Гэрлийн үндсэн физик
Гэрэл бол хүний амьдралтай хамгийн нягт холбоотой байгалийн үзэгдлүүдийн нэг юм. Бид үүнийг харах, технологид ашиглах (камераас эхлээд шилэн кабелиар), мөн орчлон ертөнцийн үндсэн бүтцийг ойлгохын тулд судлахад хэрэгтэй. Физикийн хувьд гэрлийг тархах, материтай харилцан үйлчлэлцэх, заримдаа долгионтой төстэй, заримдаа бөөмтэй төстэй шинж чанарыг харуулах чадвартай энергийн хэлбэр гэж үздэг . Энэ нийтлэлд гэрлийн үндсэн физикийг товч боловч цогцоор нь авч үзэх болно: түүний тодорхойлолт, долгионы шинж чанар, бөөмийн шинж чанар, материтай харилцан үйлчлэл, зарим хэрэглээ.
1. Гэрэл гэж юу вэ?
Физикийн хувьд гэрэл бол ямар ч орчингүйгээр тархах боломжтой цахилгаан соронзон долгион юм. Энэ нь агаар эсвэл бусад "зуучлагч бодис"-ыг дамжуулах шаардлагагүй гэсэн үг юм. Ийм учраас нарны гэрэл сансрын бараг вакуум замаар Дэлхийд хүрч чаддаг.
Хүний нүдээр харж болох гэрлийг харагдах гэрэл гэж нэрлэдэг бөгөөд долгионы урт нь ойролцоогоор 400 нм (нил ягаан)-аас 700 нм (улаан) хүртэл хэлбэлздэг. Энэ хүрээнээс гадна хэт улаан туяаны, хэт ягаан туяаны, богино долгионы, радио, рентген туяа зэрэг бусад цахилгаан соронзон долгионууд байдаг . Эдгээр нь бүгд үнэндээ гэрлийн "хамаатан" бөгөөд зөвхөн долгионы урт болон энергиэрээ ялгаатай байдаг.
2. Цахилгаан соронзон долгион хэлбэрээр гэрэл
Цахилгаан соронзон онолд (Максвеллийн тэгшитгэлээр томъёолсон) гэрэл нь бие биетэйгээ перпендикуляр бөгөөд тархалтын чиглэлтэй перпендикуляр байрладаг хэлбэлзэлтэй цахилгаан ба соронзон орноос бүрдэнэ. Энэхүү долгионы шинж чанар нь гэрэлд хэд хэдэн чухал шинж чанарыг өгдөг:
а. Долгионы урт ба давтамж
– Долгионы урт (λ) нь дараалсан хоёр долгионы оргилын хоорондох зай юм.
– Давтамж (f) нь секундэд хэлбэлзэж буй чичиргээний тоо юм.
– Хоёулаа гэрлийн хурдтай (c) дараах тэгшитгэлээр холбогддог:
c = λ f
Вакуум орчинд гэрлийн хурд ойролцоогоор 3 × 10⁸ м/с байдаг. Энэ утгыг байгалийн үндсэн тогтмолуудын нэг гэж үздэг. Гэсэн хэдий ч гэрэл ус эсвэл шил гэх мэт орчинд ороход түүний хурд буурдаг.
b. Энерги ба түүний давтамжтай хамаарал
Хэдийгээр долгионы тухайд бид долгионы урт болон давтамжийн тухай ярьдаг ч, Гэрлийн энерги нь давтамжтай нягт холбоотой болох нь харагдаж байнаДавтамж өндөр байх тусам (долгионы урт богино байх тусам) энерги их байна.
3. Бөөмс шиг гэрэл: Фотонууд
20-р зууны эхэн үед хэд хэдэн туршилтаар цэвэр долгионы тайлбар хангалтгүй болохыг харуулсан. Энэ нь гэрлийг фотон гэж нэрлэгддэг энергийн салангид багц гэж үзэж болно гэсэн ойлголтод хүргэсэн. Фотоны энергийг дараах байдлаар илэрхийлнэ.
E = hf
энд h нь Планкийн тогтмол юм.
Энэ үзэл бодол нь фотоэлектрик эффект гэх мэт үзэгдлийг тайлбарлахад чухал ач холбогдолтой бөгөөд энэ нь металл гадаргуу дээр гэрэл тусах нь электронуудыг гаргахад хүргэдэг. Сонирхолтой нь, электронууд нь гэрлийн давтамж хангалттай өндөр байх үед, тэр ч байтугай эрчим бага байсан ч гэсэн хаягддаг. Энэ нь гэрлийн энерги нь сонгодог долгионы загварт төсөөлдөг шиг тасралтгүй урсгал биш харин "дусал" (фотон) хэлбэрээр ирдэг болохыг харуулж байна.
Дүгнэж хэлэхэд, гэрэл нь долгион-бөөмийн хоёрдмол чанартай байдаг: зарим нөхцөлд энэ нь долгион шиг, бусад нөхцөлд бөөм шиг ажилладаг.
4. Гэрлийн материтай харилцан үйлчлэл
Гэрэл объекттой тулгарах үед хэд хэдэн зүйл тохиолдож болно: энэ нь ойх, хугарах, шингээх эсвэл дамжуулах боломжтой. Энэ зан төлөв нь материалын шинж чанар болон гэрлийн долгионы уртаас хамаарна.
а. Эргэцүүлэл
Гэрэл толь гэх мэт гадаргуугаас ойх үед тусгал үүсдэг. Ойлтын хуульд дараахь зүйлийг заасан байдаг.
– Тусах өнцөг = ойлтын өнцөг
– Туссан туяа, хэвийн шугам болон ойсон туяа нь нэг хавтгайд байна.
Эргэцүүлэл нь дараахь байдалтай байж болно.
– Ердийн (тодруулга): толь шиг гөлгөр гадаргуутай, тодорхой дүрс гаргадаг.
– Сарнисан: цаас шиг барзгар гадаргуу нь янз бүрийн чиглэлд ойдог тул хурц сүүдэр үүсэхгүй.
б. Хугарал
Хугарал гэдэг нь гэрлийн чиглэл хоёр өөр орчинд, жишээлбэл, агаараас ус руу дамжин өнгөрөх үед өөрчлөгдөхийг хэлнэ. Энэ нь гэрлийн хурд өөр өөр орчинд өөрчлөгддөгтэй холбоотой юм. Хугарлын индекс (n)-ийг дараах байдлаар тодорхойлно.
n = c / v
энд v нь орчин дахь гэрлийн хурд юм.
Хугарал нь өдөр тутмын үзэгдлийг тайлбарладаг: сүрэл нь аяга усанд хийхэд нугарсан мэт санагдах эсвэл усан сангийн ёроол нь бодит байдлаасаа илүү гүехэн мэт санагддаг.
в. Тархалт
Тархалт гэдэг нь өөр өөр долгионы уртын хугарлын зөрүүгээс болж гэрлийг өөр өөр өнгөөр ялгах явдал юм. Ньютоны туршилтаас хойш цагаан гэрлийг өнгөний спектр болгон ялгахад призмийг ашиглаж ирсэн. Солонго нь мөн тархалтын үр дүн юм. гэрлийн хугарал Агаар мандал дахь усны дуслуудаар нарны туяа.
d. Шингээлт ба ялгаруулалт
Объектууд гэрлийн энергийн зарим хэсгийг шингээж чаддаг; энэ энерги нь ихэвчлэн дулаан болж хувирдаг. Үүний эсрэгээр, объектууд улайсдаг чийдэн эсвэл од гэх мэт гэрэл ялгаруулж (цацаруулж) чаддаг. Атомын хэмжээнд электронууд өндөр энергийн түвшингээс бага энергийн түвшин рүү шилжиж, фотон ялгаруулах үед ялгаралт үүсдэг.
5. Гэрлийн туйлшрал
Туйлшрал гэдэг нь гэрлийн долгион дахь цахилгаан орны чичиргээний чиглэлийг заадаг шинж чанар юм. Байгалийн гэрэл (жишээлбэл, Нарнаас) ихэвчлэн туйлшраагүй байдаг бөгөөд энэ нь түүний чичиргээний чиглэл санамсаргүй байдаг гэсэн үг юм. Гэсэн хэдий ч гэрлийг туйлшруулагч шүүлтүүрээр дамжуулан эсвэл тодорхой өнцгөөр ойх замаар туйлшруулж болно.
Туйлшрал нь олон төрлийн хэрэглээтэй: Полароид шил нь хурц гэрлийг бууруулдаг, LCD дэлгэц нь туйлшралын зарчмыг ашигладаг бөгөөд орчин үеийн физикт туйлшрал нь материалын шинжилгээ болон одон орон судлалд тусалдаг.
6. Дифракци ба интерференц: Долгионы мөн чанарын нотолгоо
Гэрлийн долгионы талыг харуулсан хоёр чухал үзэгдэл нь:
– Интерференц: хоёр долгион уулзах үед гэрлийн хүчжих эсвэл сулрах. Жишээлбэл, Янгийн давхар завсартай туршилтын гэрэл-харанхуйн хэв маяг.
– Дифракци: гэрэл нь объектын нарийн нүх эсвэл ирмэгээр дамжин өнгөрөх үед нугалах үйл явц. Энэ нь яагаад сүүдэр үргэлж төгс хурц ирмэгтэй байдаггүйг тайлбарладаг.
Давхар завсарлагатай туршилт нь хүчтэй интерференцийн хэв маягийг харуулснаараа алдартай. Фотонуудыг нэг нэгээр нь асаасан ч олон фотон хуримтлагдсаны дараа интерференцийн хэв маяг үргэлжилсээр байдаг. Энэ нь өвөрмөц квант шинж чанарыг харуулж байна: гэрлийг зөвхөн сонгодог бөөм эсвэл сонгодог долгион гэж тодорхойлж болохгүй.
7. Гэрлийн тухай ойлголтыг технологид хэрэглэх нь
Гэрлийг ойлгох нь орчин үеийн олон технологийг бий болгосон, жишээлбэл:
– Линз ба оптик: нүдний шил, микроскоп, дуран.
– Лазер: эмнэлгийн үйл ажиллагаа, үйлдвэрлэлийн зүсэлт, бар код сканнер, харилцаа холбоо, судалгаанд ашиглагддаг.
– Оптик шилэн кабель: нийт дотоод ойлтын тусламжтайгаар бага алдагдалтай гэрлийг ашиглан интернетийн өгөгдлийг илгээдэг.
– Камер ба мэдрэгч: CCD/CMOS нь квант эффектийг ашиглан фотонуудыг цахилгаан дохио болгон хувиргадаг.
Энэ технологи нь гэрэл хэрхэн тархдаг, материалуудтай хэрхэн харилцан үйлчилдэг, энерги зөөдөг болохыг бид ойлгодог учраас ажилладаг.
Дүгнэлт
Гэрэл бол физикийн баялаг бөгөөд үндсэн үзэгдэл юм: энэ нь фотон, энергийн квантаас бүрдсэн хурдан хөдөлдөг цахилгаан соронзон долгион юм. Долгионы урт, давтамж, хугарлын индекс, ойлт, хугарал, интерференц, дифракци, туйлшрал гэсэн ойлголтуудыг ашиглан бид олон байгалийн үзэгдлийг тайлбарлаж, чухал технологийг зохион бүтээж чадна. Гэрлийн үндсэн физикийг ойлгох нь орчлон ертөнцийн үндсэн "хэл"-үүдийн нэгийг ойлгох гэсэн үг бөгөөд атомын хэмжээс, өдөр тутмын амьдрал, сансар огторгуйг холбодог.
Хэрэв та хүсвэл би эдгээр ойлголтуудын жишээг нэмж болно (жишээлбэл, хугарлын диаграмм, цахилгаан соронзон спектр эсвэл давхар завсарлагатай туршилт) эсвэл дунд/ахлах сургуулийн сурагчдад зориулсан нийтлэлийн илүү түгээмэл хувилбарыг бүтээж болно.
