Lichtgeschichte, Natur, Verhalten, Ausbreitung

Der Licht Es ist eine elektromagnetische Welle, die durch das Sehsinn erfasst werden kann. Sie bildet einen Teil des elektromagnetischen Spektrums: das, das als sichtbares Licht bekannt ist. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Theorien vorgeschlagen, um ihre Natur zu erklären.

Zum Beispiel wurde der Glaube, dass das Licht aus einem von den Objekten oder von den Augen der Beobachtern emittierten Teilchenstrom bestand. Dieser Glaube der Araber und der alten Griechen wurde von Isaac Newton (1642-1727) geteilt, um die Phänomene des Lichts zu erklären.

Abbildung 1. Der Himmel ist blau dank der Dispersion des Sonnenlichts in der Atmosphäre. Quelle: Pixabay.

Obwohl Newton vermutete, dass Licht wellige Eigenschaften hatte und Christian Huygens (1629-1695) verwaltete.

Zu Beginn dieses Jahrhunderts zeigte der englische Physiker Thomas Young ohne Zweifel, dass Lichtstrahlen sich gegenseitig stören können, wie es die mechanischen Wellen auf den Saiten tun.

Das konnte nur bedeuten, dass das Licht eine Welle und kein Teilchen war, obwohl niemand wusste, was für eine Welle war, bis 1873 sagte James Clerk Maxwell, das Licht sei eine elektromagnetische Welle.

Mit der Unterstützung der experimentellen Ergebnisse von Heinrich Hertz im Jahr 1887 wurde die wellige Natur des Lichts als wissenschaftliche Tatsache etabliert.

Aber zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstanden neue Beweise für die korpuskuläre Natur des Lichts. Diese Natur ist in Emissions- und Absorptionsphänomenen vorhanden, bei denen Lichtenergie in Paketen transportiert wird, die als "Photonen" bezeichnet werden, transportiert wird.

Da sich das Licht als Welle ausbreitet und sowohl mit Materie als auch mit Partikeln interagiert, wird derzeit eine doppelte Natur im Licht erkannt: Wellenpartikel.

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Natur des Lichts

Es ist klar, dass die Natur des Lichts doppelt ist und sich als elektromagnetische Welle ausbreitet, deren Energie in Photonen kommt.

Diese, die keine Masse haben, bewegen sich in einem Vakuum mit einer konstanten Geschwindigkeit von 300.000 km/s. Es ist die gut bekannte Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum, aber Licht kann durch andere Medien fliegen, obwohl sie unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.

Wenn Photonen unsere Augen erreichen, werden Sensoren aktiviert, die das Vorhandensein von Licht erkennen. Die Informationen werden an das Gehirn übertragen und dort interpretiert.

Wenn eine Quelle eine große Anzahl von Photonen emittiert, sehen wir sie als brillante Quelle an. Wenn es im Gegenteil nur wenige abgibt, wird es als undurchsichtige Quelle interpretiert. Jedes Photon hat eine gewisse Energie, dass das Gehirn als Farbe interpretiert. Zum Beispiel sind blaue Photonen energischer als rote Photonen.

Jede Quelle gibt normalerweise Photonen verschiedener Energien aus, von dort kommt die Farbe, mit der sie gesehen wird.

Wenn nichts anderes Photonen mit einer einzigen Energieart emittiert, heißt es, es heißt es Monochromatisches Licht. Laser ist ein gutes Beispiel für monochromatisches Licht. Schließlich wird die Verteilung von Photonen in einer Quelle genannt Spektrum.

Eine Welle ist auch durch eine bestimmte Bewertung gekennzeichnet Wellenlänge. Wie wir gesagt haben, gehört das Licht zum elektromagnetischen Spektrum, das einen extrem weiten Wellenlängenbereich abdeckt, von Funkwellen bis zu Gammastrahlen. Das folgende Bild zeigt einen weißen Lichtstrahl, ein dreieckiges Prisma. Das Licht ist in lang (rot) und kurzen Wellenlängen (blau) getrennt.

Dort in der Mitte befindet sich der schmale Streifen der Wellenlängen, die mit dem Namen sichtbarer Spektrum bekannt sind, der von 400 Nanometern (NM) bis 700 nm verläuft.

Figur 2. Das elektromagnetische Spektrum, das den sichtbaren Lichtbereich zeigt. Quelle: Quelle: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Lichtverhalten

Das Licht hat ein duales, Wellen- und Partikelverhalten, wie untersucht. Das Licht breitet sich genauso aus wie eine elektromagnetische Welle, und als solche kann es Energie transportieren. Aber wenn das Licht mit der Materie interagiert, verhält es sich so, als ob es ein Partikelstrahl genannt wurde.

Figur 4. Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle. Quelle: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0/]].

Im Jahr 1802 zeigte der Physiker Thomas Young (1773-1829), dass Licht ein Verhalten hatte wellenförmig Durch das Doppelschlitzexperiment.

Auf diese Weise konnte er maximale und minimale Störungen auf einem Bildschirm erzeugen. Dieses Verhalten ist typisch für Wellen und so könnte Young zeigen, dass Licht eine Welle war und auch seine Wellenlänge messen konnte.

Der andere Aspekt des Lichts ist der von Partikel, dargestellt durch Energiepakete genannt Photonen, die sich in einem Vakuum mit Geschwindigkeit C = 3 x 10 bewegen⁸ m/s und keine Masse haben. Aber sie haben Energie UND:

E = hf

Und auch Menge an Größenbewegung:

Kann Ihnen dienen: Flussnummer: Wie es berechnet wird und Beispiele

 P = e/c

Wo H Es ist Plancks Konstante, dessen Wert 6 beträgt.63 x 10^{-3. 4} Joule.Zweitens und F ist die Frequenz der Welle. Kombinieren dieser Ausdrücke:

P = Hf/c

Und seit der Wellenlänge λ und die Häufigkeit werden durch verbunden von C = λ.F, bleibt übrig:

P = h/λ → λ = h/p

Huygens -Prinzip

Abbildung 5. Wellen- und Lichtstrahlen, die sich in einer geraden Linie ausbreiten. Quelle: Serway. R. Physik für Wissenschaft und Ingenieurwesen.

Bei der Untersuchung des Lichtverhaltens sind zwei wichtige Prinzipien zu berücksichtigen: das Huygens -Prinzip und das Fermat -Prinzip. Das Huygens -Prinzip besagt, dass:

Jeder Punkt in der Wellenfront verhält sich als spezifische Quelle, die wiederum sekundäre kugelförmige Wellen erzeugt.

Warum sphärische Wellen? Wenn wir davon ausgehen, dass das Medium homogen ist, verbreitet sich das Licht, das eine bestimmte Quelle emittiert. Wir können uns vorstellen, dass sich das Licht in der Mitte einer großen Kugel ausbreitet, wobei die Strahlen gleichmäßig verteilt sind. Wer dieses Licht beobachtet, nimmt wahr, dass es in einer geraden Linie zu seinem Auge reist und sich senkrecht zur Wellenfront bewegt.

Wenn die Lichtstrahlen aus einer sehr entfernten Quelle stammen, zum Beispiel die Sonne, ist die Wellenfront flach und die Strahlen parallel sind. Dies ist der Ansatz der Geometrische Optik.

Fermat -Prinzip

Fermats Prinzip besagt, dass:

Ein Blitzlicht, das zwischen zwei Punkten wandert.

Dieses Prinzip verdankt seinen Namen dem französischen Mathematiker Pierre de Fermat (1601-1665), der es 1662 zum ersten Mal festgelegt hat.

Nach diesem Prinzip hat das Licht in einem homogenen Medium mit konstanter Geschwindigkeit eine gleichmäßige geradlinige Bewegung und seine Flugbahn ist eine gerade Linie.

Ausbreitung des Lichts

Licht breitet sich wie eine elektromagnetische Welle aus. Sowohl das elektrische Feld als auch das Magnetfeld werden zueinander erzeugt, wobei gekoppelte Wellen in Phase bestehen und senkrecht zueinander und die Ausbreitungsrichtung sind.

Im Allgemeinen kann eine Welle, die sich im Weltraum ausbreitet Wellenfront. Dies ist der Satz von Punkten, die die gleiche Amplitude und Phase haben. Wenn Sie den Standort der Wellenfront zu einem bestimmten Zeitpunkt kennen, können Sie nach dem Prinzip von Huygens jeden nachfolgenden Ort kennen.

Beugung

Laser, der von einem sechseckigen Schlitz gebeugt wird. Lienzozier [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/4.0)]]

Das undulatorische Verhalten von Licht zeigt sich deutlich in zwei wichtigen Phänomenen, die während seiner Ausbreitung auftreten: Beugung und Interferenz. Im Beugung, Wellen, ob aus Wasser, Schall oder Licht, werden verzerrt, wenn sie durch Öffnungen gehen, Hindernisse umgeben oder Ecken retten.

Wenn die Öffnung im Vergleich zur Wellenlänge groß ist, ist die Verzerrung nicht sehr groß, aber wenn die Öffnung gering ist, ist die Änderung der Wellenform angenehmerer. Die Beugung ist eine exklusive Eigenschaft von Wellen. Wenn das Licht also Beugung aufweist, wissen wir, dass es ein undulatorisches Verhalten hat.

Interferenz und Polarisation

Für seinen Teil Interferenz Licht tritt auf, wenn sich elektromagnetische Wellen überlappen, die sie bestehen. Auf diese Weise schließen sie sich Vectorly an und dies könnte zu zwei Arten von Störungen führen:

-Konstruktiv, wenn die Intensität der resultierenden Welle größer ist als die Intensität der Komponenten.

-Destruktiv, wenn die Intensität geringer ist als die der Komponenten.

Leuchtwellenstörungen treten auf, wenn Wellen monochromatisch sind und die gleiche Phasendifferenz ständig aufrechterhalten. Das nennt man Kohärenz. Ein Licht wie dieses kann zum Beispiel von einem Laser kommen. Die üblichen Quellen wie den Glühbirnen erzeugen kein kohärentes Licht, da das von den Millionen von Atomen des Filaments emittierte Licht die Phase ständig verändert.

Wenn jedoch ein undurchsichtiger Bildschirm mit zwei kleinen und engen Öffnungen miteinander geöffnet ist, wird das Licht, das aus jedem Schlitz herauskommt.

Schließlich, wenn die Schwingungen des elektromagnetischen Feldes alle in der gleichen Richtung sind, die Polarisation. Natürliches Licht wird nicht polarisiert, da es von vielen Komponenten gebildet wird und jeder in eine andere Richtung schwankt.

Junges Experiment

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war der englische Physiker Thomas Young der erste, der Licht in Übereinstimmung mit einer gewöhnlichen Lichtquelle erhielt.

In seinem berühmten doppelten Experiment gab er Licht durch einen Schlitz, der auf einem undurchsichtigen Bildschirm geübt wurde. Nach Huygens -Prinzip werden zwei sekundäre Quellen erzeugt, die wiederum einen zweiten undurchsichtigen Bildschirm mit zwei Slits durchlaufen haben.

Kann Ihnen dienen: Absorbierte Wärme: Formeln, wie man sie berechnet und Übungen gelöstAbbildung 6. Young's Young Experiment Animation. Quelle: Wikimedia Commons.

Das so erhaltene Licht beleuchtete eine Wand in einem dunklen Raum. Was gesehen wurde, war ein Muster, das aus alternativen und dunklen Bereichen bestand. Die Existenz dieses Musters wird durch das oben beschriebene Phänomen der Interferenz erklärt.

Youngs Experiment war sehr wichtig, weil es die wellige Natur des Lichts zeigte. Anschließend wurde das Experiment mit grundlegenden Partikeln wie Elektronen, Neutronen und Protonen mit ähnlichen Ergebnissen durchgeführt.

Lichtphänomene

Betrachtung

Reflexion von Licht in Wasser

Wenn ein Lichtstrahl eine Oberfläche beeinflusst, kann ein Teil des Lichts reflektiert werden und ein weiterer Absorption. Wenn es sich um ein transparentes Medium handelt, setzt ein Teil des Lichts seinen Weg durch ihn fort.

Auch die Oberfläche kann glatt sein, wie ein Spiegel oder rau und unregelmäßig. Auf die Reflexion, die auf einer glatten Oberfläche auftritt Spiegelreflexion, sonst ist es diffuse Reflexion oder unregelmäßige Reflexion. Eine sehr polierte Oberfläche wie ein Spiegel kann bis zu 95% des einfallenden Lichts reflektieren.

Spiegelreflexion

Die Abbildung zeigt einen Lichtstrahl, der in einem Medium fährt, was die Luft sein kann. Mit Winkel θ inquen₁ Auf einer flachen Spiegelfläche und wird mit Winkel θ reflektiert₂. Die als normal bezeichnete Linie ist senkrecht zur Oberfläche.

Der Inzidenzwinkel entspricht dem Reflexionswinkel. Quelle: Serway. R. Physik für Wissenschaft und Ingenieurwesen.

Sowohl einfallende Strahlen als auch reflektiert und normal zur Spiegeloberfläche sind in derselben Ebene. Die alten Griechen hatten bereits beobachtet, dass der Inzidenzwinkel dem Reflexionswinkel entspricht:

θ₁ = θ₂

Dieser mathematische Ausdruck ist das Licht des Lichtreflexionsgesetzes. Andere Wellen wie Sound beispielsweise können auch Reflexion erleben.

Die meisten Oberflächen sind rau, und daher ist die Reflexion von Licht diffus. Auf diese Weise wird das Licht, das sie reflektieren, in alle Richtungen gesendet, sodass Objekte von überall von zu sehen sind.

Da einige Wellenlängen mehr als andere reflektiert werden, haben Objekte unterschiedliche Farben.

Zum Beispiel reflektieren die Blätter der Bäume das Licht, das ungefähr in der Mitte des sichtbaren Spektrums liegt, was der grünen Farbe entspricht. Der Rest der sichtbaren Wellenlängen wird absorbiert: aus dem Ultraviolett in der Nähe des Blaues (350-450 nm) und des roten Lichts (650-700 nm).

Brechung

Brechungsphänomen. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/4.0)]]

Die Brechung des Lichts tritt auf, weil Licht nach dem Medium zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten wandert. In einem Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit C = 3 x 10⁸ m/s, aber wenn das Licht ein materielles Medium erreicht.

Zum Beispiel bewegt sich das Licht schnell wie C, aber im Wasser bewegt sich das Licht um drei Viertel C, Während im Glas macht es ungefähr zwei Drittel von C.

Brechungsindex

Der Brechungsindex ist bezeichnet N Und es ist definiert als der Quotient zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum C und seine Geschwindigkeit in diesem Medium v:

N = c/v

Der Brechungsindex ist immer größer als 1, da die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum immer größer ist als in einem materiellen Medium. Einige typische N -Werte sind:

-Luft: 1.0003

-Wasser: 1.33

-Glas: 1.5

-Diamant: 2.42

Snell -Gesetz

Wenn ein Lichtstrahl in der Grenze zwischen zwei Medien schräg beeinflusst, wie zum Beispiel Luft und Glas, wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein anderer Teil folgt seinem Weg im Glas.

In diesem Fall erleben die Wellenlänge und Geschwindigkeit eine Variation, wenn sie sich von einem Medium zu einem anderen bewegen, aber die Frequenz. Seit v = c/n = λ.F  Und auch im Vakuum C = λo. F, Dann hast du:

(λ_entweder.f /n) = λ.f → λ = λ_entweder/N

Das heißt, die Wellenlänge in einem bestimmten Medium ist immer geringer als die Wellenlänge in einem Vakuum λo.

Abbildung 8. Snell -Gesetz. Quelle: Links Abbildung: Lichtrefraktionsschema. Rex, a. Grundlagen der Physik. Rechte Abbildung: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/4.0)]].

Beachten Sie die Dreiecke, die eine häufige Hypotenuse in rotem Farben haben. In jedem Medium misst die Hypotenuse λ₁/sin θ₁ und λ₂/sin θ₂ In Anbetracht der Tatsache, dass λ und v proportional sind, daher:

Kann Ihnen dienen: optische Eigenschaften von Materialien

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Als λ = λ_entweder/N Sie müssen:

(λ_entweder/N₁) /Sen θ₁ = (λ_entweder/N₂) /Sen θ₂

Das kann ausgedrückt werden als:

N_{1 .} Sünde θ₁ = n₂ .Sünde θ₂

Dies ist die Formel des Gesetzes von Snell zu Ehren der niederländischen Mathematik.

Alternativ wird das Snell -Gesetz in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit in jeder Umgebung unter Verwendung der Definition des Brechungsindex geschrieben: N = c/v:

(LEBENSLAUF₁) . Sünde θ₁ = (LEBENSLAUF₂) .Sünde θ₂

v_{2 .} Sünde θ₁ = v₁ .Sünde θ₂

Dispersion

Wie oben erläutert, besteht das Licht aus Photonen mit unterschiedlichen Energien, und jede Energie wird als Farbe wahrgenommen. Weißes Licht enthält Photonen aller Energien und kann daher in Lichter verschiedener Farben unterteilt werden. Dies besteht aus der Lichtverteilung, die bereits von Newton untersucht worden war.

Wassertropfen in der Atmosphäre verhalten sich wie kleine Prismen. Quelle: Pixabay.

Newton nahm ein optisches Prisma, Ray einen weißen Lichtstrahl durch ihn und erhielt Farbstreifen, die von rot nach Violet gingen. Dieser Streifen ist das Spektrum des in Abbildung 2 zu sehenen sichtbaren Lichts.

Die Dispersion des Lichts ist ein natürliches Phänomen, dessen Schönheit wir am Himmel bewundern, wenn der Regenbogen gebildet wird. Sonnenlicht beeinflusst Wassertropfen in der Atmosphäre, die als winzige Prismen dient, die Newtons entspricht, und verteilt das Licht.

Die blaue Farbe, mit der wir den Himmel sehen, ist auch eine Folge der Dispersion. Die Atmosphäre ist reich an Stickstoff und Sauerstoff, haupt.

Wenn die Sonne am Horizont tiefer ist, während Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang, ist der Himmel dank der Lichtstrahlen aus orangefarbenen Tönen gefärbt. Die rötlichen Töne mit niedrigerer Frequenz interagieren weniger mit den Elementen der Atmosphäre und nutzen die Gelegenheit, um die Oberfläche zu erreichen.

In Staub und Umweltverschmutzung, wie beispielsweise in einigen großen Städten, sehen sich der graue Himmel aufgrund der Dispersion von niedrigen Frequenzen vorhandene Atmosphären vorhanden.

Leichte Theorien

Licht wurde grundlegend als Partikel oder als Welle angesehen. Die korpuskuläre Theorie, die Newton verteidigte, betrachtete Licht als einen Partikelstrahl. Während Reflexion und Brechung ordnungsgemäß erklärt werden konnten, sei das Licht eine Welle, wie Huygens sagte.

Aber lange vor diesen bemerkenswerten Wissenschaftlern hatten die Menschen bereits über die Art des Lichts spekuliert. Unter ihnen konnte der griechische Philosoph Aristoteles nicht verpassen. Unten finden Sie eine kurze Zusammenfassung der Lichttheorien im Laufe der Zeit:

Aristotelische Theorie

2.500 Jahre lang sagte Aristoteles, dass das Licht aus den Augen des Beobachters entstand, die Objekte beleuchtet und in irgendeiner Weise mit dem Bild zurückgekehrt war, damit es von der Person geschätzt werden konnte.

Newton Corpuscular Theory

Newton hielt den Glauben, dass das Licht aus winzigen Partikeln bestand, die sich in einer geraden Linie in alle Richtungen ausbreiteten. Wenn sie die Augen erreichen, zeichnen sie das Gefühl als Licht auf.

Huygens wellige Theorie

Huygens veröffentlichte ein Werk namens namens Lichtvertrag in dem er vorschlug, dass dies eine Störung der Umwelt war, die wie Schallwellen ähnlich war.

Elektromagnetische Theorie von Maxwell

Während das doppelte Kriechenexperiment zweifellos an der welligen Natur des Lichts ließ, wurde während eines Großteils des neunzehnten Jahrhunderts über die Art der Welle spekuliert, die Maxwell in seiner elektromagnetischen Theorie sagte, dass das Licht aus der Ausbreitung einer elektromagnetischen Ausbreitung bestand Feld.

Licht als elektromagnetische Welle erklärt die Phänomene der Ausbreitung des Lichts, wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben und ist ein Konzept, das von der aktuellen Physik akzeptiert wird, ebenso wie die korpuskuläre Natur des Lichts.

Einsteins Korpuskulärtheorie

Nach der modernen Lichtkonzeption besteht dies aus Partikeln ohne Masse und ohne Last genannt Photonen. Obwohl sie keine Masse haben, haben sie Zeit und Energie, wie oben erläutert. Diese Theorie erklärt zufriedenstellend die Art und Weise, wie Licht mit Materie interagiert, indem sie Energie in diskreten (quantisierten) Mengen austauschen.

Die Existenz von Licht wurde von Albert Einstein vorgeschlagen, um die zu erklären photoelektrischer Effekt Entdeckt von Heinrich Hertz einige Jahre zuvor. Der photoelektrische Effekt besteht in der Emission von Elektronen durch eine Substanz, auf die eine Art elektromagnetischer Strahlung beeinflusst wurde, fast immer im Rang von Ultraviolett bis sichtbares Licht.

Verweise

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