Ușoară
Această intrare sau secțiune despre știință nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Termenul lumină (din latinescul lux ) se referă la porțiunea spectrului electromagnetic vizibilă ochiului uman, între 400 și 700 nanometri în lungime de undă , adică între 790 și Frecvența 434 THz . Acest interval coincide cu centrul regiunii spectrale a luminii emise de Soare care reușește să ajungă la sol prin atmosferă . Limitele spectrului vizibile ochiului uman nu sunt aceleași pentru toți oamenii, dar variază subiectiv și pot ajunge la 720 nanometri, apropiindu-se de infraroșu , și la 380 nanometri apropiindu-se de ultraviolete . Prezența simultană a tuturor lungimilor de undă vizibile, în cantități proporționale cu cele ale razelor solare, formează lumină albă .
Lumina, ca toate undele electromagnetice , interacționează cu materia. Fenomenele care afectează sau împiedică cel mai frecvent transmiterea luminii prin material sunt: absorbția , difuzia (împrăștierea), reflexia speculară sau difuză , refracția și difracția . Reflecția difuză de pe suprafețe, singură sau combinată cu absorbția , este principalul mecanism prin care obiectele se dezvăluie ochilor noștri, în timp ce difuzia de către atmosferă este responsabilă pentru strălucirea cerului .
Deși în electromagnetismul clasic lumina este descrisă ca o undă, apariția mecanicii cuantice la începutul secolului al XX-lea a făcut posibilă înțelegerea faptului că aceasta are și proprietăți tipice particulelor și explicarea fenomenelor precum efectul fotoelectric . În fizica modernă, lumina (și toată radiația electromagnetică) este alcătuită din cuante , unități fundamentale ale câmpului electromagnetic numite și fotoni .
Istorie
Teoria corpusculară
Formulată de Isaac Newton în secolul al XVII-lea , lumina era văzută ca fiind compusă din particule mici de materie (corpusculi) emise în toate direcțiile. Pe lângă faptul că este matematic mult mai simplă decât teoria undelor , această teorie a explicat foarte ușor câteva caracteristici ale propagării luminii, care erau bine cunoscute pe vremea lui Newton .
În primul rând, mecanica galileană prezice corect că particulele (inclusiv corpusculii de lumină) se propagă în linie dreaptă și faptul că se aștepta să fie foarte ușoare a fost în concordanță cu o viteză mare a luminii, dar nu infinită. Fenomenul de reflexie ar putea fi explicat și într-un mod simplu prin impactul elastic al particulei de lumină pe suprafața reflectorizantă.
Explicația refracției a fost puțin mai complicată, dar departe de a fi imposibilă: a fost suficient să ne gândim că particulele incidente pe materialul refractar au suferit, ca urmare, forțe perpendiculare pe suprafață care i-au mărit viteza, schimbându-și traiectoria și aducându-i mai aproape de direcție.normal de suprafață.
Culorile curcubeului au fost explicate prin introducerea unui număr mare de corpuscule luminoase diferite (câte unul pentru fiecare culoare), iar albul se credea că este alcătuit din multe dintre aceste particule . Separarea culorilor prin, de exemplu, o prismă a pus mai multe probleme teoretice, deoarece particulele de lumină ar trebui să aibă proprietăți identice în vid, dar diferite în materie.
Teoria valurilor
Formulată de Christiaan Huygens în 1678 , dar publicată abia în 1690 în Traité de la Lumière , lumina era văzută ca o undă care se propagă într-un mediu, numit eter , într-un mod foarte asemănător cu valurile mării sau cu cele acustice . Eterul trebuia să pătrundă în întregul univers și să fie format din particule elastice microscopice. Teoria undelor luminii a făcut posibilă explicarea a numeroase fenomene: pe lângă reflecție și refracție , Huygens a fost capabil să explice și fenomenul birefringenței din cristalele de calcit .
În 1801 Thomas Young a demonstrat cum fenomenele de difracție (observate pentru prima dată de Francesco Maria Grimaldi în 1665 ) și de interferență erau în întregime explicabile prin teoria undelor și nu prin teoria corpusculară . Augustin-Jean Fresnel a ajuns la aceleași rezultate în 1815 . În 1814, Joseph von Fraunhofer a fost primul care a investigat serios liniile de absorbție din spectrul Soarelui, care au fost pe deplin explicate de Kirchhoff și Bunsen în 1859 , cu invenția spectroscopului . Liniile se numesc și astăzi linii Fraunhofer în cinstea sa.
Faptul că undele sunt capabile să ocolească obstacolele în timp ce lumina călătorește în linie dreaptă (această proprietate fusese deja remarcată de Euclid în Optica ) se poate explica cu ușurință presupunând că lumina are o lungime de undă microscopică.
Spre deosebire de teoria corpusculară, teoria undelor prezice că lumina se propagă mai lent într-un mediu decât în vid.
Teoria electromagnetică clasică
Pentru marea majoritate a aplicațiilor, această teorie este folosită și astăzi. Propus de James Clerk Maxwell la sfârșitul secolului al XIX-lea , el susține că undele luminoase sunt electromagnetice. Lumina vizibilă este doar o mică parte a spectrului electromagnetic. Odată cu formularea ecuațiilor lui Maxwell , fenomenele electrice, magnetice și optice au fost complet unificate. Cu toate acestea, pentru Maxwell era încă necesar un mediu pentru difuzarea undei electromagnetice, și anume eterul. Abia mai târziu, eterul a fost refuzat și s-a descoperit că lumina se poate propaga și în vid.
Teoria cuantica
Pentru a rezolva unele probleme privind tratamentul radiației corpului negru , Max Planck a conceput un dispozitiv matematic în 1900 : el a crezut că energia asociată cu o undă electromagnetică nu este proporțională cu pătratul amplitudinii sale (ca în cazul undelor elastice din mecanică clasic), dar invers proporțional cu lungimea de undă și că constanta sa de proporționalitate a fost discretă și nu continuă.
Următoarea interpretare a efectului fotoelectric de către Albert Einstein a indicat o nouă cale. A început să se creadă că al lui Planck nu era un adevărat artificiu matematic, ci interpretarea unei noi structuri fizice; adică, natura luminii ar putea avea o relație cu o formă discretă a unora dintre proprietățile sale. S-a vorbit despre pachete discrete de energie, numite acum fotoni .
Descriere
Viteza luminii
Lumina se propagă cu o viteză finită. Chiar și observatorii în mișcare măsoară întotdeauna aceeași valoare a c , viteza luminii în vid, unde c = 299 792 458 m / s, care este aproximativ la c = 300 000 000 m / s, în timp ce călătoresc în apă cu aproximativ 225 407 863 m / s și în pahar la 185 057 072 m / s.
Viteza luminii a fost măsurată de multe ori de numeroși fizicieni. Prima încercare de măsurare a fost făcută de Galileo Galilei cu ajutorul lămpilor reglabile, dar natura rudimentară a mijloacelor disponibile nu a permis obținerea niciunei valori. Cea mai bună dintre primele măsurători a fost făcută de Olaus Roemer (un astronom danez), în 1675 [1] . El a dezvoltat o metodă de măsurare observând Jupiter și una dintre lunile sale cu un telescop . Datorită faptului că luna a fost eclipsată de Jupiter la intervale regulate, el a calculat perioada de revoluție a lunii la 42,5 ore, când Pământul era aproape de Jupiter. Faptul că perioada de revoluție s-a prelungit odată cu creșterea distanței dintre Jupiter și Pământ s-ar putea explica prin presupunerea că lumina a durat mai mult pentru a acoperi distanța Jupiter-Pământ, presupunând astfel o viteză finită pentru aceasta. Viteza luminii a fost calculată analizând distanța dintre cele două planete în momente diferite. Roemer a calculat o viteză de 227 326 km / s.
Albert A. Michelson s-a îmbunătățit în opera lui Roemer în 1926 . Folosind o oglindă rotativă, a măsurat timpul necesar luminii pentru a călători dus-întors de la Muntele Wilson la Muntele St Anthony din California . Măsurarea precisă a dus la o viteză de 299 702 km / s.
Acest experiment a măsurat de fapt viteza luminii în aer. De fapt, atunci când lumina trece printr-o substanță transparentă, cum ar fi aerul, apa sau sticla, viteza sa c este redusă la v = c / n (unde n este valoarea indicelui de refracție al mediului) și este supusă refracției. Cu alte cuvinte, n = 1 în vid și n > 1 în materie. Indicele de refracție al aerului este de fapt foarte apropiat de 1 și, de fapt, măsura Michelson este o foarte bună aproximare a lui c.
Optică
Optica este studiul luminii și interacțiunea dintre lumină și materie .
Observarea și studiul fenomenelor optice oferă multe indicii despre însăși natura luminii; printre primii ne amintim experimentele de refracție a luminii cu o prismă efectuate de Newton între 1665 și 1666.
Concluziile lui Newton, potrivit cărora lumina era un fenomen compus, au fost contestate la începutul secolului al XIX-lea de Goethe , care în Teoria culorilor sale a observat că nu lumina izvorăște din culori , ci opusul: lumina este Goethe este un fenomen „primar” , de natură aproape spirituală, care, interacționând cu întunericul, generează varietatea culorilor ca urmare a ofensării sale mai mari sau mai mici. [2]
Culori și lungimi de undă
Diferitele lungimi de undă sunt interpretate de creier ca culori, variind de la roșul lungimilor de undă mai lungi (frecvențe mai mici) până la violetul lungimilor de undă mai scurte (frecvențe mai mari). Nu toate culorile pot fi asociate cu o lungime de undă precisă. Cu alte cuvinte, nu există o relație unu-la-unu între culorile pe care le percepem și lungimile de undă. Aproape toată radiația luminoasă pe care o percepe ochiul nostru din împrejurimile sale nu este în întregime pură , ci este de fapt o suprapunere de lumini de diferite lungimi de undă. Dacă o culoare poate fi asociată cu fiecare lungime de undă , opusul nu este adevărat.
Acele culori fără lungimi de undă asociate sunt generate în schimb de mecanismul funcțional al aparatului nostru vizual ( creier + ochi ). În special, conurile , celulele retinei responsabile de vederea culorilor, sunt diferențiate în trei tipuri, deoarece sunt sensibile la trei regiuni spectrale diferite de lumină, conuri M (sensibile la lungimi de undă medii), conuri S (sensibile la lungimi de undă scurte) și L conuri (sensibile la lungimi de undă lungi). Când lumina compusă din mai multe unde monocromatice, aparținând diferitelor regiuni ale spectrului, ajunge la ochiul nostru, creierul nostru interpretează semnalele provenite de la cele trei tipuri de senzori ca o nouă culoare, „suma” celor originale. Acest lucru este foarte asemănător cu procedura inversă a ceea ce se face cu reproducerea artificială a culorilor, de exemplu cu metoda RGB .
Frecvențele imediat în afara spectrului perceptibil pentru ochiul uman sunt numite ultraviolete (UV), pentru frecvențe înalte, și infraroșu (IR) pentru frecvențe joase. Deși nu putem vedea infraroșu, acesta este perceput de receptorii pielii ca fiind căldură. Toate lungimile de undă ale spectrului electromagnetic, pornind de la lumina vizibilă - excluzând părțile minoritare ale razelor X, undele radio și doar o porțiune de ultraviolete - sunt o sursă de căldură. Camerele capabile să capteze razele infraroșii și să le transforme în lumină vizibilă sunt numite vizualizatoare nocturne. Unele animale, cum ar fi albinele , pot vedea ultraviolete; alții pot vedea infraroșu. Razele ultraviolete de tip b sunt „responsabile” pentru arsurile solare dacă expunerea la soare este inadecvată.
Lungimile de undă ale luminii vizibile
Lumina vizibilă este o porțiune a spectrului electromagnetic între aproximativ 400 și 700 nanometri (nm) (în aer ). Fiecare radiație electromagnetică a spectrului este caracterizată printr-o frecvență " f " și o lungime de undă relativă " λ ".
Cantități măsurabile
Cantitățile sau unitățile de măsură legate de fenomenele luminoase sunt enumerate mai jos:
- nuanță (sau temperatură )
- strălucire
- iluminare (unitate SI : lux )
- flux luminos (unitate SI: lumen )
- intensitatea luminii (unitate SI: lumânare ).
Surse de lumină
Lumina poate fi produsă din următoarele surse:
- Radiație termala
- lămpi cu incandescență
- lumina soarelui și lumina stelelor
- Foc
- orice corp peste o anumită temperatură (adică incandescent, de exemplu metal topit)
- emisie spectrală atomică (sursa de emisie poate fi stimulată sau spontană)
- accelerarea unei particule încărcate (de obicei un electron )
- chemiluminescență
- fluorescenţă
- fosforescenţă
- bioluminescență
- sonoluminescență
- triboluminescență
- radioactivitate
- particula - anihilarea antiparticulelor
Notă
- ^ Gino Cecchini, "Il Cielo", Ediții UTET, Torino, 1969, p. 497
- ^ Johann Wolfgang von Goethe , Teoria culorilor (1810), trad. aceasta. editat de Renato Troncon, Milano, Il Saggiatore, 1979.
Alte proiecte
-
Wikicitată conține citate despre lumină -
Wikționarul conține dicționarul lemma « lumină » -
Wikiversitatea conține resurse pe lumină -
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre lumină
linkuri externe
| Controlul autorității | Thesaurus BNCF 2007 · LCCN (EN) sh85076871 · GND (DE) 4035596-2 · BNF (FR) cb119582471 (data) · BNE (ES) XX525938 (data) · NDL (EN, JA) 00.563.178 |
|---|
