Światło -Light

Trójkątny pryzmat rozpraszający wiązkę białego światła. Dłuższe fale (czerwony) i krótsze fale (niebieski) są rozdzielone.

Światło lub światło widzialne to promieniowanie elektromagnetyczne w części widma elektromagnetycznego, która jest postrzegana przez ludzkie oko . Światło widzialne jest zwykle definiowane jako mające długość fali w zakresie 400-700 nanometrów (nm), co odpowiada częstotliwości 750-420 teraherców , pomiędzy podczerwienią (przy dłuższych długościach fal) a nadfioletem (przy krótszych długościach fal).

W fizyce termin „światło” może szerzej odnosić się do promieniowania elektromagnetycznego o dowolnej długości fali, widzialnej lub nie. W tym sensie promienie gamma , rentgenowskie , mikrofale i fale radiowe są również światłem. Podstawowe właściwości światła to intensywność , kierunek propagacji, widmo częstotliwości lub długości fali oraz polaryzacja . Jego prędkość w próżni , 299 792 458 metrów na sekundę (m/s), jest jedną z podstawowych stałych natury. Jak wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, światło widzialne rozchodzi się przez bezmasowe cząstki elementarne zwane fotonami , które reprezentują kwanty pola elektromagnetycznego i mogą być analizowane zarówno jako fale, jak i cząstki . Badanie światła, znane jako optyka , jest ważnym obszarem badawczym we współczesnej fizyce .

Głównym źródłem naturalnego światła na Ziemi jest Słońce . Historycznie, innym ważnym źródłem światła dla ludzi był ogień , od starożytnych ognisk po nowoczesne lampy naftowe . Wraz z rozwojem oświetlenia elektrycznego i systemów zasilania oświetlenie elektryczne skutecznie zastąpiło światło ognia.

Widmo elektromagnetyczne i światło widzialne

Ogólnie promieniowanie elektromagnetyczne (EMR) dzieli się według długości fali na fale radiowe , mikrofale , podczerwień , widmo widzialne , które odbieramy jako światło, ultrafiolet , promienie rentgenowskie i promienie gamma . Określenie „ promieniowanie ” wyklucza pola elektryczne statyczne , magnetyczne i bliskie .

Zachowanie EMR zależy od jego długości fali. Wyższe częstotliwości mają krótsze długości fal, a niższe częstotliwości mają dłuższe fale. Kiedy EMR oddziałuje z pojedynczymi atomami i cząsteczkami, jego zachowanie zależy od ilości energii na kwant, którą niesie.

EMR w obszarze światła widzialnego składa się z kwantów (zwanych fotonami ), które są na dolnym końcu energii, które są zdolne do wywołania wzbudzenia elektronowego w cząsteczce, co prowadzi do zmian w wiązaniu lub chemii cząsteczki. Na dolnym końcu widma światła widzialnego EMR staje się niewidoczny dla ludzi (podczerwień), ponieważ jego fotony nie mają już wystarczającej indywidualnej energii, aby spowodować trwałą zmianę molekularną (zmianę konformacji) w wizualnej cząsteczce siatkówki w ludzkiej siatkówce, co zmiana wyzwala wrażenie widzenia.

Istnieją zwierzęta wrażliwe na różne rodzaje podczerwieni, ale nie na absorpcję kwantową. Wykrywanie podczerwieni u węży opiera się na rodzaju naturalnego obrazowania termicznego , w którym promieniowanie podczerwone podnosi temperaturę maleńkich paczek wody komórkowej. EMR w tym zakresie powoduje wibracje molekularne i efekty ogrzewania, które te zwierzęta wykrywają.

Powyżej zakresu światła widzialnego światło ultrafioletowe staje się niewidoczne dla człowieka, głównie dlatego, że jest pochłaniane przez rogówkę poniżej 360 nm i soczewkę wewnętrzną poniżej 400 nm. Co więcej, pręciki i czopki znajdujące się w siatkówce oka ludzkiego nie mogą wykryć bardzo krótkich (poniżej 360 nm) fal ultrafioletowych i są w rzeczywistości uszkadzane przez ultrafiolet. Wiele zwierząt o oczach niewymagających soczewek (takich jak owady i krewetki) jest w stanie wykryć promieniowanie ultrafioletowe dzięki mechanizmom kwantowej absorpcji fotonów w podobny sposób, w jaki ludzie wykrywają światło widzialne.

Różne źródła definiują światło widzialne jako wąsko od 420-680 nm do tak szeroko, jak 380-800 nm. W idealnych warunkach laboratoryjnych ludzie widzą podczerwień do co najmniej 1050 nm; dzieci i młodzi dorośli mogą odbierać fale ultrafioletowe do około 310–313 nm.

Na wzrost roślin wpływa również spektrum barw światła, proces znany jako fotomorfogeneza .

Liniowe widmo widzialne.svg

Prędkość światła

Wiązka światła słonecznego wewnątrz jamy Rocca ill'Abissu w Fondachelli-Fantina , Sycylia

Prędkość światła w próżni jest zdefiniowana jako dokładnie 299 792 458  m/s (około 186 282 mil na sekundę). Stała wartość prędkości światła w jednostkach SI wynika z faktu, że miernik jest teraz definiowany w kategoriach prędkości światła. Wszystkie formy promieniowania elektromagnetycznego poruszają się w próżni z dokładnie taką samą prędkością.

Różni fizycy próbowali mierzyć prędkość światła na przestrzeni dziejów. Galileusz próbował zmierzyć prędkość światła w XVII wieku. Wczesny eksperyment mierzący prędkość światła przeprowadził w 1676 roku duński fizyk Ole Rømer . Za pomocą teleskopu Rømer obserwował ruchy Jowisza i jednego z jego księżyców , Io . Odnotowując rozbieżności w pozornym okresie orbity Io, obliczył, że światło potrzebuje około 22 minut, aby przebyć średnicę orbity Ziemi. Jednak jego wielkość nie była wówczas znana. Gdyby Rømer znał średnicę orbity Ziemi, obliczyłby prędkość 227 000 000 m/s.

Kolejny dokładniejszy pomiar prędkości światła przeprowadził w Europie w 1849 roku Hippolyte Fizeau . Fizeau skierował wiązkę światła na lustro oddalone o kilka kilometrów. Na drodze wiązki światła w drodze od źródła do lustra umieszczono obracające się koło zębate , a następnie powróciło do swojego źródła. Fizeau odkrył, że przy określonej prędkości obrotowej promień przechodził przez jedną szczelinę w kole w drodze powrotnej i następną szczelinę w drodze powrotnej. Znając odległość do lustra, liczbę zębów na kole i prędkość obrotową, Fizeau był w stanie obliczyć prędkość światła na 313 000 000 m/s.

Léon Foucault przeprowadził eksperyment, w którym wykorzystano obracające się lustra, aby w 1862 r. uzyskać wartość 298 000 000 m/s. Albert A. Michelson prowadził eksperymenty z prędkością światła od 1877 r. do śmierci w 1931 r. Udoskonalił metody Foucaulta w 1926 r., ulepszone obrotowe lustra do pomiaru czasu potrzebnego na podróż w obie strony z Mount Wilson do Mount San Antonio w Kalifornii. Dokładne pomiary dały prędkość 299 796 000 m/s.

Efektywna prędkość światła w różnych przezroczystych substancjach zawierających zwykłą materię jest mniejsza niż w próżni. Na przykład prędkość światła w wodzie wynosi około 3/4 prędkości w próżni.

Mówi się, że dwa niezależne zespoły fizyków doprowadziły światło do „całkowitego zatrzymania”, przepuszczając je przez kondensat Bosego-Einsteina pierwiastka rubidu , jeden zespół z Harvard University i Rowland Institute for Science w Cambridge, Massachusetts, a drugi z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics , również w Cambridge. Jednak popularny opis „zatrzymania” światła w tych eksperymentach odnosi się tylko do światła przechowywanego w wzbudzonych stanach atomów, a następnie ponownie emitowanego w dowolnym późniejszym czasie, jako stymulowany przez drugi impuls laserowy. W czasie, gdy „zatrzymał się”, przestał być lekki.

Optyka

Badanie światła i oddziaływania światła i materii nazywa się optyką . Obserwacje i badania zjawisk optycznych, takich jak tęcze i zorza polarna , dostarczają wielu wskazówek co do natury światła.

Refrakcja

Z powodu załamania słomka zanurzona w wodzie wydaje się wygięta, a skala linijki ściśnięta, gdy patrzy się na nią z płytkiego kąta.

Refrakcja to zagięcie promieni świetlnych podczas przechodzenia przez powierzchnię między jednym przezroczystym materiałem a drugim. Opisuje to prawo Snella :

gdzie θ 1 jest kątem między promieniem a normalną do powierzchni w pierwszym ośrodku, θ 2 jest kątem między promieniem a normalną do powierzchni w drugim ośrodku, a n 1 i n 2współczynnikami załamania , n = 1 w próżnia i n > 1 w przezroczystej substancji .

Kiedy wiązka światła przekracza granicę między próżnią a innym ośrodkiem lub między dwoma różnymi ośrodkami, długość fali światła zmienia się, ale częstotliwość pozostaje stała. Jeśli wiązka światła nie jest prostopadła (lub raczej normalna) do granicy, zmiana długości fali powoduje zmianę kierunku wiązki. Ta zmiana kierunku jest znana jako załamanie .

Jakość refrakcyjna soczewek jest często wykorzystywana do manipulowania światłem w celu zmiany pozornej wielkości obrazów. Przykładami takiej manipulacji są lupy , okulary , soczewki kontaktowe , mikroskopy i lunety refrakcyjne .

Źródła światła

Istnieje wiele źródeł światła. Ciało o określonej temperaturze emituje charakterystyczne widmo promieniowania ciała doskonale czarnego. Prostym źródłem ciepła jest światło słoneczne, promieniowanie emitowane przez chromosferę Słońca o temperaturze około 6000 kelwinów (5730 stopni Celsjusza; 10340 stopni Fahrenheita) osiąga szczyty w widzialnym obszarze widma elektromagnetycznego po wykreśleniu w jednostkach długości fali i około 44% energii słonecznej który dociera do ziemi jest widoczny. Innym przykładem są żarówki żarowe , które emitują tylko około 10% swojej energii w postaci światła widzialnego, a pozostałą część w podczerwieni. Powszechnym źródłem światła termicznego w historii są świecące cząstki stałe w płomieniach , ale one również emitują większość swojego promieniowania w podczerwieni i tylko ułamek w widmie widzialnym.

Szczyt widma ciała doskonale czarnego znajduje się w głębokiej podczerwieni, przy długości fali około 10 mikrometrów , dla stosunkowo chłodnych obiektów, takich jak ludzie. Wraz ze wzrostem temperatury pik przesuwa się do krótszych długości fal, wytwarzając najpierw czerwoną poświatę, potem białą i wreszcie niebiesko-biały kolor, gdy pik przesuwa się z widzialnej części widma do ultrafioletu. Te kolory można zobaczyć, gdy metal jest rozgrzany do „czerwonego gorąca” lub „białego gorącego”. Niebiesko-biała emisja termiczna nie jest często widywana, z wyjątkiem gwiazd (powszechnie widywany czysty niebieski kolor w płomieniu gazowym lub palniku spawalniczym jest w rzeczywistości spowodowany emisją molekularną, zwłaszcza przez rodniki CH (emitujące pasmo długości fali około 425 nm i nie jest widoczny w gwiazdach lub czystym promieniowaniu cieplnym).

Atomy emitują i pochłaniają światło o charakterystycznych energiach. W ten sposób powstają „ linie emisyjne ” w widmie każdego atomu. Emisja może być spontaniczna , tak jak w przypadku diod elektroluminescencyjnych , lamp wyładowczych (takich jak neony i neony , lampy rtęciowe , itp.) oraz płomieni (światło z samego gorącego gazu, czyli np. sód w płomień gazowy emituje charakterystyczne żółte światło). Emisja może być również stymulowana , jak w maserze laserowym lub mikrofalowym .

Spowolnienie wolnej cząstki naładowanej, takiej jak elektron , może wytworzyć promieniowanie widzialne: promieniowanie cyklotronowe , promieniowanie synchrotronowe i promieniowanie bremsstrahlung są tego przykładami. Cząstki poruszające się przez ośrodek szybciej niż prędkość światła w tym ośrodku mogą wytworzyć widzialne promieniowanie Czerenkowa . Niektóre substancje chemiczne wytwarzają promieniowanie widzialne przez chemoluminescencję . W żywych organizmach proces ten nazywa się bioluminescencją . Na przykład świetliki wytwarzają w ten sposób światło, a łodzie poruszające się po wodzie mogą zakłócać plankton, który wytwarza świecący ślad.

Niektóre substancje wytwarzają światło, gdy są oświetlone przez bardziej energetyczne promieniowanie, proces znany jako fluorescencja . Niektóre substancje po wzbudzeniu przez bardziej energetyczne promieniowanie emitują światło powoli. Nazywa się to fosforescencją . Materiały fosforyzujące można również wzbudzać przez bombardowanie ich cząstkami subatomowymi. Jednym z przykładów jest katodoluminescencja . Mechanizm ten stosowany jest w telewizorach kineskopowych i monitorach komputerowych .

Hongkong oświetlony kolorowym sztucznym oświetleniem .

Niektóre inne mechanizmy mogą wytwarzać światło:

Gdy pojęcie światła ma obejmować fotony o bardzo wysokiej energii (promienie gamma), dodatkowe mechanizmy generowania obejmują:

Pomiar

Światło jest mierzone za pomocą dwóch głównych alternatywnych zestawów jednostek: radiometria polega na pomiarach mocy światła na wszystkich długościach fali, podczas gdy fotometria mierzy światło o długości fali ważonej w odniesieniu do znormalizowanego modelu ludzkiej percepcji jasności. Fotometria jest przydatna, na przykład, do ilościowego określenia iluminacji (oświetlenia) przeznaczonego do użytku przez ludzi.

Jednostki fotometryczne różnią się od większości systemów jednostek fizycznych tym, że uwzględniają reakcję ludzkiego oka na światło. Komórki czopków w ludzkim oku są trzech typów, które reagują inaczej w zakresie widzialnym, a skumulowane piki odpowiedzi przy długości fali około 555 nm. Dlatego dwa źródła światła, które wytwarzają tę samą intensywność (W/m2 ) światła widzialnego, niekoniecznie wydają się równie jasne. Jednostki fotometryczne są zaprojektowane tak, aby wziąć to pod uwagę i dlatego lepiej odzwierciedlają, jak „jasne” wydaje się światło, niż surowa intensywność. Odnoszą się one do surowej mocy w wielkości zwanej skutecznością świetlną i są wykorzystywane do celów takich jak określenie najlepszego sposobu uzyskania wystarczającego oświetlenia do różnych zadań w warunkach wewnętrznych i zewnętrznych. Naświetlenie mierzone przez czujnik fotokomórki niekoniecznie odpowiada temu, co jest postrzegane przez ludzkie oko i bez filtrów, które mogą być kosztowne, fotokomórki i urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) mają tendencję do reagowania na niektóre promieniowanie podczerwone , ultrafioletowe lub jedno i drugie.

Lekki nacisk

Światło wywiera fizyczny nacisk na obiekty na swojej drodze, zjawisko, które można wywnioskować za pomocą równań Maxwella, ale można je łatwiej wytłumaczyć cząsteczkową naturą światła: fotony uderzają i przekazują swój pęd. Ciśnienie światła jest równe mocy wiązki światła podzielonej przez c , prędkość światła.  Ze względu na wielkość c , efekt nacisku światła jest znikomy w przypadku przedmiotów codziennego użytku.  Na przykład jednomiliwatowy wskaźnik laserowy wywiera siłę około 3,3 pikonewtonów na oświetlany obiekt; w ten sposób za pomocą wskaźników laserowych można by podnieść pensa USA , ale wymagałoby to około 30 miliardów wskaźników laserowych o mocy 1 mW.  Jednak w zastosowaniach w skali nanometrycznej , takich jak systemy nanoelektromechaniczne (NEMS), wpływ lekkiego nacisku jest bardziej znaczący, a wykorzystywanie nacisku światła do napędzania mechanizmów NEMS i przełączania przełączników fizycznych w skali nanometrycznej w układach scalonych jest aktywnym obszarem badań. W większej skali, lekkie ciśnienie może spowodować, że asteroidy wirują szybciej, działając na ich nieregularne kształty, jak na łopatki wiatraka .  Badana jest również możliwość stworzenia żagli słonecznych , które przyspieszyłyby statki kosmiczne w kosmosie.

Chociaż ruch radiometru Crookesa pierwotnie przypisywano lekkiemu naciskowi, ta interpretacja jest błędna; charakterystyczny obrót Crookesa jest wynikiem częściowej próżni. Nie należy tego mylić z radiometrem Nicholsa , w którym (niewielki) ruch spowodowany momentem obrotowym (choć niewystarczający do pełnego obrotu przeciw tarciu) jest bezpośrednio powodowany przez lekki nacisk. Jako konsekwencja lekkiego ciśnienia, Einstein w 1909 przewidział istnienie „tarcia radiacyjnego”, które przeciwstawiałoby się ruchowi materii. Napisał: „promieniowanie będzie wywierać nacisk na obie strony płyty. Siły nacisku wywierane na obie strony są równe, jeśli płyta jest w spoczynku. Jednak jeśli jest w ruchu, więcej promieniowania zostanie odbite od powierzchni, jest przednia w ruchu (powierzchnia przednia) niż na powierzchni tylnej.Wsteczna siła nacisku wywierana na przednią powierzchnię jest więc większa niż siła nacisku działającego na plecy.W związku z tym jako wypadkowa obu sił pozostaje siła, która przeciwdziała ruchowi płyty i która rośnie wraz z prędkością płyty. W skrócie nazwiemy to wynikowe „tarciem radiacyjnym”.

Zazwyczaj pęd światła jest zgodny z kierunkiem jego ruchu. Jednak np. w falach zanikających pęd jest poprzeczny do kierunku propagacji.

Historyczne teorie światła w porządku chronologicznym

Klasyczna Grecja i hellenizm

W V wieku pne Empedokles postulował, że wszystko składa się z czterech elementów ; ogień, powietrze, ziemia i woda. Wierzył, że Afrodyta stworzyła ludzkie oko z czterech żywiołów i rozpaliła w oku ogień, który błyszczał z oka, umożliwiając widzenie. Gdyby to była prawda, to w nocy można było widzieć tak samo dobrze jak w dzień, więc Empedokles postulował interakcję między promieniami z oczu a promieniami ze źródła takiego jak słońce.

Około 300 pne Euklides napisał Optikę , w której badał właściwości światła. Euklides postulował, że światło porusza się po liniach prostych, opisał prawa odbicia i zbadał je matematycznie. Zakwestionował, że wzrok jest wynikiem promienia z oka, ponieważ pyta, jak od razu widać gwiazdy, jeśli się zamyka oczy, a potem otwiera je w nocy. Jeśli wiązka z oka porusza się nieskończenie szybko, nie stanowi to problemu.

W 55 roku p.n.e. Lukrecjusz , Rzymianin, który kontynuował idee wcześniejszych greckich atomistów , napisał, że „Światło i ciepło słońca; składają się one z maleńkich atomów, które, gdy są odpychane, nie tracą czasu na strzelanie w poprzek. przestrzeń powietrza w kierunku nadanym przez pchnięcie”. (z O naturze Wszechświata ). Mimo podobieństwa do późniejszych teorii cząstek, poglądy Lukrecjusza nie były powszechnie akceptowane. Ptolemeusz (ok. II w.) pisał o załamaniu światła w swojej książce Optyka .

Klasyczne Indie

W starożytnych Indiach hinduistyczne szkoły sankhja i wajszeszika , począwszy od wczesnych wieków naszej ery, rozwijały teorie dotyczące światła. Według szkoły sankhji światło jest jednym z pięciu podstawowych „subtelnych” elementów ( tanmatra ), z których wyłaniają się elementy wulgarne. Atomowość tych pierwiastków nie jest konkretnie wymieniona i wydaje się, że faktycznie zostały one uznane za ciągłe. Z drugiej strony szkoła Vaisheshika podaje atomową teorię świata fizycznego na nieatomowej podstawie eteru , przestrzeni i czasu. (Patrz atomizm indyjski .) Podstawowymi atomami są atomy ziemi ( prthivi ), wody ( pani ), ognia ( agni ) i powietrza ( vayu ). Promienie świetlne są uważane za strumień dużej prędkości atomów tejas (ognia). Cząsteczki światła mogą wykazywać różne właściwości w zależności od prędkości i ułożenia atomów tejas . Wisznupurana odnosi się do światła słonecznego jako „siedmiu promieni słońca”.

Indyjscy buddyści , tacy jak Dignaga w piątym wieku i Dharmakirti w siódmym wieku, rozwinęli rodzaj atomizmu, który jest filozofią mówiącą o tym, że rzeczywistość składa się z bytów atomowych, które są chwilowymi błyskami światła lub energii. Postrzegali światło jako jednostkę atomową równoważną energii.

Kartezjusz

René Descartes (1596–1650) utrzymywał, że światło jest mechaniczną właściwością ciała świetlistego, odrzucając „formy” Ibn al-Haythama i Witelo , a także „gatunki” Bacona , Grosseteste'a i Keplera . W 1637 opublikował teorię załamania światła, która błędnie zakładała, że ​​światło porusza się szybciej w gęstszym ośrodku niż w mniej gęstym ośrodku. Kartezjusz doszedł do tego wniosku przez analogię z zachowaniem fal dźwiękowych. Chociaż Kartezjusz mylił się co do prędkości względnych, miał rację zakładając, że światło zachowywało się jak fala i doszedł do wniosku, że załamanie można wytłumaczyć prędkością światła w różnych mediach.

Kartezjusz nie jest pierwszym, który stosuje analogie mechaniczne, ale ponieważ wyraźnie twierdzi, że światło jest tylko mechaniczną właściwością ciała świetlistego i medium przenoszącego, teoria światła Kartezjusza jest uważana za początek współczesnej optyki fizycznej.

Teoria cząstek

Pierre Gassendi (1592–1655), atomista, zaproponował cząsteczkową teorię światła, opublikowaną pośmiertnie w latach 60. XVII wieku. Isaac Newton w młodym wieku studiował prace Gassendiego i wolał jego poglądy od teorii plenum Kartezjusza . W swojej Hipotezie Światła z 1675 r. stwierdził, że światło składa się z korpuskuł (cząstek materii), które są emitowane ze źródła we wszystkich kierunkach. Jednym z argumentów Newtona przeciwko falowej naturze światła było to, że fale zaginały się wokół przeszkód, podczas gdy światło poruszało się tylko po liniach prostych. Wyjaśnił jednak zjawisko dyfrakcji światła (które zaobserwował Francesco Grimaldi ) pozwalając, aby cząsteczka światła mogła wytworzyć zlokalizowaną falę w eterze .

Teoria Newtona mogła być wykorzystana do przewidywania odbicia światła, ale mogła wyjaśnić załamanie tylko przez błędne założenie, że światło przyspieszyło po wejściu do gęstszego ośrodka, ponieważ przyciąganie grawitacyjne było większe. Newton opublikował ostateczną wersję swojej teorii w swoim Optyku z 1704 roku. Jego reputacja pomogła teorii cząstek światła utrzymać się w XVIII wieku. Teoria cząstek światła doprowadziła Laplace'a do argumentu, że ciało może być tak masywne, że światło nie może z niego uciec. Innymi słowy, stałaby się tak zwaną czarną dziurą . Laplace wycofał swoją sugestię później, po tym, jak falowa teoria światła została mocno ugruntowana jako model światła (jak wyjaśniono, ani teoria cząstek, ani teoria falowa nie jest w pełni poprawna). Tłumaczenie eseju Newtona o świetle pojawia się w The large scale structure of space-time , autorstwa Stephena Hawkinga i George'a FR Ellisa .

Fakt, że światło może być spolaryzowane , został po raz pierwszy jakościowo wyjaśniony przez Newtona przy użyciu teorii cząstek. Étienne-Louis Malus w 1810 stworzył matematyczną teorię polaryzacji cząstek. Jean-Baptiste Biot w 1812 wykazał, że teoria ta wyjaśniała wszystkie znane zjawiska polaryzacji światła. W tym czasie polaryzację uważano za dowód teorii cząstek.

Teoria fal

Aby wyjaśnić pochodzenie kolorów , Robert Hooke (1635-1703) opracował „teorię impulsów” i porównał rozchodzenie się światła z falami w wodzie w swojej pracy Micrographia z 1665 r . („Obserwacja IX”). W 1672 Hooke zasugerował, że wibracje światła mogą być prostopadłe do kierunku propagacji. Christiaan Huygens (1629-1695) opracował matematyczną teorię fal światła w 1678 i opublikował ją w swoim Traktacie o Świetle w 1690. Zaproponował, że światło jest emitowane we wszystkich kierunkach jako seria fal w ośrodku zwanym świecącym eterem . Ponieważ fale nie podlegają grawitacji, założono, że zwalniają one po wejściu w gęstszy ośrodek.

Szkic Thomasa Younga przedstawiający eksperyment z podwójną szczeliną ukazujący dyfrakcję . Eksperymenty Younga potwierdziły teorię, że światło składa się z fal.

Teoria falowa przewidywała, że ​​fale świetlne mogą interferować ze sobą jak fale dźwiękowe (jak zauważył Thomas Young około 1800 roku ). Young wykazał za pomocą eksperymentu dyfrakcyjnego , że światło zachowuje się jak fale. Zasugerował również, że różne kolory były spowodowane różnymi długościami fal światła i wyjaśnił widzenie kolorów za pomocą trójkolorowych receptorów w oku. Innym zwolennikiem teorii falowej był Leonhard Euler . W Nova theoria lucis et colorum (1746) argumentował, że dyfrakcja może być łatwiej wyjaśniona za pomocą teorii falowej. W 1816 roku André-Marie Ampère podsunął Augustinowi-Jeanowi Fresnelowi pomysł, że polaryzację światła można wyjaśnić teorią falową, jeśli światło jest falą poprzeczną .

Później Fresnel niezależnie opracował własną falową teorię światła i przedstawił ją w Académie des Sciences w 1817 roku . Siméon Denis Poisson dodał do matematycznej pracy Fresnela przekonujący argument na korzyść teorii falowej, pomagając obalić korpuskularną teorię Newtona. Do roku 1821 Fresnel był w stanie wykazać metodami matematycznymi, że polaryzację można wyjaśnić falową teorią światła wtedy i tylko wtedy, gdy światło jest całkowicie poprzeczne, bez jakichkolwiek drgań podłużnych.

Słabością teorii falowej było to, że fale świetlne, podobnie jak fale dźwiękowe, potrzebują medium do transmisji. Istnienie hipotetycznej substancji świecącego eteru, zaproponowanej przez Huygensa w 1678 r., pod koniec XIX wieku poddało w wątpliwość eksperyment Michelsona-Morleya .

Teoria korpuskularna Newtona sugerowała, że ​​światło poruszałoby się szybciej w gęstszym ośrodku, podczas gdy teoria fal Huygensa i innych implikowała coś przeciwnego. W tym czasie prędkość światła nie mogła być zmierzona wystarczająco dokładnie, aby zdecydować, która teoria jest poprawna. Pierwszym, który dokonał wystarczająco dokładnych pomiarów, był Léon Foucault w 1850 roku. Jego wynik potwierdził teorię falową, a klasyczna teoria cząstek została ostatecznie porzucona, aby częściowo ponownie pojawić się w XX wieku.

Teoria elektromagnetyczna

Fala elektromagnetyczna spolaryzowana liniowo biegnąca wzdłuż osi x, gdzie E oznacza pole elektryczne, a prostopadła B oznacza pole magnetyczne

W 1845 Michael Faraday odkrył, że płaszczyzna polaryzacji liniowo spolaryzowanego światła jest obracana, gdy promienie światła przemieszczają się wzdłuż kierunku pola magnetycznego w obecności przezroczystego dielektryka , efekt znany obecnie jako obrót Faradaya . Był to pierwszy dowód na powiązanie światła z elektromagnetyzmem . W 1846 spekulował, że światło może być jakąś formą zakłócenia propagującego się wzdłuż linii pola magnetycznego. Faraday zaproponował w 1847 roku, że światło jest wibracją elektromagnetyczną o wysokiej częstotliwości, która może się rozprzestrzeniać nawet przy braku ośrodka takiego jak eter.

Praca Faradaya zainspirowała Jamesa Clerka Maxwella do zbadania promieniowania elektromagnetycznego i światła. Maxwell odkrył, że samorozchodzące się fale elektromagnetyczne przemieszczają się w przestrzeni ze stałą prędkością, która była równa wcześniej zmierzonej prędkości światła. Na tej podstawie Maxwell wywnioskował, że światło jest formą promieniowania elektromagnetycznego: po raz pierwszy stwierdził ten wynik w 1862 roku w książce O fizycznych liniach siły . W 1873 opublikował A Treatise on Electricity and Magnetism , który zawierał pełny matematyczny opis zachowania pól elektrycznych i magnetycznych, wciąż znanych jako równania Maxwella . Wkrótce potem Heinrich Hertz potwierdził eksperymentalnie teorię Maxwella, generując i wykrywając fale radiowe w laboratorium i wykazując, że fale te zachowywały się dokładnie jak światło widzialne, wykazując właściwości takie jak odbicie, załamanie, dyfrakcja i interferencja . Teoria Maxwella i eksperymenty Hertza doprowadziły bezpośrednio do rozwoju nowoczesnego radia, radaru, telewizji, obrazowania elektromagnetycznego i komunikacji bezprzewodowej.

W teorii kwantowej fotony są postrzegane jako pakiety falowe fal opisanych w klasycznej teorii Maxwella. Teoria kwantowa była potrzebna, aby wyjaśnić efekty nawet w świetle widzialnym, czego nie potrafiła klasyczna teoria Maxwella (takie jak linie widmowe ).

Teoria kwantowa

W 1900 roku Max Planck , próbując wyjaśnić promieniowanie ciała doskonale czarnego , zasugerował, że chociaż światło jest falą, fale te mogą zyskiwać lub tracić energię tylko w skończonych ilościach związanych z ich częstotliwością. Planck nazwał te „grudki” energii świetlnej „ kwantami ” (od łacińskiego słowa „ile”). W 1905 Albert Einstein wykorzystał ideę kwantów światła do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego i zasugerował, że te kwanty światła mają „prawdziwe” istnienie. W 1923 Arthur Holly Compton wykazał, że przesunięcie długości fali obserwowane, gdy promieniowanie rentgenowskie o niskim natężeniu jest rozpraszane od elektronów (tzw. rozpraszanie Comptona ) można wyjaśnić teorią cząstek rentgenowskich, ale nie teorią falową. W 1926 Gilbert N. Lewis nazwał te kwanty światła fotonami .

Ostatecznie współczesna teoria mechaniki kwantowej zaczęła obrazować światło jako (w pewnym sensie) zarówno cząstkę, jak i falę oraz (w innym sensie) jako zjawisko, które nie jest ani cząstką, ani falą (które w rzeczywistości są zjawiskami makroskopowymi, takimi jak baseball lub fale oceanu). Zamiast tego współczesna fizyka postrzega światło jako coś, co czasami można opisać za pomocą matematyki odpowiedniej do jednego typu makroskopowej metafory (cząstek), a czasami innej makroskopowej metafory (fale wodne), ale w rzeczywistości jest to coś, czego w pełni nie można sobie wyobrazić. Podobnie jak w przypadku fal radiowych i promieni rentgenowskich biorących udział w rozpraszaniu Comptona, fizycy zauważyli, że promieniowanie elektromagnetyczne ma tendencję do zachowywania się bardziej jak fala klasyczna przy niższych częstotliwościach, ale bardziej jak klasyczna cząstka przy wyższych częstotliwościach, ale nigdy całkowicie nie traci wszystkiego. cechy jednego lub drugiego. Światło widzialne, które zajmuje średnią częstotliwość, można łatwo wykazać w eksperymentach jako opisywane za pomocą modelu falowego lub cząsteczkowego, a czasem obu.

W lutym 2018 roku naukowcy po raz pierwszy poinformowali o odkryciu nowej formy światła, która może obejmować polarytony , które mogą być przydatne w rozwoju komputerów kwantowych .

Użyj do światła na Ziemi

Światło słoneczne dostarcza energii , którą zielone rośliny wykorzystują do tworzenia cukrów , głównie w postaci skrobi , która uwalnia energię do organizmów żywych, które je trawią. Ten proces fotosyntezy zapewnia praktycznie całą energię zużywaną przez żywe istoty. Niektóre gatunki zwierząt wytwarzają własne światło w procesie zwanym bioluminescencją . Na przykład świetliki używają światła do lokalizowania partnerów, a wampiry kałamarnice używają go do ukrywania się przed zdobyczą.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki

  • Multimedia związane ze światłem w Wikimedia Commons
  • Słownikowa definicja światła w Wikisłowniku
  • Cytaty związane ze Światłem w Wikiquote