LUMINA: ISTORIE, NATURĂ, COMPORTAMENT, PROPAGARE - FIZIC - 2025

Lumina este o undă electromagnetică poate fi detectată prin simțul vederii. Constituie o parte a spectrului electromagnetic: ceea ce este cunoscut sub numele de lumină vizibilă. De-a lungul anilor, diverse teorii au fost propuse pentru a explica natura acesteia.

De exemplu, credința că lumina constă dintr-un flux de particule emise de obiecte sau de ochii observatorilor era de multă vreme ținută. Această credință a arabilor și a grecilor antici a fost împărtășită de Isaac Newton (1642-1727) pentru a explica fenomenele luminii.

Figura 1. Cerul este albastru datorită împrăștierii luminii solare în atmosferă. Sursa: Pixabay.

Deși Newton a bănuit că lumina are calități de undă și Christian Huygens (1629-1695) a reușit să explice refracția și reflectarea cu o teorie a undelor, credința luminii ca o particulă a fost răspândită în rândul tuturor oamenilor de știință până la începutul secolului XIX. .

În zorii acelui secol, fizicianul englez Thomas Young a demonstrat dincolo de orice îndoială că razele de lumină pot interfera între ele, la fel cum fac undele mecanice în șiruri.

Asta ar putea însemna doar că lumina era o undă și nu o particulă, deși nimeni nu știa ce fel de undă era până în 1873, James Clerk Maxwell a afirmat că lumina este o undă electromagnetică.

Cu sprijinul rezultatelor experimentale ale lui Heinrich Hertz în 1887, natura undei a luminii a fost stabilită ca un fapt științific.

Dar, la începutul secolului XX, au apărut noi dovezi despre natura corpusculară a luminii. Această natură este prezentă în fenomenele de emisie și absorbție, în care energia luminii este transportată în pachete numite „fotoni”.

Astfel, de vreme ce lumina se propagă ca undă și interacționează cu materia ca o particulă, în prezent este recunoscută o natură dublă în lumină: undă-particulă.

Natura luminii

Este clar că natura luminii este duală, propagându-se ca o undă electromagnetică, a cărei energie vine în fotoni.

Acestea, care nu au nicio masă, se mișcă în vid cu o viteză constantă de 300.000 km / s. Este viteza cunoscută a luminii într-un vid, dar lumina poate circula prin alte medii, deși cu viteze diferite.

Când fotonii ajung la ochii noștri, sunt activate senzorii care detectează prezența luminii. Informația este transmisă creierului și interpretată acolo.

Când o sursă emite un număr mare de fotoni, o vedem ca o sursă strălucitoare. Dacă, dimpotrivă, emite puține, este interpretat ca o sursă opacă. Fiecare foton are o anumită energie, pe care creierul o interpretează ca o culoare. De exemplu fotonii albastri sunt mai energici decât fotonii roșii.

Orice sursă emite, în general, fotoni de energii diferite, de aici culoarea cu care este văzută.

Dacă nimic altceva nu emite fotoni cu un singur tip de energie, se numește lumină monocromatică. Laserul este un bun exemplu de lumină monocromatică. În cele din urmă, distribuția fotonilor într-o sursă se numește spectru.

O undă se caracterizează și prin faptul că are o anumită lungime de undă. După cum am spus, lumina aparține spectrului electromagnetic, care acoperă o gamă extrem de largă de lungimi de undă, de la undele radio la razele gamma. Următoarea imagine arată cum un fascicul de lumină albă împrăștie o prismă triunghiulară. Lumina este separată în lungimi de undă lungi (roșii) și scurte (albastre).

La mijloc se află banda îngustă de lungimi de undă cunoscută sub numele de spectru vizibil, variind de la 400 nanometri (nm) până la 700 nm.

Figura 2. Spectrul electromagnetic care arată domeniul luminii vizibile. Sursa: Sursa: Wikimedia Commons. Autor: Horst Frank.

Comportamentul luminii

Lumina are un comportament dual, de undă și de particule, așa cum este examinat. Lumina se propagă în același mod ca o undă electromagnetică și, ca atare, este capabilă să transporte energie. Dar când lumina interacționează cu materia, se comportă ca un fascicul de particule numite fotoni.

Figura 4. Propagarea unei unde electromagnetice. Sursa: Wikimedia Commons. SuperManu.

În 1802, fizicianul Thomas Young (1773-1829) a demonstrat că lumina are un comportament de undă folosind experimentul cu dublă fanta.

În acest fel a fost capabil să producă o interferență maximă și minimă pe un ecran. Acest comportament este tipic valurilor și astfel Young a putut să demonstreze că lumina era o undă și, de asemenea, a fost capabil să-și măsoare lungimea de undă.

Celălalt aspect al luminii este cel al unei particule, reprezentate de pachete de energie numite fotoni, care într-un vid se mișcă cu viteza c = 3 x 10 ⁸ m / s și nu au nicio masă. Dar au energie E:

Și, de asemenea, un moment de amploare:

Unde h este constanta lui Planck, a cărei valoare este 6,63 x 10 ^-34 Joule.second și f este frecvența undei. Combinând aceste expresii:

Și având în vedere că lungimea de undă λ și frecvența sunt legate de c = λ.f, rămâne:

Principiul Huygens

Figura 5. Fața undelor și razele luminoase se propagă în linie dreaptă. Sursa: Serway. R. Fizica pentru știință și inginerie.

Când studiem comportamentul luminii, există două principii importante care trebuie luate în considerare: principiul lui Huygens și principiul lui Fermat. Principiul lui Huygens afirmă că:

De ce valurile sferice? Dacă presupunem că mediul este omogen, lumina emisă de o sursă punctuală se va propaga în toate direcțiile în mod egal. Ne putem imagina lumina propagând în mijlocul unei sfere mari, cu razele distribuite uniform. Cine observă această lumină percepe că călătorește în linie dreaptă spre ochiul său și se deplasează perpendicular pe fața valului.

Dacă razele de lumină provin dintr-o sursă foarte îndepărtată, de exemplu Soarele, frontul de undă este plat, iar razele sunt paralele. Este vorba despre abordarea optică geometrică.

Principiul lui Fermat

Principiul lui Fermat afirmă că:

Acest principiu își datorează numele matematicianului francez Pierre de Fermat (1601-1665), care l-a stabilit pentru prima dată în 1662.

Conform acestui principiu, într-un mediu omogen, lumina se propagă la o viteză constantă, prin urmare, are o mișcare rectilinie uniformă, iar traiectoria sa este o linie dreaptă.

Propagarea luminii

Lumina călătorește ca o undă electromagnetică. Atât câmpul electric, cât și câmpul magnetic se generează reciproc, constituind unde cuplate care sunt în fază și sunt perpendiculare între ele și pe direcția de propagare.

În general, o undă care se propagă în spațiu poate fi descrisă în termenii frontului de undă. Acesta este setul de puncte care au amplitudine și fază egale. Cunoscând locația frontului de undă la un moment dat, orice locație ulterioară poate fi cunoscută, conform principiului lui Huygens.

Difracţie

Laser difractat de o fanta hexagonala. Lienzocian

Comportamentul de undă al luminii este clar evidențiat de două fenomene importante care apar în timpul propagării acesteia: difracția și interferența. În difracție, undele, indiferent de apă, sunet sau lumină, sunt distorsionate atunci când trec prin deschideri, ocolesc obstacole sau ocolesc colțuri.

Dacă diafragma este mare în comparație cu lungimea de undă, denaturarea nu este foarte mare, dar dacă deschiderea este mică, schimbarea formei de undă este mai vizibilă. Difracția este o proprietate exclusivă a undelor, așa că atunci când lumina prezintă difracție, știm că are un comportament de unde.

Interferențe și polarizare

La rândul său, interferența luminii apare atunci când undele electromagnetice care le compun se suprapun. În acest sens, acestea sunt adăugate vectorial și acest lucru ar putea genera două tipuri de interferențe:

–Constructiv, când intensitatea undei rezultate este mai mare decât intensitatea componentelor.

–Distructiv dacă intensitatea este mai mică decât cea a componentelor.

Interferența undelor luminoase are loc când undele sunt monocromatice și mențin aceeași diferență de fază tot timpul. Aceasta se numește consecvență. O lumină de genul acesta poate proveni de la un laser. Surse comune, cum ar fi becurile incandescente, nu produc lumină coerentă, deoarece lumina emisă de milioanele de atomi din filament este în continuă schimbare în fază.

Dar dacă o nuanță opacă cu două deschideri mici unul lângă altul este așezată pe același bec, lumina care iese din fiecare slot acționează ca o sursă coerentă.

În cele din urmă, când oscilațiile câmpului electromagnetic sunt toate în aceeași direcție, apare polarizarea. Lumina naturală nu este polarizată, deoarece este alcătuită din multe componente, fiecare oscilând într-o direcție diferită.

Experimentul lui Young

La începutul secolului al XIX-lea, fizicianul englez Thomas Young a fost primul care a obținut lumină coerentă cu o sursă obișnuită de lumină.

În faimosul său experiment cu două fante, a trecut lumina printr-o fanta într-un ecran opac. Conform principiului Huygens, sunt generate două surse secundare, care la rândul lor au trecut printr-un al doilea ecran opac cu două fante.

Figura 6. Animarea experimentului Young cu fanta dublă. Sursa: Wikimedia Commons.

Lumina obținută astfel ilumina un perete într-o cameră întunecată. Ceea ce era vizibil era un model format din alternarea zonelor de lumină și întuneric. Existența acestui tipar este explicată prin fenomenul de interferență descris mai sus.

Experimentul lui Young a fost foarte important pentru că a dezvăluit natura valurilor luminii. Ulterior, experimentul a fost realizat cu particule fundamentale precum electroni, neutroni și protoni, cu rezultate similare.

Fenomenele luminii

Reflecţie

Reflectarea luminii în apă

Când o rază de lumină atinge o suprafață, o parte din lumină poate fi reflectată și altele absorbite. Dacă este un mediu transparent, o parte din lumină își continuă drumul prin ea.

De asemenea, suprafața poate fi netedă, ca o oglindă, sau aspră și neuniformă. Reflexia care are loc pe o suprafață netedă se numește reflexie speculară, altfel este reflectare difuză sau reflexie neregulată. O suprafață extrem de lustruită, precum o oglindă, poate reflecta până la 95% din lumina incidentă.

Reflecție speculară

Figura arată o rază de lumină care călătorește într-un mediu, care poate fi aer. Se încadrează în unghiul θ ₁ pe o suprafață speculară plană și se reflectă în unghiul θ ₂ . Linia indicată normal este perpendiculară pe suprafață.

Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflecție. Sursa: Serway. R. Fizica pentru știință și inginerie.

Atât incidentul, cât și raza reflectată și suprafața normală la cea speculară sunt în același plan. Grecii antici au observat deja că unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflecție:

Această expresie matematică este legea reflectării luminii. Cu toate acestea, alte unde, cum ar fi sunetul, de exemplu, sunt de asemenea capabile să reflecte.

Majoritatea suprafețelor sunt dure și, prin urmare, reflectarea luminii este difuză. În acest fel lumina pe care o reflectă este trimisă în toate direcțiile, astfel încât obiectele pot fi văzute de oriunde.

Deoarece unele lungimi de undă sunt reflectate mai mult decât altele, obiectele au culori diferite.

De exemplu, frunzele copacilor reflectă lumina care este aproximativ în mijlocul spectrului vizibil, care corespunde cu culoarea verde. Restul lungimilor de undă vizibile sunt absorbite: de la ultraviolete aproape de albastru (350-450 nm) și roșu (650-700 nm).

Refracţie

Fenomenul de refracție. Josell7

Refracția luminii are loc deoarece lumina călătorește cu viteze diferite în funcție de mediu. În vid, viteza luminii este c = 3 x 10 ⁸ m / s, dar atunci când lumina atinge un mediu material, apar procese de absorbție și emisie care determină scăderea energiei și, odată cu aceasta, viteza.

De exemplu, atunci când se mișcă în aer, lumina călătorește cu o viteză aproape egală cu c, dar în apă, lumina călătorește la trei sferturi de c, în timp ce în sticlă călătorește la aproximativ două treimi din c.

Indicele de refracție

Indicele de refracție este notat n și definit ca coeficientul dintre viteza luminii într-un vid c și viteza sa în mediul respectiv v:

Indicele de refracție este întotdeauna mai mare decât 1, deoarece viteza luminii într-un vid este întotdeauna mai mare decât într-un mediu material. Unele valori tipice ale lui n sunt:

-Aer: 1.0003

-Apa: 1,33

-Glauza: 1,5

-Diamond: 2,42

Legea lui Snell

Când o rază de lumină lovește oblic granița dintre două medii, cum ar fi aerul și sticla, de exemplu, o parte a luminii este reflectată și o altă parte își continuă drumul în sticlă.

În acest caz, lungimea de undă și viteza suferă o variație la trecerea de la un mediu la altul, dar nu și frecvența. Deoarece v = c / n = λ.f și, de asemenea, într-un vid c = λo. f, atunci avem:

Adică lungimea de undă într-un mediu dat este întotdeauna mai mică decât lungimea de undă în vid λo.

Figura 8. Legea lui Snell. Sursa: Figura stângă: diagrama refracției luminii. Rex, A. Fundamentele fizicii. Figura dreaptă: Wikimedia Commons. Josell7.

Notă triunghiurile care au o ipotenuză comună în roșu. În fiecare mediu, hipotenuză măsoară λ ₁ / sin θ ₁ și respectiv λ ₂ / sin θ ₂ , deoarece λ și v sunt proporționale, deci:

Deoarece λ = λ _o / n avem:

Care poate fi exprimat ca:

Aceasta este formula legii lui Snell, în onoarea matematicianului olandez Willebrord Snell (1580-1626), care a derivat-o experimental observând lumina care trece din aer în apă și sticlă.

În mod alternativ, legea lui Snell este scrisă în ceea ce privește viteza luminii în fiecare mediu, folosind definiția indicelui de refracție: n = c / v:

dispersare

Așa cum am explicat mai sus, lumina este formată din fotoni cu energii diferite și fiecare energie este percepută ca o culoare. Lumina albă conține fotoni din toate energiile și, prin urmare, poate fi descompusă în diferite lumini colorate. Aceasta este risipirea luminii, care fusese deja studiată de Newton.

Picăturile de apă din atmosferă se comportă ca niște prisme mici. Sursa: Pixabay.

Newton a luat o prismă optică, a trecut un fascicul de lumină albă prin ea și a obținut dungi colorate care variază de la roșu la violet. Această franjură este spectrul luminii vizibile observat în figura 2.

Răspândirea luminii este un fenomen natural, a cărui frumusețe o admirăm pe cer atunci când se formează curcubeul. Lumina soarelui cade pe picăturile de apă din atmosferă, care acționează ca niște prisme minuscule asemănătoare lui Newton, risipind astfel lumina.

Culoarea albastră cu care vedem cerul este și o consecință a dispersiei. Bogată în azot și oxigen, atmosfera dispersează în principal nuanțe de albastru și violet, dar ochiul uman este mai sensibil la albastru și, prin urmare, vedem cerul acestei culori.

Când Soarele este mai jos la orizont, în timpul răsăritului sau apusului, cerul devine portocaliu, datorită faptului că razele de lumină trebuie să treacă printr-un strat mai gros de atmosferă. Tonurile roșiatice ale frecvențelor inferioare interacționează mai puțin cu elementele atmosferei și profită pentru a ajunge direct la suprafață.

Atmosfere abundente de praf și poluare, cum ar fi cele din unele orașe mari, au cerul cenușiu datorită dispersiei frecvențelor joase.

Teorii despre lumină

Lumina a fost considerată în primul rând ca o particulă sau ca o undă. Teoria corpusculară pe care Newton a apărat-o, considera lumina ca un fascicul de particule. În timp ce reflecția și refracția ar putea fi explicate în mod adecvat presupunând că lumina era o undă, așa cum a susținut Huygens.

Cu mult înainte de acești remarcabili oameni de știință, oamenii deja speculaseră despre natura luminii. Printre ei filosoful grec Aristotel nu putea lipsi. Iată un scurt rezumat al teoriilor luminii în timp:

Teoria aristotelică

Acum 2.500 de ani, Aristotel a afirmat că lumina a ieșit din ochii observatorului, a luminat obiecte și a revenit într-un fel cu imaginea, astfel încât să poată fi apreciată de către persoană.

Teoria corpusculară a lui Newton

Newton credea că lumina constă din particule minuscule care se propagă în linie dreaptă în toate direcțiile. Când ajung la ochi, înregistrează senzația ca lumină.

Teoria undelor Huygens

Huygens a publicat o lucrare numită „Tratat asupra luminii” în care a propus că acesta este o perturbare a mediului similar cu undele sonore.

Teoria electromagnetică a lui Maxwell

Deși experimentul cu două fante nu a lăsat nicio îndoială cu privire la natura valurilor luminii, în mare parte din secolul al XIX-lea au existat speculații despre tipul de undă pe care a fost-o, până când Maxwell a declarat în teoria sa electromagnetică că lumina constă din propagarea unui câmp electromagnetic.

Lumina ca undă electromagnetică explică fenomenele de propagare a luminii așa cum este descris în secțiunile precedente și este un concept acceptat de fizica actuală, așa cum este natura corpusculară a luminii.

Teoria corpusculară a lui Einstein

Conform concepției moderne despre lumină, acesta este format din particule fără masă și neîncărcate numite fotoni. În ciuda faptului că nu au masă, au impuls și energie, așa cum am explicat mai sus. Această teorie explică cu succes modul în care lumina interacționează cu materia, schimbând energie în cantități discrete (cuantificate).

Existența cantei de lumină a fost propusă de Albert Einstein pentru a explica efectul fotoelectric descoperit de Heinrich Hertz cu câțiva ani mai devreme. Efectul fotoelectric constă în emisia de electroni de către o substanță pe care a fost afectat un anumit tip de radiații electromagnetice, aproape întotdeauna în intervalul de la lumina ultravioletă până la lumina vizibilă.

Referințe

1. Figueroa, D. (2005). Serie: fizică pentru știință și inginerie. Volumul 7. Valurile și fizica cuantică. Editat de Douglas Figueroa (USB).
2. Physic. Teoriile luminii. Recuperat de la: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6-a. Sala Ed Prentice.
4. Miscarea undelor. Principiul lui Fermat. Recuperat din: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fizică. Hipertextul Santillana.
7. Serway, R. 2019. Fizică pentru știință și inginerie. Al 10-lea. Ediție. Volumul 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. O introducere în știința fizică. A XII-a ediție. Brooks / Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Ușoară. Recuperat de la: es.wikipedia.org.