Grunnatriði eðlisfræði ljóss
Ljós er eitt af náttúrufyrirbærunum sem tengist mannlífinu hvað nánar. Við þurfum það til að sjá það, nota það í tækni (allt frá myndavélum til ljósleiðara) og rannsaka það til að skilja grundvallarbyggingu alheimsins. Í eðlisfræði er ljós skoðað sem orkuform sem getur breiðst út, haft samskipti við efni og sýnt eiginleika sem stundum virðast bylgjulíkir og stundum agnalíkir . Þessi grein fjallar stuttlega en ítarlega um grunn eðlisfræði ljóss: skilgreiningu þess, bylgjueiginleika, agnaeiginleika, víxlverkun við efni og nokkur notkunarsvið.
1. Hvað er ljós?
Ljós er rafsegulbylgja sem getur breiðst út án miðils. Þetta þýðir að það þarf ekki loft eða önnur „milliefni“ til að ferðast. Þess vegna getur sólarljós náð til jarðar í gegnum nær tómarúm geimsins.
Ljósið sem mannsaugað getur séð kallast sýnilegt ljós, með bylgjulengd frá um það bil 400 nm (fjólublátt) til 700 nm (rautt). Utan þess sviðs eru aðrar rafsegulbylgjur eins og innrauðar, útfjólubláar, örbylgjur, útvarpsbylgjur og röntgengeislar. Allar þessar eru í raun „ættingjar“ ljóssins, aðeins ólíkar að bylgjulengd og orku.
2. Ljós sem rafsegulbylgja
Í rafsegulfræði (sem er mótuð í jöfnum Maxwells) samanstendur ljós af sveiflukenndum raf- og segulsviðum sem eru hornrétt hvort á annað og einnig hornrétt á útbreiðslustefnuna. Þessi bylgjueðli gefur ljósi nokkra mikilvæga eiginleika:
a. Bylgjulengd og tíðni
– Bylgjulengd (λ) er fjarlægðin milli tveggja bylgjutoppanna sem koma hver á fætur annarri.
– Tíðni (f) er fjöldi titrings á sekúndu.
– Báðar tengjast ljóshraða (c) í gegnum jöfnuna:
c = λ f
Í lofttæmi er ljóshraði um það bil 3 × 10⁸ m/s. Þetta gildi er talið einn af grundvallarstuðlum náttúrunnar. Hins vegar, þegar ljós fer inn í miðil eins og vatn eða gler, minnkar hraði þess.
b. Orka og tengsl hennar við tíðni
Þó að í samhengi bylgna sé talað um bylgjulengd og tíðni, Það kemur í ljós að ljósorka er nátengd tíðniÞví hærri sem tíðnin er (því styttri bylgjulengdin), því meiri er orkan.
3. Ljós sem agnir: Ljóseindir
Í byrjun 20. aldar sýndu nokkrar tilraunir að eingöngu bylgjuútskýring væri ófullnægjandi. Þetta leiddi til þeirrar hugmyndar að ljós mætti einnig líta á sem staka orkupakkninga sem kallast ljóseindir. Orka ljóseinda er gefin með:
E = hf
þar sem h er Plancks fasti.
Þessi skoðun er lykilatriði til að útskýra fyrirbæri eins og ljósvirkni, þar sem ljós sem lendir á málmyfirborði veldur því að rafeindir eru kastaðar út. Athyglisvert er að rafeindir eru aðeins kastaðar út ef tíðni ljóssins er nógu há, jafnvel þótt styrkleikinn sé lágur. Þetta bendir til þess að ljósorka komi í „dropum“ (fótónum) frekar en samfelldum straumi eins og ímyndað er í klassíska bylgjulíkaninu.
Að lokum má segja að ljós hafi tvíeðli bylgju og agna: við sumar aðstæður hegðar það sér eins og bylgja og við aðrar sem agna.
4. Samspil ljóss og efnis
Þegar ljós lendir á hlut getur margt gerst: það getur endurkastast, brotnað, gleypt eða smitast. Þessi hegðun er háð eiginleikum efnisins og bylgjulengd ljóssins.
a. Íhugun
Endurspeglun á sér stað þegar ljós endurkastast af yfirborði, eins og spegli. Lögmál endurspeglunar segir:
– Innfallshorn = endurkastshorn
– Innfallsgeislinn, hornlínan og endurkastsgeislinn eru í sama fleti.
Endurspeglun getur verið:
– Reglulegt (spegilkennt): slétt yfirborð eins og spegill, gefur skýra mynd.
– Dreifð ljósgeislun: hrjúf yfirborð eins og pappír endurkastast í ýmsar áttir svo að engir skarpir skuggar myndast.
b. Ljósbrot
Ljósbrot er breyting á stefnu ljóss þegar það fer í gegnum tvö mismunandi efni, til dæmis úr lofti í vatn. Þetta gerist vegna þess að ljóshraði breytist í mismunandi efnum. Ljósbrotsstuðullinn (n) er skilgreindur sem:
n = c / v
þar sem v er ljóshraði í miðlinum.
Ljósbrot skýrir dagleg fyrirbæri: rör virðist beygt þegar það er sett í glas af vatni, eða botn laugar virðist grynnri en hann er í raun og veru.
c. Dreifing
Dreifing er aðskilnaður ljóss í mismunandi liti vegna mismunandi ljósbrots fyrir mismunandi bylgjulengdir. Prismur hafa verið notaðar til að aðskilja hvítt ljós í litróf allt frá tilraunum Newtons. Regnbogar eru einnig afleiðing af dreifingu og ljósbrot Sólin í gegnum vatnsdropa í andrúmsloftinu.
d. Frásog og losun
Hlutir geta tekið í sig ljósorku; þessi orka breytist oft í hita. Aftur á móti geta hlutir einnig gefið frá sér ljós, eins og glóperur eða stjörnur. Á frumeindastigi á sér stað ljósgeislun þegar rafeindir færast úr háu orkustigi í lágt orkustig og gefa frá sér ljóseindir.
5. Ljósskautun
Pólun er eiginleiki sem gefur til kynna stefnu titrings rafsviðsins í ljósbylgju. Náttúrulegt ljós (til dæmis frá sólinni) er venjulega óskautað, sem þýðir að titringsstefna þess er handahófskennd. Hins vegar er hægt að skauta ljós í gegnum pólunarsíu eða með endurkasti við ákveðið horn.
Pólun hefur marga notkunarmöguleika: Polaroid gleraugu draga úr glampa, LCD skjáir nýta sér pólunarregluna og í nútíma eðlisfræði hjálpar pólun við efnisgreiningu og stjörnufræði.
6. Bylgjubylgjur og truflanir: Sönnun fyrir bylgjueðli
Tvö mikilvæg fyrirbæri sem sýna fram á bylgjuhlið ljóss eru:
– Truflun: styrking eða veiking ljóss þegar tvær bylgjur mætast. Til dæmis ljós-myrkurmynstrið í tvírifatilraun Youngs.
– Ljósbrot: beygja ljóss þegar það fer í gegnum þröngt op eða brún hlutar. Þetta skýrir hvers vegna skuggar hafa ekki alltaf fullkomlega skarpar brúnir.
Tvöföld raufartilraunin er fræg fyrir að sýna fram á sterkt truflunarmynstur. Jafnvel þegar ljóseindir eru skotnar út, ein í einu, helst truflunarmynstrið eftir að margar ljóseindir hafa safnast fyrir. Þetta sýnir fram á einstakan skammtafræðilegan eiginleika: ljós er ekki hægt að lýsa eingöngu sem klassískri ögn eða klassískri bylgju.
7. Beiting hugmyndarinnar um ljós í tækni
Skilningur á ljósi leiddi til margra nútíma tækni, til dæmis:
– Linsur og ljósfræði: gleraugu, smásjár, sjónaukar.
– Leysitæki: notað í læknisfræðilegum aðgerðum, iðnaðarskurði, strikamerkjaskönnum, samskiptum og rannsóknum.
– Ljósleiðari: sendir internetgögn með ljósi með litlu tapi í gegnum algjöra innri endurspeglun.
– Myndavélar og skynjarar: CCD/CMOS umbreyta ljóseindir í rafmerki og nýta sér skammtaáhrif.
Tæknin virkar vegna þess að við skiljum hvernig ljós ferðast, hefur samskipti við efni og flytur orku.
Niðurstaða
Ljós er ríkt og grundvallarfyrirbæri í eðlisfræði: það er hraðvirk rafsegulbylgja sem samanstendur af ljóseindum, orkukvantum. Með því að nota hugtökin bylgjulengd, tíðni, ljósbrotsstuðul, endurskin, ljósbrot, truflun, dreifing og skautun getum við útskýrt mörg náttúrufyrirbæri og hannað mikilvæga tækni. Að skilja grundvallar eðlisfræði ljóss þýðir að skilja eitt af grundvallar „tungumálum“ alheimsins - að tengja saman atómskalann, daglegt líf og alheiminn.
Ef þú vilt get ég bætt við myndskreytingum af hugtökunum (t.d. ljósbrotsmyndum, rafsegulrófi eða tvírifstilrauninni) eða búið til vinsælli útgáfu af greininni fyrir nemendur í mið- og framhaldsskóla.
