Quang học vật lý hiện đại coi ánh sáng là một loại sóng điện từ, được mắt người cảm nhận. Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng ánh sáng là bức xạ điện từ nhìn thấy được.
Ánh sáng nhìn thấy được
Như đã biết, sóng điện từ khác nhau về tần số và bước sóng. Và tùy thuộc vào các giá trị này, bức xạ điện từ được chia thành các dải tần số.
Ngoài quang học vật lý Khái niệm “ánh sáng” cũng bao gồm các sóng điện từ mà mắt người không thể nhìn thấy được, trong phạm vi hồng ngoại có bước sóng 1 mm - 780 nm và tần số 300 GHz - 429 THz và trong dải tử ngoại có bước sóng 380 - 10 nm và tần số 7,5 10 14 Hz - 3 10 16 Hz.
Bức xạ hồng ngoại, nhìn thấy và tử ngoại được gọi là vùng quang phổ. Giới hạn trên Phạm vi quang học là giới hạn sóng dài của bức xạ hồng ngoại và giới hạn dưới là giới hạn sóng ngắn của bức xạ tia cực tím. Vì vậy phạm vi bức xạ quang học- từ 1 mm đến 10 nm.
Ánh sáng xuất hiện như thế nào? Hóa ra nó được hình thành là kết quả của các quá trình xảy ra bên trong các nguyên tử khi trạng thái của chúng thay đổi. Điều này tạo ra một dòng hạt gọi là photon. Chúng không có khối lượng nhưng có năng lượng.
Hóa ra ánh sáng đồng thời có tính chất của sóng điện từ và tính chất của các hạt rời rạc - photon.
Nguồn sáng
Bất kỳ vật thể nào phát ra sóng điện từ có tần số trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy được, có thể gọi là nguồn sáng. Tất cả các nguồn sáng được chia thành tự nhiên do chính thiên nhiên tạo ra và nhân tạo do con người tạo ra.
Tất nhiên, nguồn ánh sáng tự nhiên quan trọng nhất trên Trái đất là Mặt trời. Nó mang lại cho chúng ta không chỉ ánh sáng mà còn cả sự ấm áp. Nhờ năng lượng Ánh sáng mặt trời có sự sống trên hành tinh của chúng ta. Ánh sáng được phát ra từ Mặt trăng, các ngôi sao, sao chổi và những vật khác thiên thể. Nguồn ánh sáng tự nhiên có thể không chỉ có các thi thể mà còn có hiện tượng tự nhiên. Trong cơn giông bão, chúng ta thấy tia sét chiếu sáng mọi thứ xung quanh bằng ánh sáng mạnh mẽ như thế nào. Cực quang, sinh vật sống phát sáng, khoáng chất, v.v. - đây cũng là suối tự nhiên Sveta.
Nguồn sáng nhân tạo đầu tiên và lâu đời nhất có thể được gọi là lửa lửa. Sau này, con người học cách sử dụng các loại nhiên liệu khác và tạo ra các nguồn sáng di động: nến, đuốc, đèn dầu, đèn gas, v.v. Tất cả các nguồn này đều dựa trên quá trình đốt cháy và cùng với ánh sáng, phát ra số lượng lớn nhiệt.
Với việc phát minh ra điện, bóng đèn xuất hiện, ngày nay con người vẫn sử dụng làm nguồn sáng.
Quang học hình học
Sự truyền ánh sáng trong môi trường trong suốt, sự phản xạ của nó từ các bề mặt phản xạ gương, sự khúc xạ ở ranh giới của hai môi trường trong suốt xảy ra theo các định luật nhất định được nghiên cứu bởi quang học hình học.
Để nghiên cứu các hiện tượng ánh sáng khác nhau trong quang học hình học, các khái niệm như nguồn sáng điểm và chùm sáng được sử dụng.
Khái niệm cơ bản của quang học hình học là chùm ánh sáng .
Một chiếc đèn thông thường phân phối ánh sáng đều theo mọi hướng. Chúng ta hãy che chiếc đèn này bằng một vật liệu mờ đục để ánh sáng phát ra từ nó chỉ có thể đi qua một lỗ nhỏ hẹp. Một luồng ánh sáng hẹp sẽ đi qua nó, hướng theo một đường thẳng. Đường mà chùm tia sáng truyền đi được gọi là tia sáng. Hướng của chùm tia này không phụ thuộc vào kích thước ngang của nó.
Nến, đèn lồng, đèn và các nguồn sáng khác có khá nhiều kích thước lớn so với khoảng cách mà ánh sáng của chúng truyền đi. Họ được gọi nguồn ánh sáng mở rộng . Nguồn sáng điểm một nguồn được coi là có kích thước có thể bỏ qua so với khoảng cách mà ánh sáng này chạm tới. Ví dụ, ngôi sao không gian, thực sự có kích thước khổng lồ, có thể được coi là một nguồn sáng điểm, vì khoảng cách mà ánh sáng này lan truyền là rất lớn so với kích thước của chính ngôi sao.
Hãy xem xét các định luật cơ bản của quang học hình học.
Định luật truyền thẳng của ánh sáng
Trong môi trường đồng nhất trong suốt, ánh sáng truyền theo đường thẳng. Bằng chứng của định luật này là kinh nghiệm trong đó ánh sáng từ nguồn điểmđi qua một lỗ nhỏ trên màn hình. Kết quả là một chùm ánh sáng hẹp được hình thành và trong mặt phẳng nằm phía sau màn hình song song với nó, một vòng tròn ánh sáng đều xuất hiện với tâm của nó nằm trên một đường thẳng mà ánh sáng truyền dọc theo đó.
Hãy đặt một vật nhỏ giữa nguồn sáng và màn hình. Trên màn hình chúng ta sẽ nhìn thấy bóng của vật thể này. Bóng tối- đây là khu vực mà tia sáng không tới được. Sự xuất hiện của nó được giải thích bằng sự truyền thẳng của ánh sáng. Nếu nguồn sáng có dạng điểm thì chỉ tạo thành bóng. Nếu kích thước của nó khá lớn so với khoảng cách đến vật thể thì bóng và vùng nửa tối sẽ được tạo ra. Thật vậy, trong trường hợp này, các tia sáng phát ra từ mỗi điểm của nguồn. Một số trong số chúng, rơi vào vùng bóng, làm nổi bật các cạnh của nó và từ đó tạo ra vùng nửa tối - khu vực mà các tia sáng rơi một phần vào đó.
Định luật truyền thẳng giải thích bản chất của năng lượng mặt trời và nguyệt thực. nhật thực xảy ra khi Mặt Trăng nằm giữa Mặt Trời và Trái Đất, bóng của Mặt Trăng đổ lên Trái Đất.
Định luật truyền ánh sáng thẳng đã được người Hy Lạp cổ đại sử dụng khi lắp đặt cột. Nếu các cột được đặt nghiêm ngặt trên một đường thẳng thì cột gần nhất sẽ che phủ tất cả các cột khác một cách trực quan.
Định luật phản xạ ánh sáng
Nếu trên đường chùm ánh sáng Khi gặp bề mặt phản chiếu, chùm sáng sẽ thay đổi hướng. Tia tới và tia phản xạ và pháp tuyến (vuông góc) với bề mặt phản xạ, được phục hồi tại điểm tới, nằm trong cùng một mặt phẳng. Góc giữa các tia được chia bởi pháp tuyến này thành hai phần bằng nhau. Công thức phổ biến nhất của định luật phản xạ là: “ Góc tới bằng góc sự phản xạ" Nhưng định nghĩa này không chỉ ra hướng của tia phản xạ. Khi đó chùm tia phản xạ sẽ đi ngược chiều với chùm tia tới.
Nếu kích thước của các bề mặt không đồng đều nhỏ hơn chiều dài của sóng ánh sáng thì các tia tới trong một luồng song song sẽ bị phản xạ một cách phản xạ và cũng sẽ truyền theo các luồng song song.
Nếu kích thước của các điểm bất thường vượt quá bước sóng thì búi tóc hẹp sẽ bị tán xạ và tia phản xạ sẽ đi theo các hướng khác nhau. Sự phản ánh này được gọi là khuếch tán, hoặc đãng trí. Nhưng, bất chấp sự tán xạ ngẫu nhiên, định luật phản xạ cũng được thỏa mãn trong trường hợp này. Đối với mọi tia sáng, góc tới và góc phản xạ sẽ bằng nhau.
Định luật khúc xạ ánh sáng
Nhúng bút chì vào cốc nước. Nhìn bề ngoài, chúng ta có cảm giác như nó đã bị vỡ làm đôi trên mặt nước. Không có gì thực sự xảy ra với cây bút chì. Nguyên nhân là vì tia sáng chiếu vào mặt nước theo một góc và đi sâu hơn ở một góc khác. Vì điều này, kích thước và vị trí của các vật thể bị bóp méo.
Thay đổi hướng của chùm sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt thành sóng ánh sáng gọi điện sự khúc xạ Sveta.
Định luật mô tả sự khúc xạ của sóng ánh sáng được gọi là định luật Snell(Snell hoặc Snell) được đặt theo tên tác giả của nó - nhà toán học người Hà Lan Willebrord Snellius, người đã phát hiện ra nó vào năm 1621.
Theo định luật này, góc tới của ánh sáng trên mặt phân cách và góc khúc xạ có liên hệ với nhau bởi hệ thức:
n 1 tội lỗi 1 = n 2 tội lỗi 2 ,
hoặc tội lỗi Ɵ 1 / tội lỗi 2 = N 2 / N 1 ,
Ở đâu N 1 - chiết suất của môi trường mà ánh sáng chiếu vào mặt phân cách;
Ɵ 1 - góc giữa chùm tia sáng tới trên bề mặt và pháp tuyến của bề mặt này;
N 2 - chiết suất của môi trường mà ánh sáng đi vào sau mặt phân cách;
Ɵ 2 - góc giữa tia đi qua mặt phân cách và pháp tuyến tới bề mặt này.
Chiết suất của môi trường là tỉ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và tốc độ của nó trong môi trường nhất định:
n = c/v
Càng khác xa sự thống nhất thì góc lệch của chùm sáng khi truyền từ chân không sang môi trường càng lớn.
Thái độ N 2 / N 1 gọi điện chỉ số tương đối sự khúc xạ .
Một tia sáng đi vào môi trường đậm đặc hơn tạo thành một góc nhỏ hơn so với pháp tuyến của bề mặt này, nghĩa là nó bị khúc xạ xuống dưới. Nhưng trên thực tế, có vẻ như góc này ngược lại lại lớn hơn góc tới. Kết quả của việc này là chúng ta quan sát thấy sự biến dạng về kích thước, hình dạng và vị trí của các vật thể. Đối với chúng ta, các vật thể trong nước dường như lớn hơn thực tế và nằm ở vị trí cao hơn. Vì vậy, người bơi thường mắc sai lầm khi đánh giá độ sâu của hồ chứa. Họ nhìn thấy đáy được nâng lên và độ sâu dường như nông hơn đối với họ.
Do sự khúc xạ của ánh sáng mặt trời trong khí quyển, chúng ta quan sát thấy mặt trời mọc sớm hơn một chút và mặt trời lặn muộn hơn một chút so với những hiện tượng này sẽ xảy ra nếu không có bầu khí quyển.
Ống kính dùng cho máy ảnh và máy quay phim, kính hiển vi, kính thiên văn, ống nhòm và các loại khác được chế tạo trên cơ sở hiện tượng khúc xạ. dụng cụ quang học, có chứa thấu kính quang học hoặc lăng kính.
Khi ánh sáng truyền từ môi trường đậm đặc hơn sang môi trường kém đậm đặc hơn (ví dụ từ nước sang không khí), người ta có thể quan sát thấy phản xạ toàn phần của chùm sáng . Nó xảy ra khi góc tới bằng một giá trị nhất định gọi là góc giới hạn đầy phản ánh nội tâm . Trong trường hợp này, các tia tới bị phản xạ hoàn toàn khỏi mặt phân cách. Tia khúc xạ biến mất hoàn toàn.
Hiện tượng này được sử dụng trong đèn LED sợi, được làm bằng vật liệu quang học trong suốt. Chúng là những sợi rất mỏng. Ánh sáng đi vào chúng được phản xạ hoàn toàn từ các bề mặt bên trong và lan truyền trên khoảng cách xa.
Quang học hình học xem xét các tính chất của ánh sáng mà không tính đến nó lý thuyết sóng Và hiện tượng lượng tử. Tất nhiên, nó không thể mô tả chính xác các hiện tượng quang học. Nhưng vì các định luật của nó đơn giản hơn nhiều so với các định luật sóng tổng quát hóa nên nó được sử dụng rộng rãi trong tính toán các hệ thống quang học.
Một trong những đặc điểm của ánh sáng là màu sắc của nó, đối với bức xạ đơn sắc được xác định bởi bước sóng và đối với bức xạ phức tạp - bởi thành phần quang phổ của nó.
Ánh sáng có thể truyền đi ngay cả khi không có vật chất, tức là trong chân không. Trong trường hợp này, sự hiện diện của vật chất ảnh hưởng đến tốc độ truyền ánh sáng.
Mỗi đại lượng năng lượng có một đại lượng tương tự – một đại lượng trắc quang ánh sáng. Lượng ánh sáng khác với lượng năng lượng ở chỗ chúng đánh giá ánh sáng bằng khả năng gợi lên cảm giác thị giác ở con người. Các chất tương tự ánh sáng của các đại lượng năng lượng được liệt kê ở trên là năng lượng phát sáng, quang thông, cường độ sáng, độ sáng, độ sáng và độ chiếu sáng.
Có tính đến sự phụ thuộc của cảm giác thị giác vào bước sóng ánh sáng theo lượng ánh sáng dẫn đến thực tế là với cùng một giá trị, ví dụ, năng lượng được truyền bởi ánh sáng xanh lục và tím, năng lượng ánh sáng được truyền trong trường hợp đầu tiên sẽ cao hơn đáng kể. hơn trong lần thứ hai. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với thực tế là độ nhạy của mắt người với ánh sáng xanh cao hơn ánh sáng tím.
Tốc độ ánh sáng
Tốc độ ánh sáng trong chân không được xác định chính xác là 299.792.458 m/s (khoảng 300.000 km mỗi giây). Giá trị cố định của tốc độ ánh sáng trong SI là do máy đo hiện được xác định theo tốc độ ánh sáng. Tất cả các loại bức xạ điện từ được cho là truyền đi với tốc độ như nhau trong chân không.
Nhiều nhà vật lý đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng trong suốt lịch sử. Galileo đã cố gắng đo tốc độ ánh sáng vào thế kỷ XVII. Một thí nghiệm đầu tiên đo tốc độ ánh sáng được thực hiện bởi Ole Römer, một nhà vật lý người Đan Mạch, vào năm 1676. Sử dụng kính thiên văn, Roemer quan sát chuyển động của Sao Mộc và một trong các mặt trăng của nó, Io. Lưu ý đến những khác biệt trong chu kỳ biểu kiến của quỹ đạo Io, ông tính toán rằng ánh sáng mất khoảng 22 phút để đi qua đường kính quỹ đạo Trái đất. Tuy nhiên, kích thước của nó không được biết đến vào thời điểm đó. Nếu Roemer biết đường kính quỹ đạo Trái đất thì anh ta sẽ thu được giá trị tốc độ là 227.000.000 m/s.
Cái khác, nữa cách chính xác, các phép đo tốc độ ánh sáng được thực hiện ở châu Âu bởi Hippolyte Fizeau vào năm 1849. Fizeau hướng một chùm ánh sáng vào một tấm gương cách đó vài km. Một bánh răng quay được đặt trên đường đi của chùm sáng truyền từ một nguồn tới gương rồi quay trở lại nguồn của nó. Fizeau phát hiện ra rằng ở một tốc độ quay nhất định, chùm tia sẽ đi qua một khe hở trên bánh xe trên đường đi và khe hở tiếp theo trên đường quay về. Biết khoảng cách tới gương, số răng trên bánh xe và tốc độ quay, Fizeau có thể tính được tốc độ ánh sáng 313.000.000 m/s.
Leon Foucault đã sử dụng một thí nghiệm sử dụng gương quay để thu được giá trị 298.000.000 m/s vào năm 1862. Albert A. Michelson đã tiến hành thí nghiệm xác định tốc độ ánh sáng từ năm 1877 cho đến khi ông qua đời vào năm 1931. Ông đã cải tiến phương pháp của Foucault vào năm 1926 bằng cách sử dụng những gương quay cải tiến để đo thời gian ánh sáng truyền từ Núi Wilson đến Núi San Antonio ở California. Đo lường chính xác với tốc độ 299.796.000 m/s.
Tốc độ hiệu dụng của ánh sáng trong các chất trong suốt khác nhau chứa vật chất thông thường nhỏ hơn trong chân không. Ví dụ, tốc độ ánh sáng trong nước bằng khoảng 3/4 tốc độ ánh sáng trong chân không. Tuy nhiên, sự chậm lại của các quá trình trong vật chất được cho là xảy ra không phải do sự chậm lại thực sự của các hạt ánh sáng, mà do sự hấp thụ và tái phát xạ của chúng bởi các hạt tích điện trong vật chất.
Là một ví dụ điển hình về sự chậm lại của ánh sáng, hai nhóm nhà vật lý độc lập đã có thể "ngăn chặn hoàn toàn" ánh sáng bằng cách cho nó đi qua một ngưng tụ Bose-Einstein dựa trên rubidium. Tuy nhiên, từ "dừng" trong các thí nghiệm này chỉ đề cập đến ánh sáng được lưu trữ. ở trạng thái kích thích của nguyên tử, sau đó được phát xạ trở lại ở mức tùy ý hơn muộn giờ, dưới dạng bức xạ bị kích thích bởi xung laser thứ hai. Vào lúc ánh sáng “dừng lại” thì nó không còn là ánh sáng nữa.
Tính chất quang học của ánh sáng
Nghiên cứu về ánh sáng và sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất được gọi là quang học. Quan sát và nghiên cứu hiện tượng quang học chẳng hạn như cầu vồng và đèn phía bắc cho phép chúng ta làm sáng tỏ bản chất của ánh sáng.
khúc xạ
Một ví dụ về khúc xạ ánh sáng. Ống hút có vẻ cong do sự khúc xạ ánh sáng khi nó đi vào chất lỏng từ không khí.
Khúc xạ ánh sáng là sự thay đổi hướng truyền của ánh sáng (tia sáng) khi truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt khác nhau. Nó được mô tả bởi định luật Snell:
trong đó là góc giữa tia sáng và pháp tuyến với bề mặt trong môi trường thứ nhất, là góc giữa tia sáng và pháp tuyến với bề mặt trong môi trường thứ nhất môi trường thứ hai và và lần lượt là chiết suất của môi trường thứ nhất và môi trường thứ hai. Hơn nữa, đối với chân không và trong trường hợp môi trường trong suốt.
Khi một chùm ánh sáng đi qua ranh giới giữa chân không và môi trường khác hoặc giữa hai môi trường môi trường khác nhau, bước sóng của ánh sáng thay đổi nhưng tần số không đổi. Nếu chùm ánh sáng không trực giao (hay đúng hơn là bình thường) với ranh giới, thì việc thay đổi bước sóng sẽ làm cho chùm sáng thay đổi hướng. Sự thay đổi hướng này là sự khúc xạ ánh sáng.
Sự khúc xạ ánh sáng bằng thấu kính thường được sử dụng để điều khiển ánh sáng theo cách làm thay đổi kích thước nhìn thấy được hình ảnh, chẳng hạn như trong kính lúp, kính đeo mắt, kính áp tròng, kính hiển vi và kính thiên văn.
Nguồn sáng
Ánh sáng được tạo ra ở nhiều nơi quá trình vật lý, trong đó các hạt tích điện tham gia. Quan trọng nhất là bức xạ nhiệt, có phổ liên tục với mức cực đại tùy thuộc vào nhiệt độ của nguồn. Đặc biệt, bức xạ mặt trời gần bức xạ nhiệt một vật đen hoàn toàn được nung nóng đến khoảng 6000 K, với khoảng 40% bức xạ mặt trời nằm trong phạm vi khả kiến và phân bố công suất tối đa trên phổ nằm ở gần 550nm ( màu xanh lá). Các quá trình khác là nguồn sáng:
- chuyển tiếp sang vỏ điện tử nguyên tử và phân tử từ cấp độ này sang cấp độ khác (các quá trình này mang lại quang phổ vạch và bao gồm cả hai phát xạ tự phát- trong đèn phóng điện trong khí, đèn LED, v.v... - và sự phát xạ kích thích trong tia laze);
- các quá trình liên quan đến sự tăng tốc và giảm tốc của các hạt tích điện (bức xạ synchrotron, bức xạ cyclotron, bức xạ hãm);
- Bức xạ Cherenkov khi một hạt tích điện chuyển động với tốc độ vượt quá tốc độ pha của ánh sáng trong một môi trường nhất định;
- các loại phát quang khác nhau:
- phát quang hóa học (ở sinh vật sống nó được gọi là phát quang sinh học)
- sự lấp lánh
TRONG khoa học ứng dụngĐặc tính chính xác của quang phổ là quan trọng. Đặc biệt quan trọng các loại sau nguồn:
- Nguồn A
- Nguồn B
- Nguồn C
- Nguồn D 65
đèn huỳnh quang Có sẵn trong các phạm vi ánh sáng khác nhau, bao gồm:
- Đèn ánh sáng trắng (nhiệt độ màu 3500),
- Đèn ánh sáng trắng mát (nhiệt độ màu 4300 K)
Đo bức xạ và đo ánh sáng
Đối với một trong những đặc tính quan trọng nhất và được yêu cầu bởi khoa học và thực hành của ánh sáng, giống như bất kỳ đặc tính nào khác vật thể, tham khảo đặc tính năng lượng. Việc đo và nghiên cứu các đặc tính như vậy, được biểu thị bằng các đại lượng trắc quang năng lượng, là chủ đề của một nhánh của phép đo quang được gọi là “phép đo bức xạ quang học”. Do đó, phép đo phóng xạ nghiên cứu ánh sáng mà không quan tâm đến đặc tính thị giác của con người.
Mặt khác, ánh sáng có vai trò đặc biệt trong đời sống con người, cung cấp cho con người hầu hết những thông tin về thế giới xung quanh cần thiết cho cuộc sống. Điều này xảy ra do sự hiện diện của cơ quan thị giác của con người - mắt. Điều này ngụ ý sự cần thiết phải đo các đặc tính của ánh sáng để người ta có thể đánh giá khả năng kích thích cảm giác thị giác của nó. Các đặc điểm được đề cập được biểu thị bằng đại lượng trắc quang ánh sáng, các phép đo và nghiên cứu của chúng là chủ đề của các nghiên cứu trong phần khác của phép đo quang - “ đo ánh sáng» .
Lượng ánh sáng và năng lượng có liên quan với nhau bằng cách sử dụng hiệu suất quang phổ tương đối của bức xạ đơn sắc cho tầm nhìn ban ngày, nghĩa là độ nhạy quang phổ tương đối của mắt người bình thường thích nghi với tầm nhìn ban ngày. Đối với bức xạ đơn sắc có bước sóng , hệ thức nối một lượng ánh sáng tùy ý với lượng năng lượng tương ứng của nó được viết bằng SI là:
TRONG trường hợp chung, khi không có hạn chế nào được áp đặt đối với sự phân bố năng lượng bức xạ trên toàn phổ, mối quan hệ này có dạng:
Đại lượng ánh sáng thuộc loại đại lượng trắc quang giảm, các hệ thống khác cũng thuộc loại này. đại lượng trắc quang. Tuy nhiên, chỉ số lượng nhẹđược hợp pháp hóa trong khuôn khổ SI và chỉ dành cho chúng là những đơn vị đo lường đặc biệt được xác định trong SI.
Áp lực nhẹ
Ánh sáng tác dụng áp suất vật lý lên các vật trên đường đi của nó - một hiện tượng không thể suy ra từ các phương trình Maxwell, nhưng có thể dễ dàng giải thích bằng lý thuyết hạt, khi các photon va chạm với một chướng ngại vật và truyền động lượng của chúng. Áp suất của ánh sáng bằng công suất của chùm sáng chia cho c, tốc độ ánh sáng. Do có độ lớn c nên tác dụng của áp suất ánh sáng đối với các vật thường ngày là không đáng kể. Ví dụ, một con trỏ laser một miliwatt tạo ra áp suất khoảng 3,3 pN. Một vật thể được chiếu sáng theo cách này có thể được nâng lên, mặc dù đối với một đồng xu 1 xu thì việc này cần khoảng 30 tỷ 1 mW con trỏ laser. Tuy nhiên, ở quy mô nanomet, tác động của áp suất ánh sáng đáng kể hơn và việc sử dụng áp suất ánh sáng để điều khiển cơ chế và chuyển mạch nanomet trong mạch tích hợp là một lĩnh vực nghiên cứu đang được nghiên cứu tích cực.
Lịch sử các lý thuyết về ánh sáng theo thứ tự thời gian
Hy Lạp cổ đại và La Mã
Vào đầu thế kỷ 19, các thí nghiệm nhiễu xạ của Thomas Young đã cung cấp bằng chứng thuyết phục ủng hộ lý thuyết sóng. Người ta phát hiện ra rằng ánh sáng là sóng ngang và được đặc trưng bởi sự phân cực. Jung đề nghị rằng màu sắc khác nhau tương ứng với các bước sóng khác nhau. Năm 1817, Augustin Fresnel trình bày lý thuyết sóng ánh sáng của mình trong cuốn hồi ký gửi cho Viện Hàn lâm Khoa học. Sau khi lý thuyết điện từ ra đời, ánh sáng được xác định là sóng điện từ. Chiến thắng của lý thuyết sóng bị lung lay vào cuối thế kỷ 19, khi thí nghiệm Michelson-Morley chưa khám phá ra ether. Sóng cần một môi trường để chúng có thể lan truyền, nhưng các thí nghiệm được thiết kế cẩn thận vẫn chưa xác nhận được sự tồn tại của môi trường này. Điều này dẫn đến sự sáng tạo của Albert Einstein lý thuyết đặc biệt tính tương đối. Bản chất của sóng điện từ hóa ra phức tạp hơn sự lan truyền của các nhiễu loạn trong vật chất. Việc Max Planck xem xét vấn đề cân bằng nhiệt của một vật thể hoàn toàn đen với bức xạ của nó đã dẫn đến sự xuất hiện ý tưởng phát ra ánh sáng theo từng phần - lượng tử ánh sáng, được gọi là photon. Phân tích của Einstein về hiệu ứng quang điện cho thấy sự hấp thụ năng lượng ánh sáng cũng xảy ra bởi lượng tử.
Với sự phát triển cơ học lượng tửÝ tưởng về lưỡng tính sóng-hạt của Louis de Broglie được xác lập, theo đó ánh sáng phải có cả hai tính chất sóng, giải thích khả năng nhiễu xạ và giao thoa của nó, cũng như các đặc tính hạt, giải thích sự hấp thụ và phát xạ của nó.
Lý thuyết sóng và điện từ
Ánh sáng trong thuyết tương đối đặc biệt
Lý thuyết lượng tử
Lưỡng tính sóng-hạt
Điện động lực học lượng tử
Nhận biết ánh sáng bằng mắt
Nhìn thấy thế giới xung quanh chúng ta chúng ta chỉ có thể làm được vì ánh sáng tồn tại và con người có thể cảm nhận được nó. Đổi lại, nhận thức của một người về bức xạ điện từ trong phạm vi quang phổ nhìn thấy được xảy ra do thực tế là trong võng mạc của mắt người có các cơ quan thụ cảm có thể phản ứng với bức xạ này.
Võng mạc của mắt người có hai loại tế bào nhạy cảm với ánh sáng: tế bào hình que và hình nón. Gậy có độ nhạy caoánh sáng và hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu, do đó chịu trách nhiệm cho tầm nhìn ban đêm. Tuy nhiên, sự phụ thuộc quang phổ của độ nhạy là như nhau đối với tất cả các thanh, vì vậy các thanh không thể cung cấp khả năng phân biệt màu sắc. Theo đó, hình ảnh thu được với sự trợ giúp của họ chỉ có màu đen trắng.
Các tế bào hình nón có độ nhạy tương đối thấp với ánh sáng và cung cấp một cơ chế cho tầm nhìn ban ngày chỉ hoạt động khi mức độ cao chiếu sáng Đồng thời, không giống như tế bào hình que, trong võng mạc của con người không có một mà là ba loại hình nón, khác nhau ở vị trí cực đại của phân bố độ nhạy quang phổ của chúng. Kết quả là, hình nón cung cấp thông tin không chỉ về cường độ ánh sáng mà còn về thành phần quang phổ của nó. Nhờ những thông tin như vậy, một người phát triển cảm giác về màu sắc.
Thành phần quang phổ của ánh sáng xác định duy nhất màu sắc mà con người cảm nhận được. Tuy nhiên, phát biểu ngược lại không đúng: có thể thu được cùng một màu theo nhiều cách khác nhau. Trong trường hợp ánh sáng đơn sắc, tình huống được đơn giản hóa: sự tương ứng giữa bước sóng ánh sáng và màu sắc của nó trở thành một-một. Dữ liệu về sự tuân thủ như vậy được trình bày trong bảng.
Bảng tương ứng giữa tần số bức xạ điện từ và màu sắc
| Màu sắc | Phạm vi bước sóng, nm | Dải tần số, THz | Dải năng lượng photon, eV |
|---|---|---|---|
| màu tím | 380-440 | 790-680 | 2,82-3,26 |
| Màu xanh da trời | 440-485 | 680-620 | 2,56-2,82 |
| Màu xanh da trời | 485-500 | 620-600 | 2,48-2,56 |
| Màu xanh lá | 500-565 | 600-530 | 2,19-2,48 |
| Màu vàng | 565-590 | 530-510 | 2,10-2,19 |
“Và Chúa phán: “Hãy có ánh sáng!” và có ánh sáng.” Mọi người đều biết những lời này trong Kinh thánh và mọi người đều hiểu: cuộc sống không có Ngài là không thể. Nhưng bản chất ánh sáng là gì? Nó bao gồm những gì và nó có những đặc tính gì? Ánh sáng nhìn thấy được và ánh sáng vô hình là gì? Chúng tôi sẽ nói về những điều này và một số câu hỏi khác trong bài viết.
Về vai trò của ánh sáng
Hầu hết thông tin thường được một người cảm nhận qua mắt. Tất cả sự đa dạng của màu sắc và hình dạng đặc trưng thế giới vật chất, mở lòng với anh ấy. Và anh ta chỉ có thể nhận thức qua tầm nhìn những gì phản ánh một loại ánh sáng nhất định, được gọi là ánh sáng nhìn thấy được. Nguồn sáng có thể là tự nhiên, chẳng hạn như mặt trời, hoặc nhân tạo, được tạo ra bằng điện. Nhờ ánh sáng như vậy, bạn có thể làm việc, thư giãn - nói một cách dễ hiểu là có một lối sống trọn vẹn vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày.
Đương nhiên, khía cạnh quan trọng như vậy của cuộc sống chiếm trọn tâm trí của nhiều người sống ở thời đại khác nhau. Hãy xem xét ánh sáng là gì, dưới góc độ khác nhau quan điểm, nghĩa là, từ quan điểm nhiều lý thuyết khác nhau, được các học giả tôn trọng ngày nay.
Ánh sáng: định nghĩa (vật lý)
Aristotle, người hỏi câu hỏi này, coi ánh sáng hành động nhất định, lây lan trong môi trường. Một triết gia từ La Mã cổ đại, Xe Lucretius. Ông chắc chắn rằng mọi thứ tồn tại trên thế giới đều bao gồm nhiều nhất hạt mịn- nguyên tử. Và ánh sáng cũng có cấu trúc này.
Vào thế kỷ XVII, những quan điểm này đã hình thành nền tảng của hai lý thuyết:
- hạt;
- sóng.
Ngày nay người ta biết rằng mọi vật thể đều phát ra tia hồng ngoại. Nguồn sáng phát ra tia hồng ngoại, có bước sóng dài hơn nhưng yếu hơn ánh sáng đỏ.
Nhiệt là bức xạ trong phổ hồng ngoại phát ra từ các phân tử chuyển động. Tốc độ của chúng càng cao thì bức xạ càng lớn và vật thể như vậy sẽ trở nên ấm hơn.
tia cực tím
Ngay khi họ mở bức xạ hồng ngoại, Wilhelm Ritter, nhà vật lý người Đức, bắt đầu học phía đối diện quang phổ Bước sóng ở đây hóa ra còn ngắn hơn thế màu tím. Anh ấy nhận thấy clorua bạc chuyển sang màu đen sau màu tím. Và điều này xảy ra nhanh hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến. Hóa ra bức xạ như vậy xảy ra khi các electron ở lớp ngoài vỏ nguyên tử. Thủy tinh có khả năng hấp thụ tia cực tím nên thấu kính thạch anh đã được sử dụng trong nghiên cứu.
Bức xạ được hấp thụ bởi da của con người và động vật, cũng như phần trên cơ thể. mô thực vật. Liều lượng nhỏ tia cực tím có thể có tác dụng tốt cho sức khỏe, tăng cường hệ thống miễn dịch và tạo ra vitamin D. Nhưng liều lượng lớn có thể gây bỏng da và làm hỏng mắt, còn liều quá lớn thậm chí có thể gây ung thư.
Ứng dụng tia cực tím
Phần kết luận
Nếu chúng ta tính đến phổ không đáng kể của ánh sáng khả kiến, thì rõ ràng là phạm vi quang học đã được con người nghiên cứu rất kém. Một trong những lý do của cách tiếp cận này là tăng lãi suất mọi người về những gì mắt có thể nhìn thấy được.
Nhưng vì điều này nên sự hiểu biết vẫn còn thấp. Toàn bộ vũ trụ tràn ngập bức xạ điện từ. Thông thường, mọi người không những không nhìn thấy mà còn không cảm nhận được chúng. Nhưng nếu năng lượng của những quang phổ này tăng lên, chúng có thể gây bệnh và thậm chí gây tử vong.
Khi nghiên cứu quang phổ vô hình, một số, như chúng được gọi, trở nên rõ ràng hiện tượng huyền bí. Ví dụ, bóng sét. Chuyện xảy ra là chúng xuất hiện như thể không biết từ đâu rồi đột nhiên biến mất. Trên thực tế, việc chuyển đổi từ phạm vi vô hình sang phạm vi hiển thị và ngược lại được thực hiện một cách đơn giản.
Nếu bạn sử dụng các máy ảnh khác nhau khi chụp ảnh bầu trời trong cơn giông bão, đôi khi bạn có thể ghi lại quá trình chuyển đổi của các plasmoid, sự xuất hiện của chúng trong tia sét và những thay đổi xảy ra trong tia sét.
Xung quanh chúng ta là một thế giới hoàn toàn xa lạ, trông khác với những gì chúng ta thường thấy. Câu nói nổi tiếng “Cho đến khi tận mắt nhìn thấy, tôi mới tin” đã không còn phù hợp từ lâu. Đài phát thanh, truyền hình, thông tin di động và những thứ tương tự từ lâu đã chứng minh rằng nếu chúng ta không nhìn thấy thứ gì đó thì điều đó không có nghĩa là nó không tồn tại.
Ngày xửa ngày xưa, vào thời cổ đại, người ta tin rằng khả năng nhìn của chúng ta là do một số tia phát ra từ mắt và có thể nói là "cảm nhận" bề mặt của vật thể. Cho dù ngày nay khái niệm như vậy có vẻ buồn cười đến mức nào, hãy nghĩ về nó - bạn có biết ánh sáng là gì không? Nó đến từ đâu? Chúng ta nhìn nhận nó như thế nào và tại sao các mặt hàng khác nhau chúng có màu sắc khác nhau không?
Bật bóng đèn và đặt tay bạn gần nó. Bạn sẽ cảm nhận được sức nóng tỏa ra từ bóng đèn. Theo đó, ánh sáng là bức xạ. Tất cả các bức xạ đều mang năng lượng, nhưng không phải tất cả các bức xạ đều có thể được cảm nhận bằng mắt thường. Chúng ta hãy kết luận rằng ánh sáng là bức xạ nhìn thấy được.
Tính chất của ánh sáng
Thực nghiệm đã chứng minh rằng ánh sáng có bản chất điện từ, vì vậy chúng ta có thể bổ sung định nghĩa của mình như sau: Ánh sáng là bức xạ điện từ nhìn thấy được.
Ánh sáng có thể xuyên qua cơ thể trong suốt và các chất. Do đó, ánh sáng của mặt trời xuyên qua bầu khí quyển đến chúng ta, mặc dù ánh sáng bị khúc xạ. Và khi gặp những vật mờ đục, ánh sáng được phản chiếu từ chúng và chúng ta có thể cảm nhận được ánh sáng phản chiếu này bằng mắt và do đó chúng ta nhìn thấy.
Một phần ánh sáng bị các vật thể hấp thụ và nóng lên. Các vật tối sẽ nóng lên nhiều hơn các vật sáng hầu hếtánh sáng bị chúng hấp thụ và bị phản xạ ít hơn. Đó là lý do tại sao những vật thể này trông tối đối với chúng ta.
Vật màu đen hấp thụ ánh sáng nhiều nhất. Đó là lý do tại sao trong mùa hè nắng nóng bạn không nên mặc quần áo màu đen, vì bạn có thể bị say nắng. Cũng vì lý do này, vào mùa hè, các bà mẹ luôn đội mũ sáng màu cho con, ít nóng hơn nhiều so với tóc có màu tối hơn.
Nguồn sáng
Các vật thể phát ra ánh sáng được gọi là nguồn sáng. Có những điều tự nhiên và nguồn nhân tạo Sveta. Nguồn ánh sáng tự nhiên nổi tiếng nhất đối với tất cả cư dân trên hành tinh của chúng ta là Mặt trời.
Mặt trời không chỉ là nguồn ánh sáng khả kiến mà còn là nguồn nhiệt, nhờ đó có thể tồn tại sự sống trên Trái đất. Khác suối tự nhiênánh sáng là những ngôi sao, hiện tượng khí quyển chẳng hạn như tia chớp, những sinh vật sống như đom đóm, v.v.
Nhờ con người mà còn có nguồn nhân tạo. Trước đây, đối với con người, nguồn sáng chính trong bóng tối là lửa: nến, đuốc, bếp gas, v.v. Hiện nay phổ biến nhất là nguồn điện Sveta. Hơn nữa, chúng lần lượt được chia thành nhiệt (đèn sợi đốt) và huỳnh quang (đèn huỳnh quang, đèn khí).
Sự lan tỏa ánh sáng
Một tính chất khác của ánh sáng là sự lan truyền tuyến tính của nó. Ánh sáng không thể bẻ cong xung quanh chướng ngại vật, do đó, bóng sẽ hình thành phía sau một vật thể mờ đục. Bóng thường không hoàn toàn đen vì có nhiều tia sáng phản xạ và tán xạ từ các vật thể khác chiếu vào đó.
« Ánh sáng" đề cập đến những danh mục có vẻ quen thuộc, dễ hiểu và đơn giản nhất, nhưng trên thực tế lại phức tạp nhất. Nói chung, trong suốt quá trình phát triển của vật lý học, ý tưởng về ánh sáng đã nhiều lần thay đổi đáng kể.
TRONG thế giới cổ đạiý kiến về ánh sáng rất khác nhau. Trong thời đại Newton ở mức độ lớn hơn Quang học hình học và quan điểm hạt ánh sáng đã được phát triển, mặc dù các khái niệm sóng về ánh sáng cũng nảy sinh (nguyên lý Huygens). Với việc khám phá ra các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, ưu tiên chuyển sang lý thuyết sóng của ánh sáng, và trong khuôn khổ của Maxwell hóa ra ánh sáng là rung động điện từ(sóng trong trường điện từ). Tuy nhiên, trong khuôn khổ đó, chúng ta phải quay trở lại với các khái niệm hạt về ánh sáng, đồng thời khái niệm về photon - một lượng tử ánh sáng - xuất hiện. Kể từ đó, người ta tin rằng ánh sáng có bản chất kép - trong một số trường hợp, nó là sóng, trong những trường hợp khác, nó là hạt.
Vật lý hiện trường làm thay đổi đáng kể triết lý của tất cả những vấn đề này. Thứ nhất, nó tách biệt khái niệm về các hạt cơ bản (proton, electron, v.v.) và các vật thể bao gồm chúng, với khái niệm về ánh sáng, như một thành phần điện từ. Ánh sáng không phải là một thực thể vật chất, nó là quá trình dao động, có thể được đặc trưng bởi các khái niệm như tần số hoặc , nhưng không có hoặc .
Theo triết lý này, ánh sáng không tuân theo các định luật có giá trị đối với cơ thể vật chất. Đặc biệt, họ không thể tác động lên nó; quy tắc cộng cổ điển không thể áp dụng cho nó, vì ánh sáng là một bản chất có bản chất khác với các vật thể vật chất. Vì vậy, nếu bạn ném một hòn đá từ một chiếc thuyền đang chuyển động thì tổng vận tốc của nó so với bờ sẽ là tổng tốc độ ban đầu tốc độ của đá và thuyền. Nếu như hòn đá sẽ rơi xuống nước, thì tốc độ truyền của các vòng tròn trên mặt nước không phụ thuộc vào tốc độ bay của hòn đá, vì các vòng tròn trên mặt nước, giống như ánh sáng, chẳng qua là một vật thể vật chất. Tốc độ của sóng được xác định bởi tính chất của môi trường mà chúng truyền đi và không phụ thuộc vào tốc độ của nguồn tạo ra sóng đó (tốc độ của nguồn ảnh hưởng đến tần số của sóng, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler). Lời giải thích đơn giản này cho thấy rõ tại sao, không giống như tốc độ của hòn đá, nó không phụ thuộc vào nguồn gốc. Chỉ là định luật cộng vận tốc, áp dụng cho các vật thể vật chất, không áp dụng được cho ánh sáng, như một thực thể có bản chất khác.
Theo sự lệch hướng của ánh sáng, nó cũng không liên quan đến tác dụng của lực hấp dẫn lên ánh sáng, vì ánh sáng, với tư cách là một quá trình dao động, không sở hữu (hay nói đúng hơn là điện tích hấp dẫn). Hiệu ứng này xảy ra do sự gia tăng môi trường gần cơ thể to lớn và do đó, ánh sáng bị khúc xạ khi truyền qua môi trường đậm đặc hơn. Tương tự, trong vật lý trường, nhiều hiệu ứng liên quan đến ánh sáng nhận được cách hiểu và giải thích hoàn toàn khác.