Storia leggera, natura, comportamento, propagazione

IL leggero È un'onda elettromagnetica che può essere catturata dal senso della vista. Costituisce una parte dello spettro elettromagnetico: quello noto come luce visibile. Nel corso degli anni, sono state proposte varie teorie per spiegare la loro natura.

Ad esempio, per molto tempo la convinzione che la luce consistesse in un flusso di particelle emesse dagli oggetti o dagli occhi degli osservatori era sostenuta. Questa convinzione degli arabi e degli antichi greci fu condivisa da Isaac Newton (1642-1727) per spiegare i fenomeni della luce.

Figura 1. Il cielo è blu grazie alla dispersione della luce solare nell'atmosfera. Fonte: Pixabay.

Sebbene Newton venisse a sospettare che la luce avesse qualità ondulate e Christian Huygens (1629-1695).

All'alba di quel secolo, il fisico inglese Thomas Young ha mostrato senza dubbio che i raggi leggeri possono interferire tra loro, come fanno le onde meccaniche sulle corde.

Ciò poteva solo significare che la luce era un'onda e non una particella, sebbene nessuno sapesse che tipo di onda fosse fino al 1873, il impiegato di James Maxwell disse che la luce era un'onda elettromagnetica.

Con il supporto dei risultati sperimentali di Heinrich Hertz nel 1887, la natura ondulata della luce fu stabilita come un fatto scientifico.

Ma all'inizio del 20 ° secolo sorgevano nuove prove sulla natura corpuscolare della luce. Questa natura è presente nei fenomeni di emissione e assorbimento, in cui l'energia della luce viene trasportata in pacchetti chiamati "fotoni".

Pertanto, poiché la luce si diffonde come un'onda e interagisce con la materia e una particella, una doppia natura è attualmente riconosciuta nella luce: onda-particelle.

[TOC]

Natura della luce

È chiaro che la natura della luce è doppia, che si diffonde come un'onda elettromagnetica, la cui energia arriva nei fotoni.

Questi, che non hanno massa, si muovono nel vuoto con una velocità costante di 300.000 km/s. È la ben nota velocità della luce nel vuoto, ma la luce può viaggiare attraverso altri media, sebbene con velocità diverse.

Quando i fotoni raggiungono gli occhi, i sensori che rilevano la presenza della luce sono attivati. Le informazioni vengono trasmesse al cervello e interpretate lì.

Quando una fonte emette un gran numero di fotoni, lo vediamo come una fonte brillante. Se al contrario emette pochi, viene interpretato come una fonte opaca. Ogni fotone ha una certa energia, che il cervello interpreta come colore. Ad esempio, i fotoni blu sono più energici dei fotoni rossi.

Qualsiasi fonte di solito emette fotoni di varie energie, da lì arriva il colore con cui è visto.

Se non altro emette fotoni con un singolo tipo di energia, si chiama Luce monocromatica. Il laser è un buon esempio di luce monocromatica. Infine, la distribuzione dei fotoni in una fonte viene chiamata spettro.

Un'onda è anche caratterizzata dall'avere un certo lunghezza d'onda. Come abbiamo detto, la luce appartiene allo spettro elettromagnetico, che copre un intervallo di lunghezza d'onda estremamente ampia, dalle onde radio ai raggi gamma. La seguente immagine mostra un raggio di luce bianca un prisma triangolare. La luce è separata in lunghezze d'onda lunghe (rosse) e corte (blu).

Lì nel mezzo c'è la stretta striscia di lunghezze d'onda conosciuta con il nome dello spettro visibile, che va da 400 nanometri (nm).

figura 2. Lo spettro elettromagnetico che mostra la gamma di luci visibili. Fonte: Fonte: Wikimedia Commons. Autore: Horst Frank.

Comportamento leggero

La luce ha un comportamento a doppio, onda e particelle come esaminato. La luce si diffonde allo stesso modo di un'onda elettromagnetica e, come tale, è in grado di trasportare energia. Ma quando la luce interagisce con la questione, si comporta come se fosse un raggio di particelle chiamato fotoni.

Figura 4. Propagazione di un'onda elettromagnetica. Fonte: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]].

Nel 1802, il fisico Thomas Young (1773-1829) mostrò che la luce aveva un comportamento ondulatorio Attraverso l'esperimento a doppia fessura.

In questo modo è stato in grado di produrre interferenze massime e minima su uno schermo. Questo comportamento è tipico delle onde e quindi Young potrebbe dimostrare che la luce era un'onda e potrebbe anche misurare la sua lunghezza d'onda.

L'altro aspetto della luce è quello di particella, Rappresentato da pacchetti energetici chiamati fotoni, che in una mossa di vuoto con velocità c = 3 x 10⁸ m/s e non avere massa. Ma hanno energia E:

E = Hf

E anche la quantità di movimento di grandezza:

Può servirti: numero di flusso: come viene calcolato e esempi

 P = e/c

Dove H È costante di Planck, il cui valore è 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.secondo e F è la frequenza dell'onda. Combinando queste espressioni:

P = hf/c

E dalla lunghezza d'onda λ e la frequenza è correlata da C = λ.F, è rimasto:

P = H/λ → λ = H/P

Principio di Huygens

Figura 5. Raggi di onda e luce che si diffondono in linea retta. Fonte: Serway. R. Fisica per la scienza e l'ingegneria.

Quando si studia il comportamento della luce, ci sono due principi importanti da tenere in considerazione: il principio di Huygens e il principio Fermat. Il principio di Huygens afferma che:

Ogni punto nel fronte d'onda si comporta come una fonte specifica, che a sua volta produce onde sferiche secondarie.

Perché onde sferiche? Se supponiamo che il mezzo sia omogeneo, la luce che emette una fonte specifica si diffonderà in tutte le direzioni allo stesso modo. Possiamo immaginare che la luce si diffonda nel mezzo di una grande sfera con i raggi distribuiti uniformemente. Chiunque osservi questa luce percepisce che viaggia in linea retta all'occhio e si muove perpendicolarmente al fronte d'onda.

Se i raggi di luce provengono da una fonte molto lontana, ad esempio il sole, il fronte d'onda è piatto e i raggi sono paralleli. Questo è l'approccio del Ottica geometrica.

Principio di Fermat

Il principio di Fermat afferma che:

Una luce del fulmine che viaggia tra due punti segue la traiettoria richiesta dal tempo minimo.

Questo principio deve il suo nome al matematico francese Pierre de Fermat (1601-1665), che lo ha stabilito per la prima volta nel 1662.

Secondo questo principio, in un mezzo omogeneo la luce si diffuse a velocità costante, quindi ha un movimento rettilineo uniforme e la sua traiettoria è una linea retta.

Propagazione della luce

La luce si diffonde come un'onda elettromagnetica. Sia il campo elettrico che il campo magnetico sono generati tra loro, che costituiscono onde accoppiate che sono in fase e sono perpendicolari l'una all'altra e la direzione di propagazione.

In generale, un'onda che si diffonde nello spazio può essere descritta in termini di Anteriore onda. Questo è l'insieme di punti che hanno la stessa ampiezza e fase. Conoscendo la posizione del fronte d'onda in un determinato istante, puoi conoscere qualsiasi posizione successiva, secondo il principio di Huygens.

Diffrazione

Laser diffratto da una fessura esagonale. Lienzocian [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]

Il comportamento ondulato della luce rivela chiaramente in due fenomeni importanti che sorgono durante la sua propagazione: diffrazione e interferenza. Nel diffrazione, Le onde, dall'acqua, dal suono o dalla luce, sono distorte quando passano attraverso aperture, circondano gli ostacoli o salvano gli angoli.

Se l'apertura è grande rispetto alla lunghezza d'onda, la distorsione non è molto grande, ma se l'apertura è piccola, il cambiamento nella forma d'onda è più apprezzabile. La diffrazione è una proprietà esclusiva di onde, quindi quando la luce mostra diffrazione sappiamo che ha un comportamento ondulato.

Interferenza e polarizzazione

Per la sua parte interferenza della luce si verifica quando le onde elettromagnetiche si sovrappongono. In tal modo, si uniscono a Vectorly e questo potrebbe portare a due tipi di interferenze:

-Costruttivo, quando l'intensità dell'onda risultante è maggiore dell'intensità dei componenti.

-Distruttivo se l'intensità è inferiore a quella dei componenti.

L'interferenza delle onde luminose si verifica quando le onde sono monocromatiche e mantengono la stessa differenza di fase tutto il tempo. Questo è chiamato coerenza. Una luce come questa può provenire da un laser ad esempio. Le solite fonti come le lampadine a incandescenza non producono luce coerente perché la luce emessa da milioni di atomi del filamento cambia costantemente la fase.

Ma se uno schermo opaco con due piccoli e chiusi aperture tra loro, la luce che esce da ogni slot agisce come una fonte coerente è posizionata su quella stessa lampadina.

Infine, quando le oscillazioni del campo elettromagnetico sono tutte nella stessa direzione, il Polarizzazione. La luce naturale non è polarizzata, poiché è formata da molti componenti e ciascuno oscilla in una direzione diversa.

Giovane esperimento

All'inizio del XIX secolo, il fisico inglese Thomas Young fu il primo a ottenere una luce coerente con una normale fonte di luce.

Nel suo famoso esperimento a doppio slitta, ha dato luce attraverso una fessura praticata su uno schermo opaco. Secondo il principio di Huygens, vengono generate due fonti secondarie, che a loro volta passavano attraverso un secondo schermo opaco con due fessure.

Può servirti: calore assorbito: formule, come calcolarlo e risolvere eserciziFigura 6. Young's Young Experiment Animation. Fonte: Wikimedia Commons.

La luce così ottenuta ha illuminato un muro in una stanza buia. Ciò che è stato visto era un modello costituito da aree alternative e scure. L'esistenza di questo modello è spiegata dal fenomeno dell'interferenza sopra descritta.

L'esperimento di Young è stato molto importante perché ha mostrato la natura ondulata della luce. Successivamente, l'esperimento è stato condotto con particelle fondamentali come elettroni, neutroni e protoni, con risultati simili.

Fenomeni leggeri

Riflessione

Riflessione della luce in acqua

Quando un raggio di luce colpisce una superficie, una parte della luce può essere riflessa e un'altra assorbimento. Se è un mezzo trasparente, parte della luce continua il suo percorso attraverso di esso.

Inoltre, la superficie può essere liscia, come uno specchio o ruvido e irregolare. Al riflesso che si verifica su una superficie liscia viene chiamato riflesso speculare, altrimenti lo è riflessione diffusa o riflessione irregolare. Una superficie molto lucida, come uno specchio, può riflettere fino al 95% della luce incidente.

Riflesso speculare

La figura mostra un raggio di luce che viaggia in un mezzo, che può essere l'aria. Incidere con l'angolo θ₁ Su una superficie speculario piatta e si riflette con l'angolo θ₂. La linea indicata come normale è perpendicolare alla superficie.

L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. Fonte: Serway. R. Fisica per la scienza e l'ingegneria.

Sia il raggio incidente che il riflesso e la normale sulla superficie speculare sono nello stesso piano. Gli antichi greci avevano già osservato che l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione:

θ₁ = θ₂

Questa espressione matematica è la legge sulla riflessione della luce. Tuttavia, altre onde come il suono, ad esempio, sono anche in grado di sperimentare la riflessione.

La maggior parte delle superfici sono ruvide e quindi il riflesso della luce è diffuso. In questo modo la luce che riflettono viene inviata a tutte le direzioni, quindi gli oggetti possono essere visti da qualsiasi luogo.

Poiché alcune lunghezze d'onda si riflettono più di altre, gli oggetti hanno colori diversi.

Ad esempio le foglie degli alberi riflettono la luce che si trova approssimativamente nel mezzo dello spettro visibile, che corrisponde al colore verde. Il resto delle lunghezze d'onda visibili viene assorbito: dall'ultravioletto vicino al blu (350-450 nm) e alla luce rossa (650-700 nm).

Rifrazione

Fenomeno di rifrazione. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]

La rifrazione della luce si verifica perché la luce viaggia a velocità diverse secondo il mezzo. Nel vuoto, la velocità della luce è c = 3 x 10⁸ m/s, ma quando la luce raggiunge un mezzo di materiale, sorgono processi di assorbimento ed emissione che aumentano l'energia e con essa la velocità.

Ad esempio, quando si muove in aria, la luce si muove rapidamente e C, ma nell'acqua la luce viaggia per tre quarti di C, Mentre nel vetro fa circa due terzi di C.

Indice di rifrazione

L'indice di rifrazione è indicato N Ed è definito come il quoziente tra la velocità della luce nel vuoto C e la sua velocità in detto mezzo v:

N = c/v

L'indice di rifrazione è sempre maggiore di 1, poiché la velocità della luce nel vuoto è sempre maggiore rispetto a un mezzo di materiale. Alcuni valori N tipici sono:

-Aria: 1.0003

-Acqua: 1.33

-Vetro: 1.5

-Diamond: 2.42

Legge di snell

Quando un raggio di luce colpisce obliquamente nel confine tra due media, come ad esempio aria e vetro, una parte della luce viene riflessa e un'altra parte segue il suo percorso all'interno del vetro.

In questo caso, la lunghezza d'onda e la velocità sperimentano una variazione quando si sposta da un mezzo all'altro, ma la frequenza. Da v = c/n = λ.F  E anche nel vuoto C = λo. F, Allora hai:

(λ_O.f /n) = λ.f → λ = λ_O/N

Cioè, la lunghezza d'onda in un determinato mezzo è sempre inferiore alla lunghezza d'onda nel vuoto λo.

Figura 8. Legge di snell. Fonte: figura a sinistra: schema di rifrazione della luce. Rex, a. Fondamenti di fisica. Figura destra: Wikimedia Commons. Josel7 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)].

Nota i triangoli che hanno un'ipotenusa comune di colore rosso. In ogni mezzo, l'ipotenusa misura λ₁/sin θ₁ e λ₂/sin θ₂ rispettivamente, in vista del fatto che λ e v sono proporzionali, quindi:

Può servirti: proprietà ottiche dei materiali

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

COME λ = λ_O/N Si deve:

(λ_O/N₁) /Sen θ₁ = (λ_O/N₂) /Sen θ₂

Che può essere espresso come:

N_{1 .} sin θ₁ = n₂ .sin θ₂

Questa è la formula della legge di Snell, in onore del matematico olandese.

In alternativa, la legge di Snell è scritta in termini di velocità della luce in ciascun ambiente, usando la definizione di indice di rifrazione: N = c/v:

(CV₁) . sin θ₁ = (CV₂) .sin θ₂

v_{2 .} sin θ₁ = v₁ .sin θ₂

Dispersione

Come spiegato sopra, la luce è composta da fotoni con energie diverse e ogni energia è percepita come un colore. La luce bianca contiene fotoni di tutte le energie e quindi può essere suddivisa in luci di colori diversi. Ciò consiste nella dispersione della luce, che era già stata studiata da Newton.

Le gocce d'acqua nell'atmosfera si comportano come piccoli prismi. Fonte: Pixabay.

Newton prese un prisma ottico, raggio un raggio di luce bianca attraverso di lui e ottenne strisce di colori che passavano dal rosso a viola. Questa striscia è lo spettro della luce visibile vista nella Figura 2.

La dispersione della luce è un fenomeno naturale, la cui bellezza ammiriamo nel cielo quando si forma l'arcobaleno. La luce solare colpisce le gocce d'acqua nell'atmosfera, che fungono da piccoli prismi pari a quello di Newton, disperdendo la luce.

Il colore blu con cui vediamo il cielo è anche una conseguenza della dispersione. Ricco di azoto e ossigeno, l'atmosfera disperde principalmente i toni del blu e del viola, ma l'occhio umano è più sensibile al blu e quindi vediamo il cielo di questo colore.

Quando il sole è più basso all'orizzonte, durante l'alba o il tramonto, il cielo viene tinto dai toni arancioni grazie ai raggi della luce deve attraversare uno strato più spesso dell'atmosfera. I toni rossastri a bassa frequenza interagiscono meno con gli elementi dell'atmosfera e cogli l'occasione per raggiungere la superficie.

Atmosfere abbondanti in polvere e inquinamento, come quelle di alcune grandi città, sembrano cieli grigiastri a causa della dispersione di basse frequenze.

Teorie leggere

La luce è stata considerata fondamentalmente come una particella o come un'onda. La teoria corpuscolare che Newton ha difeso, considerata la luce come un raggio di particelle. Mentre la riflessione e la rifrazione potrebbero essere spiegate correttamente supponendo che la luce fosse un'onda, come ha detto Huygens.

Ma molto prima di questi importanti scienziati, le persone avevano già speculato sulla natura della luce. Tra loro non poteva perdere il filosofo greco Aristotele. Di seguito è riportato un breve riassunto delle teorie della luce nel tempo:

Teoria aristotelica

2.500 anni Aristotele ha detto che la luce è nata dagli occhi dell'osservatore, ha illuminato gli oggetti e restituita in qualche modo con l'immagine in modo che potesse essere apprezzata dalla persona.

Teoria corpuscolare di Newton

Newton riteneva la convinzione che la luce consistesse in piccole particelle che si diffondevano in linea retta in tutte le direzioni. Quando raggiungono gli occhi, registrano la sensazione come luce.

Teoria ondulata di Huygens

Huygens ha pubblicato un'opera chiamata Trattato di luce in cui ha proposto che questo fosse un disturbo dell'ambiente simile alle onde sonore.

Teoria elettromagnetica di Maxwell

Mentre l'esperimento a doppio crawling non lasciava dubbi sulla natura ondulata della luce, durante gran parte del diciannovesimo secolo fu ipotizzato sul tipo di onda che era, fino a quando Maxwell disse nella sua teoria elettromagnetica che la luce consisteva nella propagazione di un elettromagnetico campo.

La luce come un'onda elettromagnetica spiega i fenomeni della propagazione della luce come descritto nelle sezioni precedenti ed è un concetto accettato dalla fisica attuale, così come la natura corpuscolare della luce.

La teoria corpuscolare di Einstein

Secondo la moderna concezione della luce, questo è costituito da particelle senza massa e senza carico chiamato fotoni. Nonostante non abbiano massa, hanno tempo ed energia, come spiegato sopra. Questa teoria spiega in modo soddisfacente il modo in cui la luce interagisce con la materia, scambiando energia in quantità discrete (quantizzate).

L'esistenza di quelle della luce è stata proposta da Albert Einstein per spiegare il effetto fotoelettrico Scoperto da Heinrich Hertz qualche anno prima. L'effetto fotoelettrico consiste nell'emissione di elettroni da una sostanza su cui è stato influenzato un qualche tipo di radiazione elettromagnetica, quasi sempre nel rango di ultravioletta a luce visibile.

Riferimenti

1. Figueroa, d. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 7. Onde e fisica quantistica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
2. Fisica. Teorie leggere. Recuperato da: fisico.cap.
3. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
4. Moto ondoso. Principio di Fermat. Estratto da: SC.Ehu.È.
5. Rex, a. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson.
6. Romero, o. 2009. Fisico. Santillana Hypertext.
7. Serway, r. 2019. Fisica per la scienza e l'ingegneria. 10 °. Edizione. Volume 2. Cengage.
8. Shipman, j. 2009. Un'introduzione alla scienza fisica. Dodicesima edizione. Brooks/Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Leggero. Recuperato da: è.Wikipedia.org.