גרונטלעכע פיזיק פון ליכט
ליכט איז איינע פון די נאַטירלעכע דערשיינונגען וואָס זענען מערסט פֿאַרבונדן מיט מענטשלעך לעבן. מיר דאַרפֿן עס צו זען, נוצן עס פֿאַר טעכנאָלאָגיע (פֿון קאַמעראַס ביז פֿיבער אָפּטיק), און שטודירן עס צו פֿאַרשטיין די גרונטלעכע סטרוקטור פֿון דער אוניווערס. אין פֿיזיק, ווערט ליכט באַטראַכט ווי אַ פֿאָרעם פֿון ענערגיע וואָס קען זיך פֿאַרשפּרייטן, אינטעראַקטירן מיט מאַטעריע, און ווײַזן אייגנשאַפֿטן וואָס מאַנטשמאָל דערשייַנען כוואַליע-ווי און מאַנטשמאָל טיילכעל-ווי. דער אַרטיקל באַהאַנדלט קורץ אָבער קאָמפּרעהענסיוו די גרונטלעכע פֿיזיק פֿון ליכט: זײַן דעפֿיניציע, כוואַליע-אייגנשפֿטן, טיילכעל-אייגנשפֿטן, אינטעראַקציעס מיט מאַטעריע, און עטלעכע אַפּליקאַציעס.
1. וואָס איז ליכט?
פיזיש, איז ליכט אן עלעקטראמאגנעטישע כוואליע וואס קען זיך פארשפרייטן אן א מיטל. דאס מיינט אז עס דארף נישט קיין לופט אדער קיין אנדערע "צווישן-מאטעריאל" צו פארן. דאס איז פארוואס זונשייַן קען דערגרייכן די ערד דורך דעם כמעט-וואקוום פון ספעיס.
דאס ליכט וואס מען קען זען מיטן מענטשלעכן אויג ווערט גערופן זעבאר ליכט, מיט כוואַליע-לענג פון בערך 400 נאַנאָמעטער (וויאָלעט) ביז 700 נאַנאָמעטער (רויט). אַרויס פון דעם קייט, זענען דאָ אַנדערע עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליעס ווי אינפֿראַרויט, אולטראַוויאָלעט, מיקראָוועוון, ראַדיאָ און X-שטראַלן. אַלע פון די זענען אין פאַקט "קרובים" פון ליכט, וואָס אַנדערשן זיך נאָר אין כוואַליע-לענג און ענערגיע.
2. ליכט ווי אַן עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליע
אין עלעקטראָמאַגנעטישע טעאָריע (פאָרמולירט אין מאַקסוועל'ס גלייכונגען), באַשטייט ליכט פון אָסצילירנדיקע עלעקטרישע און מאַגנעטישע פעלדער וואָס זענען פּערפּענדיקולאַר צו יעדן אַנדערן און אויך פּערפּענדיקולאַר צו דער ריכטונג פון פאַרשפּרייטונג. די כוואַליע נאַטור גיט ליכט עטלעכע וויכטיקע כאַראַקטעריסטיקס:
א. כוואַליע לענג און אָפטקייט
– כוואַליע לענג (λ) איז די דיסטאַנץ צווישן צוויי קאָנסעקוטיווע כוואַליע קאַסטן.
– פרעקווענץ (f) איז די צאָל ווייבריישאַנז פּער סעקונדע.
– ביידע זענען פארבונדן מיט דער שנעלקייט פון ליכט (c) דורך דער גלייכונג:
c = λ f
אין א וואַקוום, איז די גיכקייט פון ליכט בערך 3 × 10⁸ מעטער/סעקונדע. די ווערט ווערט באַטראַכט ווי איינער פון די יסודות'דיגע קאָנסטאַנטן פון נאַטור. אָבער, ווען ליכט גייט אַרײַן אין אַ מיטל ווי וואַסער אָדער גלאָז, פאַרקלענערט זיך איר גיכקייט.
ב. ענערגיע און איר באַציִונג צו פֿרעקווענץ
כאָטש מיר רעדן וועגן כוואַליע-לענג און פרעקווענץ אין דעם קאָנטעקסט פון כוואַליעס, איז ליכט-ענערגיע ענג פֿאַרבונדן מיט פרעקווענץ. ווי העכער די פרעקווענץ (ווי קירצער די כוואַליע-לענג), אַלץ גרעסער די ענערגיע.
3. ליכט ווי טיילכלעך: פאָטאָנען
אין די פריע 20סטע יארהונדערט, האבן עטלעכע עקספערימענטן געוויזן אז א ריין כוואליע דערקלערונג איז נישט גענוג. דאס האט געפירט צום קאנצעפט אז ליכט קען אויך געזען ווערן ווי באזונדערע פעקלעך פון ענערגיע גערופן פאטאנען. די ענערגיע פון א פאטאן ווערט געגעבן דורך:
E = hf
וואו h איז פּלאַנק'ס קאָנסטאַנט.
די מיינונג איז קריטיש וויכטיג צו דערקלערן פענאמענען ווי דער פאטאעלעקטרישער עפעקט, וואו ליכט וואס שלאגט אויף א מעטאלענע אויבערפלאך ברענגט ארויס עלעקטראנען. אינטערעסאנט, עלעקטראנען ווערן נאר ארויסגעווארפן אויב די ליכט'ס פרעקווענץ איז הויך גענוג, אפילו אויב די אינטענסיטעט איז נידעריג. דאס ווייזט אז ליכט ענערגיע קומט אין "טראפלעטן" (פאטאנען), אנשטאט א קאנטינעווערליכן שטראם ווי מען שטעלט זיך פאר אין דעם קלאסישן כוואליע מאדעל.
אין מסקנא, ליכט האט כוואַליע-טיילכעל דואַליטעט: אונטער געוויסע באדינגונגען פירט עס זיך אויף ווי אַ כוואַליע, און אונטער אַנדערע באדינגונגען ווי אַ טיילכעל.
4. אינטעראַקציע פֿון ליכט מיט מאַטעריע
ווען ליכט טרעפט אן אביעקט, קענען פארשידענע זאכן פאסירן: עס קען ווערן רעפלעקטירט, רעפראקטירט, אבסארבירט, אדער טראנסמיטירט. דאס אויפפירונג ווענדט זיך אין די אייגנשאפטן פון דעם מאטעריאל און די כוואליע-לענג פון ליכט.
א. רעפלעקציע
רעפלעקציע פאסירט ווען ליכט שפרינגט אפ פון אן אויבערפלאך, ווי למשל א שפיגל. דער געזעץ פון רעפלעקציע זאגט:
– ווינקל פון אינצידענץ = ווינקל פון אָפּשפּיגלונג
– דער אינצידענט־שטראַל, נאָרמאַלע ליניע, און רעפלעקטירטער שטראַל זענען אין דער זעלבער פלאַך.
רעפלעקציע קען זיין:
– רעגולער (שפּעקולאַר): גלאַטע ייבערפלאַך ווי אַ שפּיגל, פּראָדוצירט אַ קלאָר בילד.
– דיפיוז: גראָבע ייבערפלאַכן ווי פּאַפּיר, רעפלעקטירן אין פֿאַרשידענע ריכטונגען אַזוי אַז קיין שאַרפע שאָטנס זאָלן נישט געשאַפן ווערן.
ב. רעפראַקציע
רעפראקציע איז די ענדערונג אין ריכטונג פון ליכט ווען עס גייט אדורך צוויי פארשידענע מעדיע, למשל פון לופט צו וואסער. דאס פאסירט ווייל די שנעלקייט פון ליכט ענדערט זיך אין די פארשידענע מעדיע. דער רעפראקטיווער אינדעקס (n) ווערט דעפינירט אלס:
n = c / v
וואו v איז די שנעלקייט פון ליכט אין דעם מיטל.
רעפראַקציע דערקלערט וואָכעדיקע דערשיינונגען: אַ שטרוי זעט אויס געבויגן ווען מען לייגט עס אין אַ גלאָז וואַסער, אָדער דער דנאָ פון אַ בעקן זעט אויס פלאַך ווי עס איז טאַקע.
ג. צעשפּרייטונג
צעשפרייטונג איז די צעטיילונג פון ליכט אין פארשידענע פארבן צוליב אונטערשיידן אין רעפרעקציע פאר פארשידענע וועוולענגטס. פריזמעס האבן צעטיילט ווייס ליכט אין א ספעקטרום פון פארבן זינט ניוטאן'ס עקספערימענטן. רעגנבויגנס זענען אויך דער רעזולטאט פון דער צעשפרייטונג און רעפרעקציע פון זונשייַן דורך וואסער טראפלעך אין דער אטמאספערע.
ד. אַבזאָרפּציע און עמיסיע
אביעקטן קענען אבזארבירן א געוויסע ליכט-ענערגיע; די ענערגיע ווערט אפט פארוואנדלט אין היץ. פארקערט, אביעקטן קענען אויך ארויסשטראלן (שטראלן) ליכט, ווי למשל גלייכבארבלעך אדער שטערן. אויף אן אטאמישער פארנעם, פאסירט אויסשטראלונג ווען עלעקטראנען באוועגן זיך פון א הויכן צו א נידעריגן ענערגיע-לעוועל און לאזן ארויס פאטאנען.
5. ליכט פּאָלאַריזאַציע
פּאָלאַריזאַציע איז אַן אייגנשאַפט וואָס ווײַזט די ריכטונג פון ווייבריישאַן פון דעם עלעקטרישן פעלד אין אַ ליכט כוואַליע. נאַטירלעך ליכט (למשל, פון דער זון) איז געוויינטלעך נישט פּאָלאַריזירט, דאָס מיינט אַז זײַן ווייבריישאַן ריכטונג איז צופֿעליק. אָבער, ליכט קען ווערן פּאָלאַריזירט דורך אַ פּאָלאַריזירנדיקן פילטער אָדער דורך אָפּשפּיגלונג אין אַ ספּעציפֿישן ווינקל.
פּאָלאַריזאַציע האט פילע אַפּליקאַציעס: פּאָלאַרויד ברילן רעדוצירן בליץ, LCD סקרינז נוצן דעם פּרינציפּ פון פּאָלאַריזאַציע, און אין מאָדערנער פיזיק העלפט פּאָלאַריזאַציע אין מאַטעריאַל אַנאַליז און אַסטראָנאָמיע.
6. דיפראַקציע און ינטערפיראַנס: באַווייַז פון דער כוואַליע נאַטור
צוויי וויכטיגע דערשיינונגען וואָס דעמאָנסטרירן די כוואַליע זײַט פֿון ליכט זענען:
– אריינמישונג: די פארשטארקונג אדער שוואכונג פון ליכט ווען צוויי כוואליעס טרעפן זיך. למשל, די ליכט-פינסטער מוסטער אין יאנג'ס טאָפּל-שפּאַלט עקספּערימענט.
– דיפראַקציע: די בייגן פון ליכט ווען עס גייט דורך אַ שמאָלע עפענונג אָדער דעם ראַנד פון אַן אָביעקט. דאָס דערקלערט פאַרוואָס שאָטנס האָבן נישט שטענדיק גאָר שאַרף ברעגן.
דער טאָפּל-שפּאַלט עקספּערימענט איז באַרימט פֿאַר דעמאָנסטרירן אַ שטאַרקע ינטערפֿערענץ מוסטער. אפילו ווען פֿאָטאָנען ווערן געשאָסן איינס נאָכן אַנדערן, בלייבט דער ינטערפֿערענץ מוסטער נאָך דעם ווי פֿיל פֿאָטאָנען האָבן זיך אָנגעזאַמלט. דאָס דעמאָנסטרירט אַ יינציקע קוואַנטום אייגנשאַפֿט: ליכט קען נישט ווערן באַשריבן בלויז ווי אַ קלאַסישע טיילכעל אָדער אַ קלאַסישע כוואַליע.
7. אנווענדונג פון דעם באַגריף פון ליכט אין טעכנאָלאָגיע
פֿאַרשטיין ליכט האָט געגעבן געבורט צו אַ סך מאָדערנע טעכנאָלאָגיעס, למשל:
– לינזן און אָפּטיק: ברילן, מיקראָסקאָפּן, טעלעסקאָפּן.
– לאַזער: גענוצט אין מעדיצינישע אָפּעראַציעס, אינדוסטריעל שניידן, באַרקאָד סקאַנערס, קאָמוניקאַציע און פאָרשונג.
– אָפּטישע פֿאַזער: שיקט אינטערנעט דאַטן ניצנדיק ליכט מיט נידעריקן פֿאַרלוסט דורך גאַנץ אינערלעכער אָפּשפּיגלונג.
– קאַמעראַס און סענסאָרן: CCD/CMOS קאָנווערטירן פאָטאָנען אין עלעקטרישע סיגנאַלן, אויסנוצנדיק קוואַנטום עפֿעקטן.
די טעכנאָלאָגיע אַרבעט ווײַל מיר פֿאַרשטייען ווי ליכט פֿאָרט, אינטעראַקטירט מיט מאַטעריאַלן און טראָגט ענערגיע.
קעסימפּולאַן
ליכט איז אַ רייך און פונדאַמענטאַל דערשיינונג אין פיזיק: עס איז אַ שנעל-באַוועגלעכע עלעקטראָמאַגנעטישע כוואַליע צוזאַמענגעשטעלט פון פאָטאָנען, קוואַנטן פון ענערגיע. ניצנדיק די קאָנצעפּטן פון כוואַליע-לענג, אָפטקייט, רעפראַקטיוו אינדעקס, רעפלעקציע, רעפראַקציע, ינטערפיראַנס, דיפראַקציע און פּאָלאַריזאַציע, קענען מיר דערקלערן פילע נאַטירלעכע דערשיינונגען און פּלאַנירן וויכטיקע טעכנאָלאָגיעס. פֿאַרשטיין די פונדאַמענטאַלע פיזיק פון ליכט מיינט פֿאַרשטיין איינע פון די פונדאַמענטאַלע "שפּראַכן" פון דער אוניווערס - פֿאַרבינדן די אַטאָמישע וואָג, וואָכעדיק לעבן און דעם קאָסמאָס.
אויב איר ווילט, קען איך צולייגן אילוסטראציעס פון די קאנצעפטן (למשל, רעפראקציע דיאגראמען, דעם עלעקטראמאגנעטישן ספּעקטרום, אדער דער טאָפּלט-שפּאַלט עקספּערימענט) אדער שאַפֿן אַ מער פּאָפּולערע ווערסיע פֿון דעם אַרטיקל פֿאַר מיטלשול/הויכשול סטודענטן.
