tidak ada satu, tetapi tiga jenis kon, berbeza antara satu sama lain di lokasi maksimum taburan kepekaan spektrum mereka. Akibatnya, kon memberikan maklumat bukan sahaja tentang keamatan cahaya, tetapi juga tentang komposisi spektrumnya. Terima kasih kepada maklumat sedemikian, seseorang mengembangkan sensasi warna.
Komposisi spektrum cahaya secara unik menentukan warnanya yang dirasakan oleh manusia. Pernyataan sebaliknya, bagaimanapun, adalah tidak benar: warna yang sama boleh diperolehi cara yang berbeza. Dalam kes cahaya monokromatik, keadaan dipermudahkan: korespondensi antara panjang gelombang cahaya dan warnanya menjadi satu dengan satu. Data mengenai pematuhan tersebut dibentangkan dalam jadual.
Jadual koresponden antara frekuensi sinaran elektromagnet dan warna
| Warna | Julat panjang gelombang, nm | Julat frekuensi, THz | Julat tenaga foton, eV |
|---|---|---|---|
| Violet | 380-440 | 790-680 | 2,82-3,26 |
| Biru | 440-485 | 680-620 | 2,56-2,82 |
| Biru | 485-500 | 620-600 | 2,48-2,56 |
| hijau | 500-565 | 600-530 | 2,19-2,48 |
| Kuning | 565-590 | 530-510 | 2,10-2,19 |
“Dan Allah berfirman: “Jadilah terang!” Semua orang tahu kata-kata ini dari Alkitab dan semua orang faham: hidup tanpa dia adalah mustahil. Tetapi apakah cahaya dengan sifatnya? Apakah kandungannya dan apakah sifatnya? Apakah cahaya yang kelihatan dan tidak kelihatan? Kami akan membincangkan perkara ini dan beberapa soalan lain dalam artikel.
Mengenai peranan cahaya
Kebanyakan maklumat biasanya dilihat oleh seseorang melalui mata. Semua kepelbagaian warna dan bentuk yang menjadi ciri dunia material, terbuka kepadanya. Dan dia boleh melihat melalui penglihatan hanya apa yang memantulkan cahaya tertentu yang dipanggil cahaya nampak. Sumber cahaya boleh semulajadi, seperti matahari, atau tiruan, yang dihasilkan oleh elektrik. Terima kasih kepada pencahayaan sedemikian, ia menjadi mungkin untuk bekerja, berehat - dalam satu perkataan, menjalani gaya hidup penuh pada bila-bila masa sepanjang hari.
Sememangnya, aspek kehidupan yang begitu penting menguasai fikiran ramai orang yang tinggal di dalamnya zaman yang berbeza. Mari kita pertimbangkan apa itu cahaya, di bawah sudut yang berbeza sudut pandangan, iaitu dari sudut pelbagai teori, yang dipegang oleh pakar hari ini.
Cahaya: definisi (fizik)
Aristotle, yang bertanya soalan ini, menganggap cahaya tindakan tertentu, yang merebak di persekitaran. Seorang ahli falsafah dari Rom kuno, Kereta Lucretius. Dia yakin bahawa semua yang wujud di dunia terdiri daripada yang paling banyak zarah halus- atom. Dan cahaya juga mempunyai struktur ini.
Pada abad ketujuh belas, pandangan ini membentuk asas kepada dua teori:
- korpuskular;
- gelombang.
Hari ini diketahui bahawa semua badan mengeluarkan cahaya inframerah. Sumber cahaya memancarkan sinaran inframerah, mempunyai panjang gelombang yang lebih panjang, tetapi lebih lemah daripada yang merah.
Haba ialah sinaran dalam spektrum inframerah yang terpancar daripada molekul yang bergerak. Semakin tinggi kelajuannya, semakin besar sinaran, dan objek sedemikian menjadi lebih panas.
Ultraviolet
Sebaik sahaja mereka membuka sinaran inframerah, Wilhelm Ritter, ahli fizik Jerman, mula belajar sebelah bertentangan spektrum Panjang gelombang di sini ternyata lebih pendek daripada itu ungu. Dia perasan bagaimana klorida perak menjadi hitam di sebalik ungu. Dan ini berlaku lebih cepat daripada panjang gelombang cahaya yang boleh dilihat. Ternyata sinaran tersebut berlaku apabila elektron pada luaran cengkerang atom. Kaca mampu menyerap sinaran ultraungu, jadi kanta kuarza digunakan dalam kajian.
Sinaran diserap oleh kulit manusia dan haiwan, serta bahagian atas tisu tumbuhan. Dos sinaran ultraungu yang kecil boleh memberi kesan yang baik terhadap kesejahteraan, menguatkan sistem imun dan mencipta vitamin D. Tetapi dos yang besar boleh menyebabkan kulit terbakar dan merosakkan mata, malah dos yang terlalu besar boleh menyebabkan kesan karsinogenik.
Penggunaan ultraviolet
Kesimpulan
Jika kita mengambil kira spektrum cahaya yang boleh diabaikan, ia menjadi jelas bahawa julat optik telah dikaji dengan sangat buruk oleh manusia. Salah satu sebab untuk pendekatan ini ialah minat meningkat orang kepada apa yang kelihatan dengan mata.
Tetapi kerana ini, pemahaman masih rendah. Seluruh kosmos meresap radiasi elektromagnetik. Lebih kerap daripada tidak, orang bukan sahaja tidak melihatnya, tetapi juga tidak merasakannya. Tetapi jika tenaga spektrum ini meningkat, ia boleh menyebabkan penyakit dan bahkan menjadi maut.
Apabila mengkaji spektrum yang tidak kelihatan, beberapa, seperti yang dipanggil, menjadi jelas fenomena mistik. Sebagai contoh, kilat bola. Ia berlaku bahawa mereka muncul seolah-olah entah dari mana dan tiba-tiba hilang. Malah, peralihan dari julat yang tidak kelihatan kepada yang kelihatan dan belakang hanya dilakukan.
Jika anda menggunakan kamera yang berbeza semasa mengambil gambar langit semasa ribut petir, anda kadangkala boleh menangkap peralihan plasmoid, penampilannya dalam kilat dan perubahan yang berlaku dalam kilat itu sendiri.
Di sekeliling kita adalah dunia yang sama sekali tidak diketahui, yang kelihatan berbeza daripada apa yang biasa kita lihat. Kenyataan yang terkenal "Sehingga saya melihatnya dengan mata kepala saya sendiri, saya tidak akan percaya" telah lama kehilangan kaitannya. Radio, televisyen, komunikasi selular dan seumpamanya telah lama membuktikan bahawa jika kita tidak melihat sesuatu, ini sama sekali tidak bermakna ia tidak wujud.
Pada suatu masa dahulu, pada zaman dahulu, orang percaya bahawa keupayaan kita untuk melihat adalah disebabkan oleh sinaran tertentu yang terpancar dari mata dan, seolah-olah, "merasakan" permukaan objek. Tidak kira betapa lucunya konsep seperti itu hari ini, fikirkan - adakah anda tahu apa itu cahaya? Dari mana ia datang? Bagaimana kita melihatnya dan mengapa pelbagai barangan adakah mereka mempunyai warna yang berbeza?
Hidupkan mentol dan letakkan tangan anda di dekatnya. Anda akan merasakan haba yang terpancar daripada mentol. Oleh itu, cahaya adalah sinaran. Semua sinaran membawa tenaga, tetapi tidak semua sinaran boleh dilihat secara visual. Mari kita simpulkan bahawa cahaya adalah sinaran yang boleh dilihat.
Sifat cahaya
Telah terbukti secara eksperimen bahawa cahaya mempunyai sifat elektromagnet, supaya kita boleh menambah definisi kita dengan cara berikut: Cahaya ialah sinaran elektromagnet yang boleh dilihat.
Cahaya boleh melalui badan telus dan bahan. Oleh itu, cahaya matahari menembusi kita melalui atmosfera, walaupun cahayanya dibiaskan. Dan apabila menghadapi objek legap, cahaya dipantulkan daripada mereka, dan kita dapat melihat cahaya yang dipantulkan ini dengan mata, dan dengan itu kita melihat.
Sebahagian daripada cahaya diserap oleh objek, dan ia menjadi panas. Objek gelap memanaskan lebih daripada yang terang, masing-masing kebanyakan daripada cahaya diserap oleh mereka, dan lebih sedikit yang dipantulkan. Itulah sebabnya objek ini kelihatan gelap kepada kita.
Objek hitam paling banyak menyerap cahaya. Itulah sebabnya pada musim panas anda tidak boleh memakai pakaian hitam, kerana anda boleh mendapat strok haba. Atas sebab yang sama, pada musim panas, ibu sentiasa memakai topi berwarna terang untuk anak-anak mereka, yang lebih panas daripada rambut yang mempunyai warna yang lebih gelap.
Sumber cahaya
Badan dari mana cahaya datang dipanggil sumber cahaya. Terdapat semula jadi dan sumber tiruan Sveta. Sumber cahaya semula jadi yang paling terkenal kepada semua penduduk planet kita ialah Matahari.
Matahari bukan sahaja sumber cahaya yang boleh dilihat, tetapi juga haba, yang menyebabkan kehidupan di Bumi mungkin. Lain-lain mata air semula jadi lampu adalah bintang, fenomena atmosfera seperti kilat, benda hidup seperti kelip-kelip, dan sebagainya.
Terima kasih kepada manusia, terdapat juga sumber tiruan. Sebelum ini, bagi orang ramai, sumber utama cahaya dalam gelap ialah api: lilin, obor, pembakar gas, dan sebagainya. Pada masa kini yang paling biasa ialah sumber elektrik Sveta. Selain itu, ia dibahagikan pula kepada terma (lampu pijar) dan pendarfluor (lampu pendarfluor, lampu lampu gas).
Penyebaran cahaya
Satu lagi sifat cahaya ialah perambatan linearnya. Cahaya tidak boleh membengkok di sekeliling halangan, jadi bayang-bayang terbentuk di belakang objek legap. Bayang-bayang itu selalunya tidak sepenuhnya hitam kerana pelbagai pantulan dan pancaran cahaya dari objek lain jatuh di sana.
« Cahaya" merujuk kepada kategori yang kelihatan paling biasa, mudah difahami dan mudah, tetapi sebenarnya menjadi yang paling kompleks. Secara umumnya, sepanjang perkembangan fizik, idea tentang apa itu cahaya telah berulang kali berubah secara dramatik.
DALAM dunia purba pendapat tentang cahaya sangat berbeza. Pada era Newton ke tahap yang lebih besar Optik geometri dan pandangan korpuskular cahaya telah dibangunkan, walaupun konsep gelombang cahaya juga timbul (prinsip Huygens). Dengan penemuan fenomena gangguan dan pembelauan, keutamaan beralih kepada teori gelombang cahaya, dan dalam kerangka Maxwell ternyata cahaya adalah getaran elektromagnet(gelombang dalam medan elektromagnet). Walau bagaimanapun, dalam rangka kerja kami terpaksa kembali semula kepada konsep korpuskular cahaya, dan pada masa yang sama konsep foton - kuantum cahaya - muncul. Sejak itu, telah dipercayai bahawa cahaya mempunyai sifat dwi - dalam beberapa kes ia adalah gelombang, dalam yang lain ia adalah korpuskular.
Fizik lapangan dengan ketara mengubah falsafah semua isu ini. Pertama, ia mengasingkan konsep kepunyaan asas (proton, elektron, dll.) dan jasad yang terdiri daripadanya, daripada konsep kepunyaan cahaya, sebagai komponen elektromagnet. Cahaya bukan entiti material, ia adalah proses berayun, yang boleh dicirikan oleh konsep seperti kekerapan atau , tetapi tidak mempunyai atau .
Menurut falsafah ini, cahaya tidak mematuhi undang-undang yang sah untuk badan material. Khususnya, mereka tidak boleh bertindak di atasnya; peraturan klasik penambahan tidak terpakai kepadanya, kerana cahaya adalah intipati yang berbeza daripada objek material. Jadi jika anda membaling batu dari bot yang bergerak, maka jumlah kelajuannya berbanding pantai akan menjadi jumlahnya kelajuan awal kelajuan batu dan bot. Jika batu itu akan jatuh ke dalam air, maka kelajuan penyebaran bulatan di atas air tidak bergantung pada kelajuan di mana batu itu terbang, kerana bulatan di atas air, seperti cahaya, tidak lebih daripada badan material. Kelajuan gelombang ditentukan oleh sifat medium di mana ia merambat, dan ia tidak bergantung pada kelajuan sumber yang mencipta gelombang ini (kelajuan sumber mempengaruhi frekuensi gelombang, kesan ini dipanggil Kesan Doppler). Penjelasan mudah ini jelas menunjukkan mengapa, tidak seperti kelajuan batu, ia tidak bergantung pada sumbernya. Cuma undang-undang penambahan halaju, terpakai kepada jasad material, tidak boleh digunakan untuk cahaya, sebagai entiti yang berbeza sifatnya.
Mengikut pesongan cahaya, ia juga tidak dikaitkan dengan kesan daya graviti pada cahaya, kerana cahaya, sebagai proses berayun, tidak mempunyai (atau lebih tepat, caj graviti). Kesan ini berlaku disebabkan oleh peningkatan dalam persekitaran berhampiran berbadan besar dan, oleh itu, cahaya mengalami sedikit pembiasan apabila melalui medium yang lebih tumpat. Begitu juga, dalam fizik lapangan, banyak kesan yang dikaitkan dengan cahaya menerima tafsiran dan penjelasan yang berbeza sama sekali.