GAISMA: VĒSTURE, DABA, IZTURĒŠANĀS, IZPLATĪŠANĀS - FIZISKĀ - 2025

Gaisma ir elektromagnētiskais vilnis var noteikt ar sajūtu redzesloka. Tas veido elektromagnētiskā spektra daļu: tā saukto redzamo gaismu. Gadu gaitā tās būtības skaidrošanai ir ierosinātas dažādas teorijas.

Piemēram, ilgi ticēja, ka gaismu veido daļiņu straume, ko izstaro priekšmeti vai novērotāju acis. Šai arābu un seno grieķu pārliecībai dalījās Īzaks Ņūtons (1642-1727), lai izskaidrotu gaismas parādības.

1. attēls. Debesis ir zilas, pateicoties saules gaismas izkliedēšanai atmosfērā. Avots: Pixabay.

Lai arī Ņūtonam radās aizdomas, ka gaismai piemīt viļņu īpašības, un Kristianam Higegenam (1629-1695) izdevās izskaidrot refrakciju un refleksiju ar viļņu teoriju, ticība gaismai kā daļiņai bija plaši izplatīta starp visiem zinātniekiem līdz 19. gadsimta sākumam. .

Šī gadsimta rītausmā angļu fiziķis Tomass Youngs bez šaubām parādīja, ka gaismas stari var traucēt viens otram, tāpat kā mehāniskie viļņi to dara virknēs.

Tas varēja nozīmēt tikai to, ka gaisma bija vilnis, nevis daļiņa, lai gan neviens nezināja, kāds ir viļņu veids, līdz 1873. gadā Džeimss Klerks Maksvels apgalvoja, ka gaisma ir elektromagnētisks vilnis.

Ar Heinriha Herca 1887. gada eksperimentālo rezultātu atbalstu kā zinātnisku faktu tika noteikts gaismas viļņu raksturs.

Bet 20. gadsimta sākumā parādījās jauni pierādījumi par gaismas asinsķermenīšu raksturu. Šāda būtība ir emisijas un absorbcijas parādībās, kurās gaismas enerģija tiek pārvadāta paciņās, kuras sauc par “fotoniem”.

Tā kā gaisma izplatās kā vilnis un mijiedarbojas ar matēriju kā daļiņa, tad gaismā šobrīd tiek atpazīta divējāda daba: viļņa daļiņa.

Gaismas raksturs

Ir skaidrs, ka gaismas daba ir divējāda, izplatās kā elektromagnētisks vilnis, kura enerģija nāk fotonos.

Tie, kuriem nav masas, pārvietojas vakuumā ar nemainīgu ātrumu 300 000 km / s. Tas ir zināmais gaismas ātrums vakuumā, bet gaisma var pārvietoties caur citiem līdzekļiem, kaut arī ar dažādu ātrumu.

Kad fotoni sasniedz mūsu acis, tiek aktivizēti sensori, kas nosaka gaismas klātbūtni. Informācija tiek pārsūtīta smadzenēm un tur tiek interpretēta.

Kad avots izstaro lielu daudzumu fotonu, mēs to redzam kā spilgtu avotu. Ja tas, tieši pretēji, izstaro maz, tas tiek interpretēts kā necaurspīdīgs avots. Katram fotonam ir noteikta enerģija, kuru smadzenes interpretē kā krāsu. Piemēram, zilie fotoni ir enerģētiskāki nekā sarkani fotoni.

Jebkurš avots parasti izstaro dažādu enerģiju fotonus, tātad krāsu, ar kādu tas ir redzams.

Ja nekas cits neizstaro fotonus ar viena veida enerģiju, to sauc par monohromatisko gaismu. Lāzers ir labs monohromatiskās gaismas piemērs. Visbeidzot, fotonu sadalījumu avotā sauc par spektru.

Vilni raksturo arī tas, ka tam ir noteikts viļņa garums. Kā jau teicām, gaisma pieder pie elektromagnētiskā spektra, kas aptver ārkārtīgi plašu viļņu garumu diapazonu, no radioviļņiem līdz gamma stariem. Šis attēls parāda, kā baltas gaismas stars izkliedē trīsstūrveida prizmu. Gaisma tiek sadalīta garajos (sarkanajos) un īsajos (zilajos) viļņu garumos.

Vidū ir šaurā viļņu garuma josla, ko sauc par redzamo spektru, sākot no 400 nanometriem (nm) līdz 700 nm.

2. attēls. Elektromagnētiskais spektrs, kas parāda redzamās gaismas diapazonu. Avots: Avots: Wikimedia Commons. Autors: Horsts Franks.

Gaismas izturēšanās

Aplūkotajai gaismai ir divējāda, viļņu un daļiņu uzvedība. Gaisma izplatās tāpat kā elektromagnētiskais vilnis, un kā tāda tā spēj pārvadāt enerģiju. Bet, kad gaisma mijiedarbojas ar matēriju, tā uzvedas kā daļiņu stars, ko sauc par fotoniem.

4. attēls. Elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās. Avots: Wikimedia Commons. SuperManu.

1802. gadā fiziķis Tomass Youngs (1773-1829), izmantojot dubultās spraugas eksperimentu, parādīja, ka gaismai piemīt viļņu izturēšanās.

Tādā veidā viņš spēja radīt maksimālu un minimālu traucējumus ekrānā. Šī uzvedība ir raksturīga viļņiem, un tādējādi Youngs spēja parādīt, ka gaisma ir vilnis, kā arī varēja izmērīt tā viļņa garumu.

Otrs gaismas aspekts ir daļiņa, ko attēlo enerģijas paketes, ko sauc par fotoniem, kuras vakuumā pārvietojas ar ātrumu c = 3 x 10 ⁸ m / s un kurām nav svara. Bet viņiem ir E enerģija:

Un arī lieluma impulss:

Kur h ir Planka konstante, kuras vērtība ir 6,63 x 10 ^-34 Joule sekundes un f ir viļņa frekvence. Apvienojot šos izteicienus:

Un tā kā viļņa garums λ un frekvence ir saistīti ar c = λ.f, tas paliek:

Huygens princips

5. attēls. Viļņa priekšējie un gaismas stari, kas izplatās taisnā līnijā. Avots: Serway. R. Fizika zinātnei un inženierijai.

Pētot gaismas izturēšanos, jāņem vērā divi svarīgi principi: Huigena princips un Fermats princips. Hjūgena princips nosaka, ka:

Kāpēc sfēriski viļņi? Ja mēs pieņemam, ka vide ir viendabīga, punktveida avota izstarotā gaisma izplatīsies visos virzienos vienādi. Mēs varam iedomāties, ka gaisma izplatās lielas sfēras vidū ar vienmērīgi izkliedētiem stariem. Kas novēro šo gaismu, uztver, ka tā virzās taisnā virzienā uz viņa aci un pārvietojas perpendikulāri viļņa frontei.

Ja gaismas stari nāk no ļoti tālu avota, piemēram, Saules, viļņa priekšpuse ir plakana un stari ir paralēli. Par to ir domāta ģeometriskās optikas pieeja.

Fermāta princips

Fermāta princips nosaka, ka:

Šis princips ir parādā savu vārdu franču matemātiķim Pjēram de Fermatam (1601-1665), kurš to pirmo reizi nodibināja 1662. gadā.

Saskaņā ar šo principu viendabīgā vidē gaisma izplatās ar nemainīgu ātrumu, tāpēc tai ir vienmērīga taisnīga kustība, un tās trajektorija ir taisna.

Gaismas izplatīšanās

Gaisma pārvietojas kā elektromagnētisks vilnis. Gan elektriskais lauks, gan magnētiskais lauks ģenerē viens otru, veidojot savienotus viļņus, kas atrodas fāzē un ir perpendikulāri viens otram un izplatīšanās virzienam.

Kopumā kosmosā izplatīto viļņu var raksturot kā viļņa fronti. Tas ir punktu kopums, kam ir vienāda amplitūda un fāze. Zinot viļņu frontes atrašanās vietu dotajā momentā, pēc Huigena principa var uzzināt jebkuru nākamo atrašanās vietu.

Difrakcija

Ar sešstūrainu spraugu izkliedēts lāzers. Lienzocian

Gaismas izturēšanos pret viļņiem skaidri parāda divas svarīgas parādības, kas rodas tās izplatīšanās laikā: difrakcija un traucējumi. Difrakcijā viļņi, neatkarīgi no tā, vai tie ir ūdens, skaņas vai gaismas, tiek izkropļoti, kad tie iet caur atverēm, iet ap šķēršļiem vai iet ap stūriem.

Ja diafragmas atvērums ir liels salīdzinājumā ar viļņa garumu, kropļojumi nav ļoti lieli, bet, ja atvērums ir mazs, viļņu formas izmaiņas ir pamanāmākas. Difrakcija ir ekskluzīvs viļņu īpašums, tāpēc, kad gaismai ir difrakcija, mēs zinām, ka tai ir viļņu izturēšanās.

Traucējumi un polarizācija

Savukārt gaismas iejaukšanās rodas, kad pārklājas elektromagnētiskie viļņi, kas tos veido. To darot, tos pievieno vektoriāli, un tas var izraisīt divu veidu traucējumus:

–Konstruktīva, ja iegūtā viļņa intensitāte ir lielāka par sastāvdaļu intensitāti.

–Iznīcina, ja intensitāte ir mazāka nekā komponentiem.

Gaismas viļņu traucējumi rodas, ja viļņi ir monohromatiski un visu laiku uztur vienādu fāžu starpību. To sauc par konsekvenci. Šāda gaisma, piemēram, var nākt no lāzera. Bieži sastopamie avoti, piemēram, kvēlspuldzes, nerada koherentu gaismu, jo miljoniem atomu izstarotā gaisma kvēldietā pastāvīgi mainās.

Bet, ja uz vienas un tās pašas spuldzes ir novietots necaurspīdīgs ēnojums ar divām mazām atverēm, kas atrodas tuvu viena otrai, gaisma, kas iznāk no katras spraugas, darbojas kā saskaņots avots.

Visbeidzot, kad elektromagnētiskā lauka svārstības ir vienā virzienā, notiek polarizācija. Dabiskais apgaismojums nav polarizēts, jo to veido daudzi komponenti, kas katrs svārstās citā virzienā.

Jaunieša eksperiments

19. gadsimta sākumā angļu fiziķis Tomass Youngs bija pirmais, kurš ieguva koherentu gaismu ar parastu gaismas avotu.

Savā slavenajā dubultās spraugas eksperimentā viņš caurspīdīgi caurspīdīgā ekrānā izlaida gaismu. Saskaņā ar Huygens principu tiek ģenerēti divi sekundārie avoti, kas savukārt iziet cauri otrajam necaurspīdīgajam ekrānam ar divām spraugām.

6. attēls. Younga dubultās spraugas eksperimenta animācija. Avots: Wikimedia Commons.

Šādi iegūtā gaisma apgaismoja sienu tumšā telpā. Tas, kas bija redzams, bija raksts, kas sastāvēja no mainīgiem gaismas un tumšiem laukumiem. Šī modeļa esamība ir izskaidrojama ar iepriekš aprakstīto traucējumu parādību.

Younga eksperiments bija ļoti svarīgs, jo tas atklāja gaismas viļņa raksturu. Pēc tam eksperiments tika veikts ar pamata daļiņām, piemēram, elektroniem, neitroniem un protoniem, ar līdzīgiem rezultātiem.

Gaismas parādības

Pārdomas

Gaismas atspoguļojums ūdenī

Kad gaismas stars nokļūst virsmā, daļu gaismas var atstarot, bet daļu absorbēt. Ja tas ir caurspīdīgs nesējs, daļa gaismas turpina savu ceļu caur to.

Arī virsma var būt gluda, piemēram, spogulis, vai raupja un nevienmērīga. Atstarojumu, kas notiek uz gludas virsmas, sauc par spekulāru atstarojumu, pretējā gadījumā tas ir izkliedēts vai neregulārs atstarojums. Ļoti slīpēta virsma, piemēram, spogulis, var atspoguļot līdz 95% no krītošās gaismas.

Specular refleksija

Attēlā parādīts gaismas stars, kas pārvietojas vidē, kas var būt gaiss. Tas nokrīt leņķī θ ₁ uz plaknes plankumainas virsmas un tiek atspoguļots leņķī θ ₂ . Līnija, kas apzīmēta kā normāla, ir perpendikulāra virsmai.

Sastopamības leņķis ir vienāds ar atstarošanas leņķi. Avots: Serway. R. Fizika zinātnei un inženierijai.

Gan krītošais, gan atstarotais stars, gan normāli pret spoguļvirsmu atrodas vienā plaknē. Senie grieķi jau bija novērojuši, ka slīpuma leņķis ir vienāds ar atstarošanas leņķi:

Šī matemātiskā izteiksme ir gaismas atstarošanas likums. Tomēr arī citi viļņi, piemēram, skaņa, spēj atspoguļot.

Lielākā daļa virsmu ir raupja, un tāpēc gaismas atstarošana ir izkliedēta. Tādā veidā to atspoguļotā gaisma tiek nosūtīta uz visiem virzieniem, tāpēc objektus var redzēt no jebkuras vietas.

Tā kā daži viļņu garumi tiek atspoguļoti vairāk nekā citi, objektiem ir dažādas krāsas.

Piemēram, koku lapas atspoguļo gaismu, kas ir aptuveni redzamā spektra vidū un atbilst zaļai krāsai. Pārējie redzamie viļņu garumi tiek absorbēti: sākot ar ultravioleto starojumu, kas ir tuvu zilai (350–450 nm) un sarkanai gaismai (650–700 nm).

Refrakcija

Refrakcijas parādība. Josell7

Gaismas refrakcija notiek tāpēc, ka gaisma pārvietojas ar dažādu ātrumu atkarībā no barotnes. Vakuumā gaismas ātrums ir c = 3 x 10 ⁸ m / s, bet, kad gaisma sasniedz materiālo barotni, rodas absorbcijas un emisijas procesi, kuru dēļ enerģija samazinās, un līdz ar to arī ātrums.

Piemēram, pārvietojoties gaisā, gaisma pārvietojas ar gandrīz vienādu ātrumu ar c, bet ūdenī gaisma pārvietojas ar trim ceturtdaļām c, bet stiklā - apmēram ar divām trešdaļām c.

Refrakcijas indekss

Refrakcijas koeficientu apzīmē ar n un nosaka kā koeficientu starp gaismas ātrumu vakuumā c un tā ātrumu minētajā vidē v:

Refrakcijas koeficients vienmēr ir lielāks par 1, jo vakuuma gaismas ātrums vienmēr ir lielāks nekā materiāla vidē. Dažas tipiskas n vērtības ir:

-Air: 1.0003

-Ūdens: 1,33

-Stikls: 1,5

-Dimants: 2,42

Snella likums

Kad gaismas stars stingri šķērso robežu starp diviem nesējiem, piemēram, gaisu un stiklu, daļa gaismas tiek atstarota, bet otra daļa turpina ceļu stikla iekšpusē.

Šajā gadījumā viļņa garums un ātrums mainās, pārejot no vienas vides uz otru, bet nevis frekvence. Tā kā v = c / n = λ.f un arī vakuumā c = λo. f, tad mums ir:

Tas ir, viļņa garums dotajā vidē vienmēr ir mazāks par viļņa garumu vakuumā λo.

8. attēls. Snella likums. Avots: Kreisais attēls: gaismas refrakcijas diagramma. Rekss, A. Fizikas pamati. Labais attēls: Wikimedia Commons. Josell7.

Apskatiet trīsstūrus, kuriem ir kopīga hipotenūza sarkanā krāsā. Katrā barotnē hipotenūza mēra attiecīgi λ ₁ / sin θ ₁ un λ ₂ / sin θ ₂ , jo λ un v ir proporcionāli, tāpēc:

Kopš λ = λ _o / n mums ir:

To var izteikt šādi:

Šī ir Snellas likuma formula par godu holandiešu matemātiķim Vilebrordam Snellam (1580-1626), kurš to eksperimentāli ieguva, novērojot gaismu, kas iet no gaisa uz ūdeni un stiklu.

Kā alternatīvu Snella likums tiek uzrakstīts attiecībā uz gaismas ātrumu katrā barotnē, izmantojot refrakcijas koeficienta definīciju: n = c / v:

Izkliede

Kā paskaidrots iepriekš, gaismu veido fotoni ar dažādām enerģijām, un katra enerģija tiek uztverta kā krāsa. Baltā gaisma satur visu enerģiju fotonus, tāpēc to var sadalīt dažādu krāsu gaismās. Tā ir gaismas izkliede, kuru Ņūtons jau bija izpētījis.

Ūdens pilieni atmosfērā uzvedas kā mazas prizmas. Avots: Pixabay.

Ņūtons paņēma optisko prizmu, izlaida caur to baltas gaismas staru un ieguva krāsainas svītras, sākot no sarkanas līdz violetai. Šī mala ir redzamās gaismas spektrs, kas redzams 2. attēlā.

Gaismas izkliedēšana ir dabiska parādība, kuras skaistumu mēs apbrīnojam debesīs, kad veidojas varavīksne. Saules gaisma nokrīt uz atmosfērā esošām ūdens pilieniņām, kas darbojas kā sīkas Ņūtonam līdzīgas prizmas, tādējādi izkliedējot gaismu.

Zilā krāsa, ar kuru mēs redzam debesis, ir arī izkliedes sekas. Bagāta ar slāpekli un skābekli, atmosfēra galvenokārt izkliedē zilas un violetas nokrāsas, bet cilvēka acs ir jutīgāka pret zilu, un tāpēc mēs redzam šīs krāsas debesis.

Kad saule ir zemāk pie horizonta, saullēkta vai saulrieta laikā debesis kļūst oranžas, pateicoties tam, ka gaismas stariem jāiet cauri biezākam atmosfēras slānim. Zemāku frekvenču sarkanīgi toņi mazāk mijiedarbojas ar atmosfēras elementiem un izmanto iespēju tieši sasniegt virsmu.

Atmosfērās, kurās ir daudz putekļu un piesārņojuma, piemēram, dažās lielajās pilsētās, zema frekvences izkliedes dēļ ir pelēcīgas debesis.

Teorijas par gaismu

Gaisma galvenokārt tiek uzskatīta par daļiņu vai kā vilni. Korpuskulārā teorija, kuru Ņūtons aizstāvēja, gaismu uzskatīja par daļiņu staru. Tā kā refleksiju un refrakciju varētu pienācīgi izskaidrot, pieņemot, ka gaisma ir vilnis, kā apgalvoja Hjūgens.

Bet ilgi pirms šiem ievērojamajiem zinātniekiem cilvēki jau bija prātojuši par gaismas raksturu. Starp tiem nevarēja nebūt grieķu filozofa Aristoteļa. Šeit ir īss gaismas teoriju kopsavilkums laika gaitā:

Aristotelian teorija

Pirms 2500 gadiem Aristotelis apgalvoja, ka gaisma izplūst no novērotāja acīm, izgaismo objektus un kaut kādā veidā atgriežas kopā ar attēlu, lai cilvēks to varētu novērtēt.

Ņūtona asinsvadu teorija

Ņūtons uzskatīja, ka gaismu veido sīkas daļiņas, kas izplatās taisnā virzienā visos virzienos. Sasniedzot acis, viņi reģistrē sajūtu kā gaismu.

Huigena viļņu teorija

Hjūgens publicēja darbu ar nosaukumu Traktāts par gaismu, kurā viņš ierosināja, ka tas ir vidēja līmeņa traucējums, kas līdzīgs skaņas viļņiem.

Maksvela elektromagnētiskā teorija

Kaut arī divkāršās spraugas eksperiments neatstāja nekādas šaubas par gaismas viļņu raksturu, lielā mērā deviņpadsmitajā gadsimtā tika spekulētas par viļņu veidu, kāds tas bija, līdz Maksvels savā elektromagnētiskajā teorijā apgalvoja, ka gaisma sastāv no elektromagnētiskā lauka izplatīšanās.

Gaisma kā elektromagnētiskais vilnis izskaidro gaismas izplatīšanās parādības, kā aprakstīts iepriekšējās sadaļās, un ir pašreizējās fizikas pieņemtais jēdziens, tāpat kā gaismas korpuskulārais raksturs.

Einšteina asinsvadu teorija

Saskaņā ar mūsdienu gaismas koncepciju tas sastāv no bez masas un neuzlādētām daļiņām, kuras sauc par fotoniem. Neskatoties uz to, ka viņiem nav masas, viņiem ir impulss un enerģija, kā paskaidrots iepriekš. Šī teorija veiksmīgi izskaidro gaismas mijiedarbības veidu ar matēriju, apmainoties ar enerģiju diskrētos (kvantētos) daudzumos.

Gaismas kvantu esamību ierosināja Alberts Einšteins, lai izskaidrotu fotoelektrisko efektu, ko Heinrihs Hercs atklāja dažus gadus agrāk. Fotoelektrisko efektu veido elektronu izstarošana no vielas, kurai ir pakļauts kāda veida elektromagnētiskais starojums, gandrīz vienmēr diapazonā no ultravioletā līdz redzamajai gaismai.

Atsauces

1. Figueroa, D. (2005). Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. Sējums 7. Viļņi un kvantu fizika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
2. Fiziskā. Gaismas teorijas. Atgūts no: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6. Eds Prentice Hall.
4. Viļņa kustība. Fermāta princips. Atgūts no: sc.ehu.es.
5. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons.
6. Romero, O. 2009. Fizika. Santillana hiperteksts.
7. Serway, R. 2019. Fizika zinātnei un inženierijai. 10. Izdevums. 2. sējums. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Ievads fizikālajās zinātnēs. Divpadsmitais izdevums. Brooks / Kols, Cengage izdevumi.
9. Wikipedia. Gaisma. Atgūts no: es.wikipedia.org.