De licht Het is een elektromagnetische golf die kan worden opgevangen door het gezichtsvermogen. Het maakt deel uit van het elektromagnetische spectrum: het zogenaamde zichtbaar licht. In de loop der jaren zijn er verschillende theorieën voorgesteld om de aard ervan te verklaren.
De overtuiging bijvoorbeeld dat licht bestond uit een stroom deeltjes die werd uitgezonden door objecten of door de ogen van waarnemers, bleef lang bestaan. Dit geloof van de Arabieren en de oude Grieken werd gedeeld door Isaac Newton (1642-1727) om de verschijnselen van licht te verklaren..
Hoewel Newton begon te vermoeden dat licht golfkwaliteiten had en Christian Huygens (1629-1695) erin slaagde breking en reflectie te verklaren met een golftheorie, was het geloof van licht als deeltje wijdverspreid onder alle wetenschappers tot het begin van de 19e eeuw..
Aan het begin van die eeuw heeft de Engelse natuurkundige Thomas Young zonder twijfel aangetoond dat lichtstralen met elkaar kunnen interfereren, net zoals mechanische golven dat doen in snaren..
Dat kon alleen maar betekenen dat het licht een golf was en geen deeltje, hoewel niemand wist wat voor soort golf het was, totdat James Clerk Maxwell in 1873 beweerde dat licht een elektromagnetische golf was..
Met de ondersteuning van de experimentele resultaten van Heinrich Hertz in 1887, werd het golfkarakter van licht als een wetenschappelijk feit vastgesteld..
Maar aan het begin van de 20e eeuw kwamen er nieuwe bewijzen naar voren over de corpusculaire aard van licht. Deze aard is aanwezig in emissie- en absorptieverschijnselen, waarbij lichtenergie wordt getransporteerd in pakketten die "fotonen" worden genoemd..
Dus, aangezien licht zich voortplant als een golf en interageert met materie als een deeltje, wordt momenteel een tweeledige aard herkend in licht: golfdeeltje.
Artikel index
Het is duidelijk dat de aard van licht tweeledig is en zich voortplant als een elektromagnetische golf, waarvan de energie in fotonen komt.
Deze, die geen massa hebben, bewegen in een vacuüm met een constante snelheid van 300.000 km / s. Het is de bekende lichtsnelheid in een vacuüm, maar licht kan door andere media gaan, zij het met verschillende snelheden.
Wanneer de fotonen onze ogen bereiken, worden de sensoren geactiveerd die de aanwezigheid van licht detecteren. De informatie wordt naar de hersenen gestuurd en daar geïnterpreteerd.
Wanneer een bron een groot aantal fotonen uitzendt, zien we dat als een heldere bron. Als het daarentegen weinig uitstoot, wordt het geïnterpreteerd als een ondoorzichtige bron. Elk foton heeft een bepaalde energie, die de hersenen interpreteren als een kleur. Blauwe fotonen zijn bijvoorbeeld energieker dan rode fotonen.
Elke bron zendt gewoonlijk fotonen uit met verschillende energieën, van daaruit komt de kleur waarmee het wordt gezien.
Als niets anders fotonen uitzendt met een enkel type energie, wordt het genoemd monochromatisch licht. De laser is een goed voorbeeld van monochromatisch licht. Ten slotte wordt de verdeling van fotonen in een bron genoemd spectrum.
Een golf kenmerkt zich ook door het hebben van een bepaalde golflengte. Zoals we al zeiden, behoort licht tot het elektromagnetische spectrum, dat een zeer breed scala aan golflengten beslaat, van radiogolven tot gammastralen. De volgende afbeelding laat zien hoe een driehoekig prisma een straal wit licht verstrooit. Licht wordt gescheiden in lange (rood) en korte (blauwe) golflengten.
Daar in het midden bevindt zich de smalle golflengteband die bekend staat als het zichtbare spectrum, die loopt van 400 nanometer (nm) tot 700 nm..
Licht heeft duaal, golf- en deeltjesgedrag zoals onderzocht. Licht plant zich op dezelfde manier voort als een elektromagnetische golf en is als zodanig in staat energie te transporteren. Maar wanneer licht interageert met materie, gedraagt het zich als een bundel deeltjes die fotonen worden genoemd..
In 1802 toonde de natuurkundige Thomas Young (1773-1829) aan dat licht gedrag vertoont golvend met behulp van het experiment met dubbele spleet.
Op deze manier was hij in staat om maximale en minimale storing op een scherm te produceren. Dit gedrag is typerend voor golven en dus kon Young aantonen dat licht een golf was en kon hij ook de golflengte meten.
Het andere aspect van licht is dat van deeltje, vertegenwoordigd door pakketjes energie, fotonen genaamd, die in een vacuüm bewegen met een snelheid c = 3 x 108 m / s en hebben geen massa. Maar ze hebben wel energie EN
E = hf
En ook momentum van omvang:
p = E / c
Waar h is de constante van Planck, waarvan de waarde 6,63 x 10 is-3. 4 Joule tweede en F. is de frequentie van de golf. Deze uitdrukkingen combineren:
p = hf / c
En sinds de golflengte λ en frequentie zijn gerelateerd aan c = λ.f, stoffelijk overschot:
p = h / λ → λ = h / p
Bij het bestuderen van het gedrag van licht zijn er twee belangrijke principes waarmee je rekening moet houden: het principe van Huygens en het principe van Fermat. Huygens 'principe stelt dat:
Elk punt op het golffront gedraagt zich als een puntbron, die op zijn beurt secundaire sferische golven produceert.
Waarom sferische golven? Als we aannemen dat het medium homogeen is, zal het licht dat door een puntbron wordt uitgezonden zich in alle richtingen gelijkmatig voortplanten. We kunnen ons voorstellen dat licht zich voortplant in het midden van een grote bol met de stralen gelijkmatig verdeeld. Wie dit licht waarneemt, neemt waar dat het in een rechte lijn naar zijn oog beweegt en loodrecht op het golffront beweegt..
Als de lichtstralen van een zeer verre bron komen, bijvoorbeeld de zon, is het golffront vlak en zijn de stralen evenwijdig. Dit is wat de benadering van de geometrische optica.
Het principe van Fermat stelt dat:
Een lichtstraal die tussen twee punten reist, volgt het pad dat de minimale tijd vereist.
Dit principe dankt zijn naam aan de Franse wiskundige Pierre de Fermat (1601-1665), die het voor het eerst in 1662 oprichtte.
Volgens dit principe plant het licht zich in een homogeen medium voort met een constante snelheid, daarom heeft het een uniforme rechtlijnige beweging en is het traject een rechte lijn..
Licht reist als een elektromagnetische golf. Zowel het elektrische veld als het magnetische veld wekken elkaar op en vormen gekoppelde golven die in fase zijn en loodrecht op elkaar en op de voortplantingsrichting staan..
In het algemeen kan een golf die zich voortplant in de ruimte worden beschreven in termen van de golffront. Dit is de set punten met een gelijke amplitude en fase. Door de locatie van het golffront op een bepaald moment te kennen, kan elke volgende locatie bekend worden, volgens het principe van Huygens.
Het golfgedrag van licht blijkt duidelijk uit twee belangrijke verschijnselen die optreden tijdens de voortplanting: diffractie en interferentie. In de diffractie, Golven, of ze nu van water, geluid of licht zijn, worden vervormd wanneer ze door openingen gaan, obstakels omzeilen of hoeken omzeilen.
Als het diafragma groot is in vergelijking met de golflengte, is de vervorming niet erg groot, maar als het diafragma klein is, is de verandering in golfvorm meer merkbaar. Diffractie is een exclusieve eigenschap van golven, dus als licht diffractie vertoont, weten we dat het golfgedrag heeft.
Van zijn kant de interferentie van licht treedt op wanneer de elektromagnetische golven waaruit ze bestaan elkaar overlappen. Daarbij worden ze vectorieel opgeteld en dit kan aanleiding geven tot twee soorten interferentie:
-Constructief, wanneer de intensiteit van de resulterende golf groter is dan de intensiteit van de componenten.
-Destructief als de intensiteit minder is dan die van de componenten.
Lichtgolfinterferentie treedt op wanneer de golven monochromatisch zijn en altijd hetzelfde faseverschil behouden. Dit heet samenhang. Zo'n licht kan bijvoorbeeld van een laser komen. Veel voorkomende bronnen zoals gloeilampen produceren geen coherent licht omdat het licht dat wordt uitgezonden door de miljoenen atomen in de gloeidraad voortdurend van fase verandert..
Maar als een ondoorzichtige kap met twee kleine openingen dicht bij elkaar op dezelfde gloeilamp wordt geplaatst, fungeert het licht dat uit elke sleuf komt als een samenhangende bron..
Ten slotte, wanneer de trillingen van het elektromagnetische veld allemaal in dezelfde richting zijn, de Polarisatie. Natuurlijk licht is niet gepolariseerd, aangezien het uit vele componenten bestaat, die allemaal in een andere richting oscilleren.
Aan het begin van de 19e eeuw was de Engelse natuurkundige Thomas Young de eerste die coherent licht kreeg met een gewone lichtbron..
In zijn beroemde experiment met dubbele spleet liet hij licht door een spleet in een ondoorzichtig scherm. Volgens het Huygens-principe worden twee secundaire bronnen gegenereerd, die op hun beurt door een tweede ondoorzichtig scherm met twee spleten zijn gegaan.
Het aldus verkregen licht verlichtte een muur in een donkere kamer. Wat werd gezien was een patroon bestaande uit afwisselend lichte en donkere gebieden. Het bestaan van dit patroon wordt verklaard door het hierboven beschreven fenomeen van interferentie..
Young's experiment was erg belangrijk omdat het de golfkarakteristiek van licht onthulde. Vervolgens is het experiment uitgevoerd met fundamentele deeltjes zoals elektronen, neutronen en protonen, met vergelijkbare resultaten..
Wanneer een lichtstraal een oppervlak raakt, kan een deel van het licht worden gereflecteerd en een deel geabsorbeerd. Als het een transparant medium is, gaat een deel van het licht er doorheen.
Het oppervlak kan ook glad, spiegelachtig of ruw en ongelijk zijn. De reflectie die optreedt op een glad oppervlak wordt genoemd spiegelende reflectie, anders is het diffuse reflectie of onregelmatige reflectie. Een sterk gepolijst oppervlak, zoals een spiegel, kan tot 95% van het invallende licht reflecteren.
De afbeelding toont een lichtstraal die reist in een medium, dat lucht kan zijn. Incident met hoek θ1 op een vlak spiegelend oppervlak en wordt gereflecteerd onder een hoek θtwee. De lijn die als normaal wordt aangeduid, staat loodrecht op het oppervlak.
Zowel de invallende als de gereflecteerde straal en de normaal op het spiegeloppervlak bevinden zich in hetzelfde vlak. De oude Grieken hadden al opgemerkt dat de invalshoek gelijk is aan de reflectiehoek:
θ1 = θtwee
Deze wiskundige uitdrukking is de wet van lichtreflectie. Andere golven, zoals bijvoorbeeld geluid, kunnen echter ook weerkaatst worden.
De meeste oppervlakken zijn ruw en daarom is de weerkaatsing van het licht diffuus. Op deze manier wordt het licht dat ze weerkaatsen alle kanten op gestuurd, zodat objecten overal te zien zijn.
Omdat sommige golflengten meer worden gereflecteerd dan andere, hebben objecten verschillende kleuren.
Zo reflecteren de bladeren van bomen licht dat ongeveer in het midden van het zichtbare spectrum zit, wat overeenkomt met de kleur groen. De rest van de zichtbare golflengten wordt geabsorbeerd: van ultraviolet bijna blauw (350-450 nm) en rood licht (650-700 nm).
De breking van licht treedt op omdat licht met verschillende snelheden reist, afhankelijk van het medium. In vacuüm is de lichtsnelheid c = 3 x 108 m / s, maar wanneer licht een materieel medium bereikt, ontstaan absorptie- en emissieprocessen die ervoor zorgen dat de energie afneemt en daarmee de snelheid.
Wanneer het zich bijvoorbeeld in de lucht verplaatst, reist licht bijna gelijk aan c, maar in water reist licht met driekwart van een snelheid. c, terwijl het in glas dit doet op ongeveer tweederde van c.
De brekingsindex wordt aangegeven n en wordt gedefinieerd als het quotiënt tussen de lichtsnelheid in vacuüm c en zijn snelheid in genoemd medium v
n = c / v
De brekingsindex is altijd groter dan 1, aangezien de lichtsnelheid in vacuüm altijd groter is dan in een materiaalmedium. Enkele typische waarden van n zijn:
-Lucht: 1.0003
-Water: 1,33
-Glas: 1.5
-Diamant: 2,42
Wanneer een lichtstraal schuin de grens tussen twee media raakt, zoals bijvoorbeeld lucht en glas, wordt een deel van het licht gereflecteerd en een ander deel vervolgt zijn weg in het glas.
In dit geval ondergaan de golflengte en de snelheid een variatie wanneer ze van het ene medium naar het andere gaan, maar niet de frequentie. Sinds v = c / n = λ.f en ook in de leegte c = λo. F., dan heb je:
(λof.f / n) = λ.f → λ = λof/ n
Dat wil zeggen, de golflengte in een bepaald medium is altijd kleiner dan de golflengte in vacuüm λo.
Kijk naar de driehoeken met een gemeenschappelijke schuine zijde in rood. In elk medium meet de hypotenusa λ1/ sen θ1 en λtwee/ sen θtwee respectievelijk, aangezien λ en v evenredig zijn, daarom:
λ1/ sen θ1 = λtwee/ sen θtwee
Wat λ = λof/ n je moet:
(λof/ n1 / sen θ1 = (λof/ ntwee / sen θtwee
Wat kan worden uitgedrukt als:
n1 . sen θ1 = ntwee .sen θtwee
Dit is de formule van de wet van Snell, ter ere van de Nederlandse wiskundige Willebrord Snell (1580-1626), die het experimenteel heeft afgeleid door licht te observeren dat van lucht naar water en glas gaat..
Als alternatief wordt de wet van Snell geschreven in termen van de lichtsnelheid in elk medium, gebruikmakend van de definitie van brekingsindex: n = c / v
(CV1 . sen θ1 (CVtwee .sen θtwee
vtwee . sen θ1 = v1 .sen θtwee
Zoals hierboven uitgelegd, bestaat licht uit fotonen met verschillende energieën, en elke energie wordt als een kleur waargenomen. Wit licht bevat fotonen van alle energieën en kan daarom worden opgesplitst in licht van verschillende kleuren. Dit is de verstrooiing van licht, die al door Newton was bestudeerd.
Newton nam een optisch prisma, liet er een straal wit licht doorheen en verkreeg gekleurde strepen variërend van rood tot violet. Deze rand is het spectrum van zichtbaar licht dat te zien is in figuur 2.
De verstrooiing van licht is een natuurlijk fenomeen, waarvan we de schoonheid bewonderen aan de hemel wanneer de regenboog wordt gevormd. Zonlicht valt op waterdruppels in de atmosfeer, die fungeren als kleine prisma's die gelijk zijn aan die van Newton, waardoor het licht wordt verstrooid.
De blauwe kleur waarmee we de lucht zien is ook een gevolg van verstrooiing. Rijk aan stikstof en zuurstof, de atmosfeer verspreidt voornamelijk de tinten blauw en violet, maar het menselijk oog is gevoeliger voor blauw en daarom zien we de lucht van deze kleur.
Wanneer de zon lager aan de horizon staat, tijdens zonsopgang of zonsondergang, wordt de lucht oranje doordat de lichtstralen door een dikkere laag van de atmosfeer moeten gaan. De roodachtige tonen van lagere frequenties hebben minder interactie met de elementen van de atmosfeer en profiteren ervan om rechtstreeks het oppervlak te bereiken.
Atmosferen die rijk zijn aan stof en vervuiling, zoals die in sommige grote steden, hebben een grijsachtige lucht vanwege de verspreiding van lage frequenties.
Licht werd fundamenteel beschouwd als een deeltje of als een golf. De corpusculaire theorie die Newton verdedigde, beschouwde licht als een bundel deeltjes. Terwijl reflectie en breking adequaat konden worden verklaard door aan te nemen dat licht een golf was, zoals Huygens betoogde.
Maar lang voor deze opmerkelijke wetenschappers hadden mensen al gespeculeerd over de aard van licht. Onder hen kon de Griekse filosoof Aristoteles niet ontbreken. Hier is een korte samenvatting van de theorieën over licht in de loop van de tijd:
2500 jaar geleden verklaarde Aristoteles dat licht voortkwam uit de ogen van de waarnemer, voorwerpen verlichtte en op de een of andere manier terugkeerde met het beeld zodat het door de persoon kon worden gewaardeerd..
Newton was van mening dat licht bestond uit kleine deeltjes die zich in een rechte lijn in alle richtingen voortplanten. Wanneer ze de ogen bereiken, registreren ze de sensatie als licht.
Huygens publiceerde een werk met de naam Verhandeling van licht waarin hij voorstelde dat dit een verstoring van de omgeving was, vergelijkbaar met geluidsgolven.
Hoewel het experiment met dubbele spleet geen twijfel liet bestaan over de golfkarakteristiek van licht, werd er gedurende een groot deel van de negentiende eeuw gespeculeerd over het type golf dat het was, totdat Maxwell in zijn elektromagnetische theorie stelde dat licht bestond uit de voortplanting van een elektromagnetisch veld..
Licht als een elektromagnetische golf verklaart de verschijnselen van lichtvoortplanting zoals die beschreven in de voorgaande secties en is een concept dat door de huidige fysica wordt geaccepteerd, evenals de corpusculaire aard van licht..
Volgens de moderne opvatting van licht bestaat het uit massaloze en ongeladen deeltjes die fotonen worden genoemd. Ondanks dat ze geen massa hebben, hebben ze momentum en energie, zoals hierboven uitgelegd. Deze theorie verklaart op bevredigende wijze de manier waarop licht interageert met materie, door energie uit te wisselen in discrete (gekwantiseerde) hoeveelheden..
Het bestaan van de lichtquanta werd voorgesteld door Albert Einstein om de fotoëlektrisch effect ontdekt door Heinrich Hertz een paar jaar eerder. Het foto-elektrische effect bestaat uit de emissie van elektronen door een stof waarop een soort elektromagnetische straling is aangetast, bijna altijd in het bereik van ultraviolet tot zichtbaar licht..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.