VALO: HISTORIA, LUONTO, KÄYTTÄYTYMINEN, LEVIÄMINEN - FYYSINEN - 2026

Valo on sähkömagneettisen aallon voidaan havaita näköaistiin. Se muodostaa osan sähkömagneettisesta spektristä: ns. Näkyvän valon. Vuosien mittaan on ehdotettu erilaisia ​​teorioita sen luonteen selittämiseksi.

Esimerkiksi, pitkään pidettiin uskoa, että valo koostui esineiden tai tarkkailijoiden lähettämien hiukkasten virrasta. Isaac Newton (1642-1727) jakoi tämän arabien ja muinaisten kreikkalaisten uskomuksen valon ilmiöiden selittämiseksi.

Kuva 1. Taivas on sininen, koska auringonvalo on sironnut ilmakehään. Lähde: Pixabay.

Vaikka Newton epäili, että valolla oli aalto-ominaisuuksia ja Christian Huygens (1629-1695) onnistui selittämään taittumisen ja heijastumisen aaltoteorialla, usko valoon hiukkasena oli laajalle levinnyt kaikissa tutkijoissa 1800-luvun alkuun saakka..

Tuon vuosisadan kynnyksellä englantilainen fyysikko Thomas Young osoitti epäilemättä, että valonsäteet voivat häiritä toisiaan, aivan kuten mekaaniset aallot tekevät kielillä.

Se voi tarkoittaa vain sitä, että valo oli aalto eikä hiukkasia, vaikka kukaan ei tiennyt millaista aaltoa se oli, kunnes vuonna 1873 James Clerk Maxwell väitti, että valo oli sähkömagneettinen aalto.

Heinrich Hertzin vuonna 1887 suoritettujen kokeellisten tulosten tuella valon aalto-luonne todettiin tieteelliseksi tosiasiaksi.

Mutta 1900-luvun alussa syntyi uusia todisteita valon verisoluista. Tämä luonne esiintyy päästö- ja absorptio-ilmiöissä, joissa valon energiaa kuljetetaan ”fotonien” nimissä pakkauksissa.

Siksi, koska valo leviää aallona ja on vuorovaikutuksessa aineen kanssa kuin hiukkanen, valossa tunnistetaan tällä hetkellä kaksoisluonto: aalto-hiukkanen.

Valon luonne

On selvää, että valon luonne on kaksinkertainen, leviää sähkömagneettisena aallona, ​​jonka energia tulee fotoneissa.

Nämä, joilla ei ole massaa, liikkuvat tyhjiössä vakionopeudella 300 000 km / s. Se on tunnettu valon nopeus tyhjössä, mutta valo voi kulkea muiden välineiden läpi, vaikkakin eri nopeuksilla.

Kun fotonit saavuttavat silmämme, anturit, jotka havaitsevat valon läsnäolon, aktivoituvat. Tiedot välitetään aivoihin ja tulkitaan siellä.

Kun lähde emittoi suuren määrän fotoneja, näemme sen kirkkaana lähteenä. Jos sitä päinvastoin säteilee vähän, se tulkitaan läpinäkymättömäksi lähteeksi. Jokaisella fotonilla on tietty energia, jonka aivot tulkitsevat värinä. Esimerkiksi siniset fotonit ovat energiatehokkaampia kuin punaiset fotonit.

Mikä tahansa lähde emittoi yleensä eri energioiden fotoneja, siis väriä, jolla se nähdään.

Jos mikään muu ei emittoi fotoneja yhden tyyppisellä energialla, sitä kutsutaan monokromaattiseksi valoksi. Laser on hyvä esimerkki yksivärisestä valosta. Lopuksi fotonien jakautumista lähteessä kutsutaan spektriksi.

Aallolle on tunnusomaista myös se, että sillä on tietty aallonpituus. Kuten olemme sanoneet, valo kuuluu sähkömagneettiseen spektriin, joka kattaa erittäin laajan aallonpituusalueen radioaalloista gammasäteisiin. Seuraava kuva osoittaa, kuinka valkoisen valonsäteen sironta on kolmionmuotoinen prisma. Valo jaetaan pitkiksi (punaiseksi) ja lyhyeksi (siniseksi) aallonpituuksiksi.

Keskellä on kapea aallonpituuskaista, joka tunnetaan näkyvänä spektrinä ja joka vaihtelee 400 nanometristä (nm) 700 nm.

Kuva 2. Sähkömagneettinen spektri, joka näyttää näkyvän valon alueen. Lähde: Lähde: Wikimedia Commons. Kirjoittaja: Horst Frank.

Valon käyttäytyminen

Valolla on kaksois-, aalto- ja hiukkaskäyttäytyminen tutkituna. Valo leviää samalla tavalla kuin sähkömagneettinen aalto, ja sellaisena se pystyy kuljettamaan energiaa. Mutta kun valo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa, se käyttäytyy kuin kimppu hiukkasia, joita kutsutaan fotoneiksi.

Kuva 4. Sähkömagneettisen aallon eteneminen. Lähde: Wikimedia Commons. SuperManu.

Vuonna 1802 fyysikko Thomas Young (1773-1829) osoitti, että valolla oli aallon käyttäytyminen kaksoisrakojen kokeilua käyttämällä.

Tällä tavalla hän pystyi tuottamaan suurimman ja pienimmän häiriön näytölle. Tämä käyttäytyminen on tyypillistä aalloille ja siten Young pystyi osoittamaan, että valo oli aalto, ja myös pystyi mittaamaan sen aallonpituuden.

Toinen valon näkökohta on hiukkanen, jota edustavat fotonit, nimeltään energiapaketit, jotka liikkuvat tyhjössä nopeudella c = 3 x ¹⁰⁸ m / s ja joilla ei ole massaa. Mutta heillä on E-energiaa:

Ja myös voimakkuus:

Missä h on Planckin vakio, jonka arvo on 6,63 x 10 ^-34 Joule.second ja f on taajuus aallon. Yhdistämällä nämä lausekkeet:

Ja koska aallonpituus λ ja taajuus ovat suhteessa c = λ.f, se pysyy:

Huygens-periaate

Kuva 5. Aallon etu- ja valonsäteet etenevät suorassa linjassa. Lähde: Serway. R. Fysiikka tiedettä ja tekniikkaa varten.

Valon käyttäytymistä tutkittaessa on otettava huomioon kaksi tärkeää periaatetta: Huygensin periaate ja Fermatin periaate. Huygensin periaatteessa todetaan seuraavaa:

Miksi pallomaiset aallot? Jos oletamme, että väliaine on homogeeninen, pistelähteen lähettämä valo etenee kaikkiin suuntiin tasaisesti. Voimme kuvitella valon leviävän suuren pallon keskellä säteiden jakautuessa tasaisesti. Jokainen, joka tarkkailee tätä valoa, havaitsee, että se kulkee suorassa linjassa silmäänsä kohti ja liikkuu kohtisuorassa aallon etuosaan nähden.

Jos valonsäteet ovat peräisin kaukaisesta lähteestä, esimerkiksi auringosta, aallon etuosa on tasainen ja säteet ovat yhdensuuntaiset. Tästä on kyse geometrisen optiikan lähestymistavassa.

Fermatin periaate

Fermatin periaatteessa todetaan seuraavaa:

Tämä periaate velkaa nimensä ranskalaiselle matemaatikolle Pierre de Fermat (1601-1665), joka perusti sen ensimmäisen kerran vuonna 1662.

Tämän periaatteen mukaan homogeenisessa väliaineessa valo etenee vakionopeudella, siksi sillä on tasainen suoraviivainen liike ja sen etenemissuunta on suora.

Valon leviäminen

Valo kulkee kuin sähkömagneettinen aalto. Sekä sähkökenttä että magneettikenttä generoivat toisiaan, muodostaen kytkettyjä aaltoja, jotka ovat vaiheessa ja ovat kohtisuorassa toisiinsa ja etenemissuuntaan nähden.

Yleisesti avaruudessa leviävä aalto voidaan kuvata aallonrintamalla. Tämä on joukko pisteitä, joilla on sama amplitudi ja vaihe. Kun tiedät aallonrintaman sijainnin tiettynä hetkenä, mikä tahansa seuraava sijainti voidaan tietää Huygensin periaatteen mukaisesti.

diffraktio

Laser, diffraktoitu kuusikulmaisen raon avulla. Lienzocian

Valon aallon käyttäytymisestä ilmenee selvästi kaksi tärkeätä ilmiötä, jotka syntyvät sen leviämisen aikana: diffraktio ja häiriöt. Diffraktiossa aallot, olivatpa ne vettä, ääntä tai valoa, vääristyvät, kun ne kulkevat aukkojen läpi, kiertävät esteitä tai kulkevat kulmien ympäri.

Jos aukko on suuri verrattuna aallonpituuteen, särö ei ole kovin suuri, mutta jos aukko on pieni, muutos aaltomuodossa on huomattavampi. Diffraktio on aaltojen yksinomainen ominaisuus, joten kun valo osoittaa diffraktion, tiedämme, että sillä on aallon käyttäytyminen.

Häiriöt ja polarisaatio

Valon häiriöt puolestaan ​​tapahtuvat, kun niitä muodostavat sähkömagneettiset aallot limittyvät. Kun teet niin, ne lisätään vektorisesti ja tämä voi aiheuttaa kahdentyyppisiä häiriöitä:

–Konstruktiivinen, kun syntyvän aallon intensiteetti on suurempi kuin komponenttien intensiteetti.

- Tuhoava, jos intensiteetti on pienempi kuin komponenttien.

Valoaaltohäiriöitä esiintyy, kun aallot ovat yksivärisiä ja ylläpitävät koko vaihe-eroa. Tätä kutsutaan johdonmukaisuudeksi. Tällainen valo voi tulla esimerkiksi laserista. Yleiset lähteet, kuten hehkulamput, eivät tuota koherenttia valoa, koska hehkulangan miljoonien atomien lähettämä valo muuttuu jatkuvasti vaiheessa.

Mutta jos samaan lamppuun on sijoitettu läpinäkymätön sävy, jossa on kaksi pientä aukkoa lähellä toisiaan, kustakin raosta ulos tuleva valo toimii yhtenäisenä lähteenä.

Lopuksi, kun sähkömagneettisen kentän värähtelyt ovat kaikki samaan suuntaan, tapahtuu polarisaatio. Luonnonvalo ei ole polarisoitunut, koska se koostuu monista komponenteista, joista jokainen värähtelee eri suuntaan.

Youngin kokeilu

1800-luvun alussa englantilainen fyysikko Thomas Young sai ensimmäisenä koherentin valon tavallisella valonlähteellä.

Kuuluisassa kaksoisviilokokeessaan hän läpäisi valon läpinäkymättömän näytön raon läpi. Huygens-periaatteen mukaisesti syntyy kaksi toissijaista lähdettä, jotka puolestaan ​​kulkivat toisen läpinäkymättömän seulan läpi, jossa on kaksi rakoa.

Kuva 6. Youngin kaksoishalkaisukokeen animaatio. Lähde: Wikimedia Commons.

Näin saatu valo valaisee seinän pimeässä huoneessa. Näkyvissä oli malli, joka koostui vuorottelevista vaaleista ja tummista alueista. Tämän kuvion olemassaolo selitetään yllä kuvatulla häiriöilmiöllä.

Youngin koe oli erittäin tärkeä, koska se paljasti valon aalto-luonteen. Myöhemmin koe on suoritettu perustavanlaatuisilla hiukkasilla, kuten elektronilla, neutroneilla ja protoneilla, samoilla tuloksilla.

Valon ilmiöt

heijastus

Valon heijastus vedessä

Kun valonsäde osuu pintaan, osa valosta voi heijastua ja osa absorboida. Jos se on läpinäkyvä väliaine, osa valosta jatkaa tiensä läpi.

Pinta voi myös olla sileä, kuten peili, tai karkea ja epätasainen. Sileällä pinnalla tapahtuvaa heijastusta kutsutaan spekulaariseksi heijastumaksi, muuten se on hajaheijastus tai epäsäännöllinen heijastus. Erittäin kiillotettu pinta, kuten peili, voi heijastaa jopa 95% tulevasta valosta.

Specular heijastus

Kuvassa on valonsäte, joka kulkee väliaineessa, joka voi olla ilma. Se putoaa kulmassa θ ₁ tasossa olevaan peilipintaan ja heijastuu kulmassa θ ₂. Normaaliksi merkitty viiva on kohtisuora pintaan nähden.

Tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Lähde: Serway. R. Fysiikka tiedettä ja tekniikkaa varten.

Sekä tapahtuva että heijastunut säde ja normaalisti peilipinnan kanssa ovat samassa tasossa. Muinaiset kreikkalaiset olivat jo havainneet, että laskukulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma:

Tämä matemaattinen lauseke on valon heijastuslaki. Muut aallot, kuten esimerkiksi ääni, kykenevät kuitenkin myös heijastumaan.

Suurin osa pinnoista on karheita, ja siksi valon heijastus on hajanaista. Tällä tavalla niiden heijastama valo lähetetään kaikkiin suuntiin, joten esineitä voi nähdä mistä tahansa.

Koska jotkut aallonpituudet heijastuvat enemmän kuin toiset, esineillä on eri värit.

Esimerkiksi puiden lehdet heijastavat valoa, joka on suunnilleen näkyvän spektrin keskellä, mikä vastaa vihreää väriä. Loput näkyvät aallonpituudet absorboituvat: ultravioletista lähellä sinistä (350–450 nm) ja punaista valoa (650–700 nm).

Taittuminen

Taiteellisuusilmiö. Josell7

Valon taittuminen tapahtuu, koska valo liikkuu eri nopeuksilla riippuen väliaineesta. Tyhjiössä valon nopeus on c = 3 x ¹⁰⁸ m / s, mutta kun valo saavuttaa materiaalin väliaineen, syntyy absorptio- ja päästöprosesseja, jotka aiheuttavat energian, ja sen mukana myös nopeuden laskua.

Esimerkiksi ilmassa liikkuessa valo liikkuu melkein samalla nopeudella kuin c, mutta vedessä valo liikkuu kolmella neljäsosalla c: stä, kun taas lasissa se liikkuu noin kahdella kolmasosalla c: stä.

Taitekerroin

Taitekerroin merkitään n ja se määritetään osuutena valon nopeuden alipaineessa c ja sen nopeuden välillä mainitussa väliaineessa v:

Taitekerroin on aina suurempi kuin 1, koska valon nopeus tyhjössä on aina suurempi kuin materiaaliväliaineessa. Joitakin n: n tyypillisiä arvoja ovat:

-Air: 1.0003

-Vesi: 1,33

-Lasi: 1,5

-Timantti: 2,42

Snellin laki

Kun valonsäde osuu vinottain kahden väliaineen, kuten esimerkiksi ilman ja lasin, välille, osa valosta heijastuu ja toinen osa jatkaa tiensä lasiin.

Tässä tapauksessa aallonpituus ja nopeus vaihtelevat siirryttäessä väliaineesta toiseen, mutta eivät taajuutta. Koska v = c / n = λ.f ja myös tyhjössä c = λo. f, niin meillä on:

Toisin sanoen, aallonpituus tietyssä väliaineessa on aina pienempi kuin aallonpituus tyhjössä λo.

Kuva 8. Snellin laki. Lähde: Vasen kuva: kaavio valon taittumisesta. Rex, A. Fysiikan perusteet. Oikea kuva: Wikimedia Commons. Josell7.

Huomaa kolmiot, joilla on yhteinen hypotenuusi punaisella. Jokaisessa väliaineessa hypotenuse mittaa vastaavasti λ ₁ / sin θ ₁ ja λ ₂ / sin θ ₂, koska λ ja v ovat verrannollisia, joten:

Koska λ = λ _o / n, meillä on:

Mikä voidaan ilmaista seuraavasti:

Tämä on Snellin lain kaava hollantilaisen matemaatikon Willebrord Snellin (1580-1626) kunniaksi. Hän johdetti sen kokeellisesti tarkkailemalla valoa, joka kulkee ilmasta veteen ja lasiin.

Vaihtoehtoisesti Snellin laki kirjoitetaan valonopeudella kussakin väliaineessa hyödyntäen taitekertoimen määritelmää: n = c / v:

hajonta

Kuten edellä on selitetty, valo koostuu fotoneista, joilla on erilaiset energiat, ja jokainen energia havaitaan värinä. Valkoinen valo sisältää fotoneja kaikista energioista, ja siksi se voidaan hajottaa eri värillisiksi valoiksi. Tämä on valon sironta, jonka Newton oli jo tutkinut.

Pisarat vettä ilmakehässä käyttäytyvät kuin pienet prismat. Lähde: Pixabay.

Newton otti optisen prisman, läpäisi sen läpi valkoisen valonsäteen ja sai värilliset raidat punaisesta violettiin. Tämä reuna on kuvassa 2 näytetyn näkyvän valon spektri.

Valon sironta on luonnollinen ilmiö, jonka kauneutta ihailemme taivaalla sateenkaaren muodostuessa. Auringonvalo putoaa ilmakehän vesipisaroihin, jotka toimivat kuin pienet Newtonin kaltaiset prismat ja sirottavat siten valoa.

Sininen väri, jolla taivaan näemme, on myös seurausta leviämisestä. Rikkassa typpeä ja happea ilmakehä hajottaa pääasiassa sinisen ja violetin sävyjä, mutta ihmisen silmä on herkempi siniselle ja siksi näemme tämän värin taivaan.

Kun aurinko on alempana horisontissa, auringonnousun tai auringonlaskun aikana taivas muuttuu oranssiksi, koska valonsäteiden on läpäistävä ilmakehän paksumpi kerros. Alemman taajuuden punertavat sävyt ovat vuorovaikutuksessa vähemmän ilmakehän elementtien kanssa ja hyötyvät päästäkseen suoraan pintaan.

Pöly- ja pilaantumisrikkaissa ilmapiireissä, kuten joissakin suurissa kaupungeissa, on harmahtavaa taivasta alhaisten taajuuksien leviämisen vuoksi.

Teoriat valosta

Valoa on pidetty ensisijaisesti hiukkasena tai aallona. Aivosolujen teoria, jota Newton puolusti, piti valoa hiukkassäteenä. Taas heijastus ja taittuminen voitaisiin selittää riittävällä tavalla olettamalla, että valo oli aalto, kuten Huygens väitti.

Mutta kauan ennen näitä merkittäviä tutkijoita ihmiset olivat jo spekuloineet valon luonteesta. Heidän joukossa kreikkalainen filosofi Aristoteles ei voinut olla poissa. Tässä on lyhyt yhteenveto valoteorioista ajan myötä:

Aristotelilainen teoria

2500 vuotta sitten Aristoteles väitti, että valo ilmaantui tarkkailijan silmistä, valaisee esineitä ja palasi jollain tavalla kuvan mukana, jotta henkilö voisi sen arvioida.

Newtonin verisolujen teoria

Newton uskoi, että valo koostui pienistä hiukkasista, jotka etenivät suorassa linjassa kaikkiin suuntiin. Silmiin saapuessaan he rekisteröivät sensaation valona.

Huygens-aalto-teoria

Huygens julkaisi teoksen nimeltä traktaatti valossa, jossa hän ehdotti, että tämä oli ääniaallon kaltaisen väliaineen häiriö.

Maxwellin sähkömagneettinen teoria

Vaikka kaksoisrakoitettu kokeilu ei jättänyt epäilystäkään valon aallon luonteesta, suuren osan 1800-luvulta ajateltiin spesifikaatiota aallon tyypistä, kunnes Maxwell totesi sähkömagneettisessa teoriassaan, että valo koostui sähkömagneettisen kentän eteneminen.

Valo sähkömagneettisena aallona selittää valon etenemisilmiöitä, kuten edellisissä kappaleissa on kuvattu, ja se on nykyfysiikan hyväksymä käsite, samoin kuin valon kudosluonteinen luonne.

Einsteinin ruumiinsisusteoria

Nykyaikaisen valokäsityksen mukaan se koostuu massattomista ja lataamattomista hiukkasista, joita kutsutaan fotoneiksi. Vaikka heillä ei ole massaa, heillä on vauhtia ja energiaa, kuten edellä selitettiin. Tämä teoria selittää onnistuneesti tavan, jolla valo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa, vaihtamalla energiaa erillisinä (kvantisoiduina) määrinä.

Albert Einstein ehdotti valokvojen olemassaoloa selittämään Heinrich Hertzin muutama vuosi aiemmin löytämää valosähköä. Valosähköinen vaikutus muodostuu elektronien säteilystä aineella, jolle on joutunut jonkin tyyppistä sähkömagneettista säteilyä, melkein aina ultraviolettivalolta näkyvälle valolle.

Viitteet

1. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Osa 7. Aallot ja kvanttifysiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
2. Physic. Valoteoriat. Palautettu: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Aallon liike. Fermatin periaate. Palautettu: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fysiikka. Santillana Hypertext.
7. Serway, R. 2019. Fysiikka tiedettä ja tekniikkaa varten. 10th. Painos. Volume 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Johdatus fysiikkaan. Kahdestoista painos. Brooks / Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Valo. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.