FÉNY: TÖRTÉNELEM, TERMÉSZET, VISELKEDÉS, TERJEDÉS - FIZIKAI - 2026

A fény egy elektromágneses hullám, amelyet a látás érzékelhet. Ez az elektromágneses spektrum részét képezi: az úgynevezett látható fény. Az évek során különféle elméleteket javasoltak annak természetének magyarázatára.

Például régóta tartották azt a hitet, hogy a fény tárgyak vagy a megfigyelők által kibocsátott részecskeáramból áll. Isaac Newton (1642-1727) osztotta az arabok és az ókori görögök ezt a hitét a fény jelenségeinek magyarázata érdekében.

1. ábra Az ég kék, a napfény szóródásának köszönhetően a légkörben. Forrás: Pixabay.

Noha Newton azt gyanította, hogy a fénynek hullámminősége van, és Christian Huygensnek (1629-1695) sikerült magyarázniuk a refrakciót és a reflexiót hullámelmélettel, a fény részecskének a hála a tudósok körében a 19. század elejéig széles körben elterjedt..

A század hajnalán Thomas Young angol fizikus kétségtelenül bizonyította, hogy a fénysugarak zavarhatják egymást, csakúgy, mint a mechanikus hullámok húrokban.

Ez csak azt jelentette, hogy a fény hullám, és nem részecske, bár 1873-ig James Clerk Maxwell azt állította, hogy a fény elektromágneses hullám volt.

Heinrich Hertz 1887-es kísérleti eredményeinek támogatásával a fény hullám jellegét tudományos tényként állapították meg.

A 20. század elején azonban új bizonyítékok merültek fel a fény corpuscularis természetéről. Ez a természet jelen van az emissziós és abszorpciós jelenségekben, amelyekben a fényenergiát „fotonoknak” nevezett csomagokban szállítják.

Tehát, mivel a fény hullámként terjed és az anyaggal kölcsönhatásba lép, mint egy részecske, a fényben kettős természet van felismerve: hullám-részecske.

A fény jellege

Nyilvánvaló, hogy a fény természete kettős, elektromágneses hullámként terjed, amelynek energiája fotonokban jön be.

Ezeknek a tömegüknek hiánya vákuumban mozog, állandó, 300 000 km / s sebességgel. Ez az ismert fénysebesség vákuumban, de a fény más közegeken is átjuthat, bár eltérő sebességgel.

Amikor a fotonok elérték a szemünket, aktiválódnak a fény jelenlétét érzékelő érzékelők. Az információt továbbítják az agyba, és ott értelmezik.

Amikor egy forrás nagyszámú fotont bocsát ki, akkor fényes forrásnak tekintjük. Ha éppen ellenkezőleg, kevés emissziót bocsát ki, akkor átlátszatlan forrásként értelmezzük. Minden fotonnak van egy bizonyos energiája, amelyet az agy színként értelmez. Például a kék fotonok energikusabbak, mint a piros fotonok.

Bármelyik forrás általában különböző energiájú fotonokat bocsát ki, tehát a színét látja.

Ha semmi más nem bocsát ki fotonokat egyetlen típusú energiával, akkor azt monokróm fénynek nevezzük. A lézer jó példa a monokróm fényre. Végül, a fotonok eloszlását egy forrásban spektrumnak nevezzük.

A hullámot egy bizonyos hullámhossz jellemzi. Mint már említettük, a fény az elektromágneses spektrumhoz tartozik, amely rendkívül széles hullámhossz-tartományt fed le, a rádióhulláktól a gammasugarakig. A következő kép azt mutatja, hogy a fehér fénysugár szétszórja a háromszög alakú prizmát. A fényt hosszú (piros) és rövid (kék) hullámhosszokra osztják.

A közepén a látható spektrumnak nevezett keskeny hullámhossz-sáv található, amely 400 nanométertől (nm) 700 nm-ig terjed.

2. ábra. A látható fény tartományát mutató elektromágneses spektrum. Forrás: Forrás: Wikimedia Commons. Szerző: Horst Frank.

A fény viselkedése

A fény kettős, hullám- és részecske viselkedéssel rendelkezik. A fény ugyanúgy terjed, mint az elektromágneses hullám, és mint ilyen képes energiát szállítani. De amikor a fény kölcsönhatásba lép az anyaggal, úgy viselkedik, mint egy fotonoknak nevezett részecskenyaláb.

4. ábra: Az elektromágneses hullám terjedése. Forrás: Wikimedia Commons. SuperManu.

1802-ben Thomas Young (1773-1829) fizikus kimutatta, hogy a fény hullám viselkedésével rendelkezik a dupla résű kísérlet segítségével.

Ily módon képes volt maximális és minimális zavart kelteni a képernyőn. Ez a viselkedés a hullámokra jellemző, így Young képes volt bebizonyítani, hogy a fény egy hullám, és képes volt megmérni annak hullámhosszát.

A fény másik aspektusa egy részecske, amelyet fotonoknak nevezett energiacsomagok képviselnek, amelyek vákuumban c = 3 x ¹⁰⁸ m / s sebességgel mozognak, és nincs tömegük. De van E energiájuk:

És szintén a lendület:

Ahol h a Planck-állandó, amelynek értéke 6,63 x 10 ^-34 Joule.second és f a frekvenciát a hullám. A kifejezések kombinálása:

És mivel a λ hullámhossz és a frekvencia c = λ.f-rel kapcsolódik, így marad:

Huygens-elv

5. ábra. Hullám elülső és egyenes vonalban terjedő fénysugarak. Forrás: Serway. R. Fizika a tudomány és a technika számára.

A fény viselkedésének tanulmányozásakor két fontos alapelvet kell figyelembe venni: Huygens-elv és Fermat-elv. Huygens elve kimondja, hogy:

Miért gömbhullámok? Ha feltételezzük, hogy a közeg homogén, akkor a pontforrás által kibocsátott fény minden irányba egyenlő mértékben terjed. Elképzelhetjük, hogy a nagy gömb közepén terjedő fény sugárzása egyenletesen van elosztva. Aki ezt a fényt figyeli, azt látja, hogy egyenes vonalban halad a szeméhez, és merőlegesen mozog a hullámfront felé.

Ha a fénysugarak nagyon távoli forrásból származnak, például a Napból, a hullám frontja sík, és a sugarak párhuzamosak. Erről szól a geometriai optika megközelítés.

Fermat elve

A Fermat elve kimondja, hogy:

Ennek az elvnek a neve a francia matematikusnak, Pierre de Fermatnak (1601-1665) köszönhető, aki először 1662-ben alapította meg.

Ezen elv szerint egy homogén közegben a fény állandó sebességgel terjed, ezért egyenletes egyenes vonalú mozgást mutat, és pályája egyenes.

A fény terjedése

A fény úgy mozog, mint egy elektromágneses hullám. Az elektromos és a mágneses mező egyaránt generál egymást, összekapcsolt hullámokból áll, amelyek fázisban vannak, merőlegesek egymásra és a terjedési irányra.

Általában egy űrben terjedő hullám leírható a hullám frontja alapján. Ez azon pontok halmaza, amelyeknek amplitúdója és fázisa azonos. Ha a hullámfront helyét egy adott pillanatban megismerjük, Huygens elve szerint bármely későbbi hely ismert.

fényelhajlás

A hatszögletű rés által diffúzált lézer. Lienzocian

A fény hullám viselkedését egyértelműen két fontos jelenség bizonyítja, amelyek a terjedése során felmerülnek: diffrakció és interferencia. A diffrakció során a hullámok, legyenek a víz, a hang vagy a fény, torzulnak, amikor átmennek a nyílásokon, akadályok körül haladnak, vagy sarkok körül mennek.

Ha a rekesz nagy a hullámhosszhoz képest, akkor a torzítás nem túl nagy, de ha a rekesz kicsi, akkor a hullámforma változása észrevehetőbb. A diffrakció a hullámok kizárólagos tulajdonsága, tehát amikor a fény diffrakciót mutat, tudjuk, hogy a hullám viselkedésével rendelkezik.

Interferencia és polarizáció

A fény interferenciája viszont akkor fordul elő, amikor az azokat alkotó elektromágneses hullámok átfedésben vannak. Ilyenkor vektorileg adják hozzá őket, és ez kétféle interferenciát eredményezhet:

–Konstruktív, ha a kapott hullám intenzitása nagyobb, mint az alkatrészek intenzitása.

–Rombos, ha az intenzitás kisebb, mint az alkatrészeké.

A fényhullám-interferencia akkor fordul elő, amikor a hullámok monokromatikusak, és folyamatosan ugyanazt a fáziskülönbséget tartják fenn. Ezt nevezzük következetességnek. Ilyen fény például lézerből származhat. Az olyan általános források, mint az izzólámpák, nem hoznak koherens fényt, mert az izzószál milliói által kibocsátott fény folyamatosan változik.

De ha egy átlátszatlan árnyékot két, egymáshoz közel elhelyezkedő nyílással helyeznek el ugyanazon az izzón, akkor az egyes nyílásokból kilépő fény koherens forrásként működik.

Végül, amikor az elektromágneses mező rezgései azonos irányban vannak, polarizáció lép fel. A természetes fény nem polarizálódott, mivel sok összetevőből áll, amelyek mindegyike eltérő irányba rezgő.

Young kísérlete

A 19. század elején Thomas Young angol fizikus volt az első, aki koherens fényt kapott egy rendes fényforrással.

Híres kettős hasítású kísérletében átvilágította a fényt egy átlátszatlan képernyő résén. A Huygens-elv szerint két szekunder forrás jön létre, amelyek viszont egy második átlátszatlan szitán haladnak át két résen.

6. ábra. Young kettős hasítású kísérletének animációja. Forrás: Wikimedia Commons.

Az így kapott fény megvilágította a falat egy sötét szobában. A látható volt egy minta, amely váltakozó világos és sötét területeket tartalmazott. Ennek a mintának a meglétét az interferencia fentebb leírt jelensége magyarázza.

Young kísérlete nagyon fontos volt, mert feltárta a fény hullám jellegét. Ezt követően a kísérletet elvégezték olyan alapvető részecskékkel, mint elektronok, neutronok és protonok, hasonló eredményekkel.

A fény jelenségei

Visszaverődés

A fény visszatükröződése a vízben

Amikor a fénysugár felületre ér, a fény egy része visszatükröződik, míg más része elnyelődik. Ha ez egy átlátszó közeg, akkor a fény egy része tovább megy keresztül.

A felület sima is lehet, mint egy tükör, vagy durva és egyenetlen. A sima felületen fellépő reflexiót spekuláris reflexiónak nevezzük, különben diffúz vagy szabálytalan reflexió. Egy erősen polírozott felület, például egy tükör, a visszaeső fény akár 95% -át képes visszatükrözni.

Specular reflexió

Az ábra egy közegben, amely lehet levegő, áthaladó fény sugara. Esik spec ₁ szögben egy sík szemüvegfelületre, és visszatükröződik θ ₂ szögben. A normálnak jelölt vonal merőleges a felületre.

A beesési szög megegyezik a visszaverődés szögével. Forrás: Serway. R. Fizika a tudomány és a technika számára.

Mind a beesés, mind a visszatükröző sugár, mind a szemüveg felületéhez viszonyítva a normál síkban vannak. Az ókori görögök már megfigyelték, hogy a beesési szög megegyezik a visszaverődés szögével:

Ez a matematikai kifejezés a fényvisszaverés törvénye. Más hullámok, például hang, szintén képesek visszaverődésre.

A legtöbb felület durva, ezért a fényvisszaverődés diffúz. Ily módon az általuk tükrözött fény minden irányba eljut, így a tárgyak bárhonnan láthatók.

Mivel egyes hullámhosszok jobban tükröződnek, mint mások, az objektumok különböző színűek.

Például a fák levelei tükrözik a fényt, amely megközelítőleg a látható spektrum közepén van, amely megfelel a zöld színnek. A látható hullámhosszok többi része abszorbeálódik: az ultraibolya-tól a kékhez (350-450 nm) és a vörös fényig (650-700 nm).

Fénytörés

Refrakciós jelenség. Josell7

A fény refrakciója azért fordul elő, mert a fény a közegtől függően különböző sebességgel halad. Vákuumban a fény sebessége c = 3 x ¹⁰⁸ m / s, de amikor a fény eléri az anyagközeget, akkor abszorpciós és emissziós folyamatok lépnek fel, amelyek csökkentik az energiát, és ezzel együtt a sebességet.

Például, ha a levegőben mozog, a fény szinte azonos sebességgel halad a c-vel, de a vízben a fény c háromnegyedén, míg az üvegben kb. C kétharmadán halad.

Törésmutató

A törésmutatót n jelölik, és a c vákuumban levő fénysebesség és az említett közeg sebességének hányadosaként határozzák meg:

A törésmutató mindig nagyobb, mint 1, mivel a fénysebesség vákuumban mindig nagyobb, mint egy anyagra. Néhány tipikus n érték a következő:

-Air: 1.0003

-Víz: 1,33

-Üveg: 1.5

-Diamond: 2,42

Snell törvénye

Amikor a fénysugár ferdén eléri a két közeg, például a levegő és az üveg közötti határt, a fény egy része visszatükröződik, és egy másik rész folytatja az üveget.

Ebben az esetben a hullámhossz és a sebesség változik, amikor az egyik közegről a másikra halad, de a frekvencia nem. Mivel v = c / n = λ.f és vákuumban is c = λo. f, akkor van:

Vagyis egy adott közegben a hullámhossz mindig kisebb, mint a λo vákuumban levő hullámhossz.

8. ábra. Snell törvénye. Forrás: Bal oldali ábra: a fénytörés diagramja. Rex, A. A fizika alapjai. Jobb ábra: Wikimedia Commons. Josell7.

Vegye figyelembe azokat a háromszögeket, amelyek vörös színű, közös hypotenusával rendelkeznek. Mindegyik közegben a hipoténus λ ₁ / sin θ ₁ és λ ₂ / sin θ ₂, mivel λ és v arányosak, tehát:

Mivel λ = λ _o / n:

A következőképpen fejezhető ki:

Ez a Snell-törvény formulája a holland matematikus, Willebrord Snell (1580-1626) tiszteletére, aki azt kísérletileg származtatta, a levegőből a vízbe és az üvegbe jutó fény megfigyelésével.

Alternatív megoldásként a Snell törvényét az egyes közegek fénysebessége alapján írják le, felhasználva a törésmutató meghatározását: n = c / v:

szórás

A fentiek szerint a fény különböző energiájú fotonokból áll, és minden energiát színként érzékelnek. A fehér fény minden energia fotonjait tartalmazza, ezért különféle színű fényekre bontható. Ez a fény szórása, amelyet Newton már megvizsgált.

A csepp víz a légkörben úgy viselkedik, mint apró prizmák. Forrás: Pixabay.

Newton egy optikai prizmát vett át, fehér fénynyalábot hajtott át rajta, és színes csíkokat kaptunk, vörös és lila között. Ez a béren kívüli látható fény spektruma a 2. ábrán látható.

A fény szórása természetes jelenség, amelynek szépségét csodáljuk az égen, amikor a szivárvány kialakul. A napfény a légkörben lévő vízcseppekre esik, amelyek úgy viselkednek, mint egy apró Newton-szerű prizma, így szétszórva a fényt.

A kék szín, amellyel látjuk az eget, szintén a diszperzió következménye. Gazdag nitrogénben és oxigénnel a légkör elsősorban a kék és ibolya árnyalatát szórja, de az emberi szem érzékenyebb a kékre, ezért látjuk ennek a színnek az eget.

Amikor a Nap alacsonyabban van a láthatáron, napkelte vagy napnyugtakor, az ég narancssárgára válik, köszönhetően annak, hogy a fénysugaraknak át kell haladniuk a légkör vastagabb rétegén. Az alacsonyabb frekvenciák vöröses hangjai kevésbé kölcsönhatásba lépnek a légkör elemeivel, és kihasználják a közvetlen felület elérését.

A porban és szennyeződésben gazdag légkörben, például néhány nagyvárosban, szürkés égbolt van az alacsony frekvenciák szóródása miatt.

Elméletek a fényről

A fényt elsősorban részecskének vagy hullámnak tekintik. A corpuscularis elmélet, amelyet Newton megvédt, a fényt részecskenyalábnak tekintette. Míg a reflexiót és a refrakciót meg lehet magyarázni úgy, hogy feltételezzük, hogy a fény hullám, amint Huygens állította.

De jóval azelőtt, hogy ezek a figyelemre méltó tudósok az emberek már spekuláltak a fény természetéről. Közülük a görög filozófus, Arisztotelész sem lehetett hiánya. Íme egy rövid összefoglaló a fény elméleteiről az idő múlásával:

Arisztotelészi elmélet

2500 évvel ezelőtt Arisztotelész azt állította, hogy a fény kilép a megfigyelő szeméből, megvilágított tárgyakból, és valamilyen módon visszatér a képpel, hogy az ember megértse.

Newton corpuscular elmélete

Newton azt hitte, hogy a fény apró részecskékből áll, amelyek minden irányban egyenes vonalban terjednek. Amikor elérték a szemet, regisztrálják az érzést mint fényt.

Huygens hullámelmélet

Huygens megjelent egy traktát fényről című munkát, amelyben azt javasolta, hogy ez a közeg zavara, hasonló a hanghullámokhoz.

Maxwell elektromágneses elmélete

Bár a kettős résű kísérlet nem hagyott kétséget a fény hullám jellegében, a tizenkilencedik század nagy részében spekuláció történt a hullám típusáról, amíg Maxwell elektromágneses elméletében kijelentette, hogy a fény a elektromágneses mező terjedése.

A fény mint elektromágneses hullám magyarázza a fény terjedési jelenségeit az előző szakaszokban leírtak szerint, és egy olyan koncepció, amelyet a jelenlegi fizika elfogad, mint a fény corpuscularis jellege.

Einstein corpuscular elmélete

A fény modern elképzelése szerint tömeg nélküli és nem töltött részecskékből áll, amelyeket fotonoknak hívnak. Annak ellenére, hogy nincs tömegük, lendületük és energiájuk van, amint azt a fentiekben kifejtettük. Ez az elmélet az energia diszkrét (kvantált) mennyiségekben történő cseréjével sikeresen magyarázza az anyag kölcsönhatásának az anyaggal való kölcsönhatásának módját.

A fénykvantumok létezését Albert Einstein javasolta, hogy magyarázza a fotoelektromos hatást, amelyet Heinrich Hertz fedezett fel néhány évvel korábban. A fotoelektromos hatás egy olyan anyag elektron kibocsátása, amely valamilyen típusú elektromágneses sugárzást szenvedett, szinte mindig az ultraibolya és a látható fény között.

Irodalom

1. Figueroa, D. (2005). Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 7. kötet. Hullámok és kvantumfizika. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB).
2. Fizikus. A fény elméletei. Helyreállítva: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. 6.. Ed Prentice Hall.
4. Hullám mozgás. Fermat elve. Helyreállítva: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. A fizika alapjai. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fizika. Santillana Hypertext.
7. Serway, R. 2019. Fizika a tudomány és a technika számára. 10.. Kiadás. 2. kötet. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Bevezetés a fizikai tudományhoz. Tizenkettedik kiadás. Brooks / Cole, Cengage kiadások.
9. Wikipedia. Fény. Helyreállítva: es.wikipedia.org.