Fényben lévő fizikai optika , elektromágneses sugárzás , amelyet az emberi szem érzékel . A fény által elfoglalt spektrális tartomány rövid hullámhosszú határaként egy 380–400 nm (750–790 THz ) vákuum hullámhosszú szakaszt, a hosszú hullámhossz határaként pedig egy 760–780 nm közötti szakaszt veszünk. 385–395 THz) [1] .
Tágabb értelemben, a fizikai optikán kívül használva a fényt gyakran bármilyen optikai sugárzásnak [2] nevezik , vagyis olyan elektromágneses sugárzásnak, amelynek hullámhossza néhány nanométertől a tizedmilliméterig terjedő tartományba esik . 3] . Ebben az esetben a „fény” fogalmába a látható sugárzáson kívül az infravörös és az ultraibolya sugárzás is beletartozik.
A fizika azon ágát , amely a fényt vizsgálja, optikának nevezik .
Ezenkívül, különösen az elméleti fizikában, a fény kifejezés néha egyszerűen az elektromágneses sugárzás kifejezés szinonimája lehet, függetlenül annak frekvenciájától, különösen akkor, ha a specifikáció nem fontos, de például egy rövidebb szót akarunk használni.
A fényt tekinthetjük elektromágneses hullámnak , amelynek terjedési sebessége vákuumban állandó, vagy fotonok - bizonyos energiájú , impulzusos , megfelelő impulzusimpulzusú és nulla tömegű részecskék - áramának (vagy ahogy korábban mondták, nulla nyugalmi állapotú ) tömeg ).
A fény egyik szubjektív jellemzője, amelyet egy személy tudatos vizuális érzet formájában észlel, a színe , amelyet a monokromatikus sugárzás esetében elsősorban a fény frekvenciája , a komplex sugárzás esetében pedig a spektrális összetétele határoz meg.
A fény terjedhet még anyag hiányában is, vagyis vákuumban . Ebben az esetben az anyag jelenléte befolyásolja a fény terjedési sebességét.
A fény sebessége vákuumban 299 792 458 m/s ( pontosan ).
A médiák közötti határfelületen lévő fény fénytörést és/vagy visszaverődést tapasztal . Ahogy terjed a közegben, a fény elnyeli és szétszórja az anyagot. A közeg optikai tulajdonságait a törésmutatóval jellemezzük , amelynek valós része egyenlő a vákuumban lévő fény fázissebességének és az adott közegben lévő fény fázissebességének arányával, a képzeletbeli rész pedig a fény elnyelését írja le . . Izotróp közegekben, ahol a fény terjedése nem függ az iránytól, a törésmutató skalárfüggvény (általános esetben az idő és a koordináta függvénye). Anizotróp közegben tenzorként ábrázolják . A törésmutatónak a fény hullámhosszától való függése - optikai diszperzió - oda vezet, hogy a különböző hullámhosszúságú fény egy közegben különböző sebességgel terjed, ami lehetővé teszi a nem monokromatikus fény (például fehér) fényre bontását. spektrum.
Mint minden elektromágneses hullám, a fény is polarizálható . A lineárisan polarizált fénynek van egy meghatározott síkja (az úgynevezett polarizációs sík), amelyben az elektromágneses hullám elektromos komponensének rezgései fellépnek. Elliptikusan (különösen körkörösen) polarizált fényben az elektromos vektor a polarizáció irányától függően az óramutató járásával megegyező vagy ellentétes irányban "forog".
A polarizálatlan fény véletlenszerű polarizációjú fényhullámok keveréke. A polarizált fény a közeg törésmutatóitól függően elválasztható a nem polarizált fénytől polarizátoron való áteresztéssel vagy a közegek közötti interfészen való visszaverődéssel/áteresztéssel, ha egy bizonyos szögben az interfészre esik, a közeg törésmutatóitól függően (lásd a Brewster-szöget ). Egyes közegek elforgathatják az áteresztett fény polarizációs síkját, és a forgási szög az optikailag aktív anyag koncentrációjától függ - ezt a jelenséget különösen az anyagok polarimetriás analízisénél használják (például a fény koncentrációjának mérésére). cukor oldatban).
Kvantitatívan a fény intenzitását többféle fotometriai mennyiséggel jellemezzük. A legfontosabbak az energia- és fénymennyiségek . Közülük az első a fényt jellemzi, tekintet nélkül az emberi látás tulajdonságaira. Ezeket energia- vagy teljesítményegységekben , valamint ezek származékaiban fejezik ki . Az energiamennyiségek közé tartozik különösen a sugárzási energia , a sugárzási fluxus , a sugárzás erőssége , az energia fényessége , az energia fényessége és a besugárzás .
Minden energiamennyiség egy analógnak – egy fényfotometriai mennyiségnek – felel meg. A fénymennyiségek abban különböznek az energiamennyiségektől, hogy a fényt az alapján értékelik, hogy képes vizuális érzeteket kelteni az emberben. A fent felsorolt energiamennyiségek fényanalógjai a fényenergia , a fényáram , a fényerősség , a fényerő , a fényerő és a megvilágítás .
Ha figyelembe vesszük a vizuális érzetek fényhullámhossztól való függését a fénymennyiségek függvényében, az azt eredményezi, hogy ugyanazon értékek mellett, például a zöld és lila fény által átadott energia esetében az első esetben lényegesen nagyobb lesz az átvitt fényenergia. mint a másodikban. Ez az eredmény azt a tényt tükrözi, hogy az emberi szem érzékenysége a zöld fényre nagyobb, mint az ibolya fényre.
Látható fény - elektromágneses sugárzás ≈ 380-760nm hullámhosszal ( ibolya - piros között).
A fény sebessége vákuumban pontosan 299 792 458 m/s (körülbelül 300 000 km/s). A fénysebesség SI -ben rögzített értéke annak a ténynek köszönhető, hogy a métert 1983 óta SI-ben mért hosszegységként a fény által megtett távolságként határozták meg a másodperc 1/299 792 458 másodpercében [4] . Valamennyi elektromágneses sugárzásról azt tartják, hogy vákuumban pontosan ugyanolyan sebességgel terjed.
A történelem során különböző fizikusok próbálták megmérni a fénysebességet. Galilei 1607-ben sikertelenül próbálta megmérni a fénysebességet. Egy másik kísérletet a fénysebesség mérésére 1676-ban végzett Ole Römer dán fizikus . Römer a távcső segítségével a Jupiter és egyik holdjának , az Ionak a mozgását figyelte meg, miközben az Io fogyatkozásának pillanatait rögzítette. Roemer megállapította, hogy ezek a pillanatok a Föld helyzetétől függenek a pályáján. Feltételezve, hogy ez a függőség a fénysebesség végességéből adódik, kiszámította, hogy a fénynek körülbelül 22 percre van szüksége ahhoz, hogy a Föld pályájának átmérőjével megegyező távolságot tegyen meg [5] . A mérete azonban akkor még nem volt ismert. Ha Roemer tudta volna a Föld pályájának átmérőjét, akkor 227 000 000 m/s sebességértéket kapott volna.
Egy másik, pontosabb módszert a fénysebesség mérésére a francia Hippolyte Fizeau alkalmazott 1849-ben. Fizeau fénysugarat irányított egy több kilométeres távolságban lévő tükörbe. Egy forgó fogaskereket helyeztek a fénysugár útjába, amely a forrástól a tükörig jutott, majd visszatért a forrásához. Fizeau megállapította, hogy egy bizonyos forgási sebességnél a gerenda útközben áthalad a kerék egyik résén, visszafelé pedig a következő résen. Tudva a tükör távolságát, a kerék fogainak számát és a forgási sebességet, Fizeau ki tudta számítani a fénysebességet - 313 000 000 m / s értéket kaptak.
Jelentős előrelépést értek el a fénysebesség mérésében egy másik francia - Francois Arago (1838) által javasolt forgótükör-módszer alkalmazása és továbbfejlesztése eredményeként. Az Arago ötletének kidolgozása és megvalósítása után Leon Foucault 1862 - ben megkapta a 298 000 000 ± 500 000 m/s fénysebesség értékét. 1891-ben Simon Newcomb , miután egy nagyságrenddel megnövelte a mérések pontosságát, 299 810 000 ± 50 000 m/s értéket kapott. Sok éves erőfeszítés eredményeként Albert A. Michelson még nagyobb pontosságot ért el: az általa 1926 -ban kapott érték 299 796 000 ± 4 000 m/s volt. E mérések során A. Michelson megmérte azt az időt, amely ahhoz szükséges, hogy a fény két hegy csúcsa között 35,4 km-nek (pontosabban 35 373,21 m-nek) tegye meg a távolságot [6] .
A legnagyobb mérési pontosságot az 1970-es évek elején érték el. 1975 -ben a XV. Általános Súly- és Mértékkonferencia rögzítette ezt az álláspontot, és azt javasolta, hogy a fénysebességet 299 792 458 m/s-nak tekintsék 4•10 -9 relatív hibával , ami 1,1 m/es abszolút hibának felel meg. s [7] . Ezt követően a fénysebességnek ezt az értékét vették alapul a mérő definíciójához a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI), és magát a fénysebességet kezdték alapvető fizikai állandónak tekinteni , definíció szerint egyenlő pontosan a megadott értéket .
A közönséges anyagot tartalmazó különféle átlátszó anyagokban az effektív fénysebesség kisebb, mint a vákuumban. Például a fény sebessége vízben körülbelül 3/4-e a vákuumban lévő fénysebességnek. Úgy gondolják, hogy az anyag áthaladása során a fénysebesség csökkenése nem a fotonok tényleges lelassulásával, hanem az anyagrészecskék általi elnyelésével és újraemissziójával magyarázható.
A fénylassulás extrém példájaként két független fizikuscsoportnak sikerült teljesen "megállítania" a fényt azáltal, hogy egy rubídium alapú Bose-Einstein kondenzátumon vezette át [8] . A „stop” szó azonban ezekben a kísérletekben csak az atomok gerjesztett állapotában tárolt, majd egy tetszőleges későbbi időpontban újra kisugárzott fényre vonatkozik, amelyet egy második lézerimpulzus stimulál. Abban az időben, amikor a fény "leállt", megszűnt világos lenni.
A fény, valamint a fény és az anyag kölcsönhatásának tanulmányozását optikának nevezik. Az olyan optikai jelenségek megfigyelése és tanulmányozása, mint a szivárvány és az északi fény, rávilágít a fény természetére.
A fénytörés a fény (fénysugarak) terjedési irányának megváltozása, amikor áthalad két különböző átlátszó közeg határfelületén. Ezt a Snell-törvény írja le :
ahol a sugár és a felület normálja közötti szög az első közegben, a sugár és a felület normálja közötti szög a második közegben, és és az első és a második közeg törésmutatói. Sőt, vákuumhoz és átlátszó közegekhez.
Amikor egy fénysugár átlépi a vákuum és egy másik közeg, vagy két különböző közeg közötti határt, a fény hullámhossza megváltozik, de a frekvencia változatlan marad. Ha a fény a rá nem merőleges határra esik, akkor a hullámhossz változása terjedési irányának megváltozásához vezet. Ez az irányváltozás a fény törése.
A lencsék fénytörését gyakran használják a fény szabályozására oly módon, hogy a kép látszólagos mérete megváltozzon, például nagyítókban , szemüvegekben , kontaktlencsékben, mikroszkópokban és teleszkópokban.
A fény számos fizikai folyamatban keletkezik, amelyben töltött részecskék vesznek részt. A legfontosabb a hősugárzás , amelynek folytonos spektruma van, maximumával, amelynek helyzetét a forrás hőmérséklete határozza meg. A napsugárzás közel áll egy teljesen fekete test hősugárzásához, körülbelül 6000 K - re melegítve , és a napsugárzás körülbelül 40%-a a látható tartományban található, és a spektrumban a maximális teljesítményeloszlás közel 550 nm. (zöld szín). Egyéb folyamatok, amelyek fényforrások:
Az alkalmazott tudományokban fontos a fényforrás spektrumának pontos jellemzése . A következő típusú források különösen fontosak:
Ezek a források eltérő színhőmérsékletűek .
Az ipar által gyártott fénycsövek különféle spektrális összetételű sugárzást bocsátanak ki, beleértve:
A fény egyik legfontosabb és a tudomány és a gyakorlat által követelt jellemzője, mint minden más fizikai objektum, az energiajellemzők. Az ilyen, energiafotometriai mennyiségekben kifejezett jellemzők mérése és tanulmányozása a fotometria egy szakaszának tárgya, az úgynevezett "optikai sugárzás radiometriája" [9] . Így a radiometria az emberi látás tulajdonságaitól függetlenül vizsgálja a fényt.
Másrészt a fény különleges szerepet játszik az emberi életben, ellátja őt az őt körülvevő világról az élethez szükséges információk nagy részével. Ez annak köszönhető, hogy az emberekben a látószervek - a szemek - jelen vannak. Ez azt jelenti, hogy meg kell mérni a fény olyan jellemzőit, amelyek alapján meg lehet ítélni, hogy képes-e vizuális érzeteket gerjeszteni. Az említett jellemzők fényfotometriai mennyiségekben vannak kifejezve, mérésük és kutatásuk a fotometria egy másik szakaszának - a "fényméréseknek" - a tárgya [9] .
Fénymennyiségek mérésére szolgáló egységként speciális fénymértékegységeket használnak, amelyek a „ kandela ” fényerősség mértékegységén alapulnak , amely a Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) hét alapegységének egyike .
A fény- és energiamennyiségeket a monokromatikus sugárzás relatív spektrális fényhatékonysága alapján viszonyítják egymáshoz a nappali látáshoz [10] , ami a nappali látáshoz igazodó átlagos emberi szem relatív spektrális érzékenységét jelenti . Hullámhosszú monokromatikus sugárzás esetén a tetszőleges fénymennyiséget a megfelelő energiamennyiséggel összekötő összefüggést SI-ben a következőképpen írjuk le:
Általános esetben, amikor a sugárzási energia spektrumbeli eloszlására nincs korlátozás, ez az összefüggés a következőképpen alakul:
ahol az energiamennyiség spektrális sűrűsége, a mennyiségnek a kis spektrális intervallumonkénti arányaként definiálva ezen intervallum és a szélesség között. A sugárzást jellemző fénymennyiség és a neki megfelelő energiamennyiség kapcsolatát is a sugárzás fényhatékonyságának fogalmával fejezzük ki .
A fénymennyiségek a redukált fotometriai mennyiségek osztályába tartoznak , amelybe más fotometriai mennyiségek rendszerei is tartoznak. Az SI-n belül azonban csak a fénymennyiségek vannak legalizálva, és csak ezekre vonatkozóan határoznak meg speciális mértékegységeket az SI-ben.
A fény fizikai nyomást fejt ki az útjába kerülő tárgyakra, ez a jelenség a Maxwell-egyenletekből nem vezethető le, de a korpuszkuláris elméletben könnyen megmagyarázható, amikor a fotonok ütközésbe ütköznek egy akadállyal és átadják lendületüket. A fénynyomás egyenlő a fénynyaláb teljesítményének osztva a fénysebességgel. A fénysebesség nagysága miatt a fénynyomás hatása elhanyagolható a mindennapi tárgyakra. Például egy 1 milliwattos lézermutató körülbelül 3,3 pN nyomást hoz létre. Az így megvilágított tárgyat fel lehetne emelni, bár egy 1 filléres érméhez ehhez körülbelül 30 milliárd 1 mW-os lézermutatóra lenne szükség. [11] Nanométeres léptékben azonban a fénynyomás hatása jelentősebb, és a fénynyomás alkalmazása mechanizmusok meghajtására és nanométeres kapcsolók kapcsolására integrált áramkörökben aktív kutatási terület. [12]
Nagy léptékben az enyhe nyomás hatására az aszteroidák gyorsabban forognak [13] , és szabálytalan formájukra, például szélmalomlapátokra hatnak. Vizsgálják annak lehetőségét is, hogy olyan napvitorlákat készítsenek, amelyek felgyorsítanák az űrhajók mozgását az űrben. [14] [15]
A Kr.e. V. században Empedoklész azt javasolta , hogy a világon minden négy elemből áll: tűz, levegő, föld és víz. Úgy vélte, hogy ebből a négy elemből Aphrodité istennő létrehozta az emberi szemet, és tüzet gyújtott benne, amelynek izzása lehetővé tette a látást. Annak a ténynek a magyarázatára, hogy az ember éjszaka nem lát olyan jól , mint nappal , Empedoklész kölcsönhatást feltételezett a szemből érkező sugarak és a fényforrásokból, például a napból származó sugarak között .
Kr.e. 300 körül e. Euklidész megírta a máig fennmaradt "Optika" című munkát, amelyben a fény tulajdonságait vizsgálta. Eukleidész azt állította, hogy a fény egyenes vonalban halad, tanulmányozta a fényvisszaverődés törvényeit, és matematikailag leírta azokat. Kétségeit fejezte ki azzal kapcsolatban, hogy a látás a szemből kisugárzó sugár eredménye, és azon töprengett, hogyan láthatja azonnal a csillagokat az ember, aki éjszaka kinyitotta a szemét az ég felé irányítva . A probléma csak akkor oldódott meg, ha az emberi szemből kiáramló fénysugár sebessége végtelenül nagy volt.
Kr.e. 55-ben. e. Lucretius római író , aki a korai görög atomista filozófusok gondolatait folytatta, „ A dolgok természetéről ” című esszéjében azt írta, hogy a nap fénye és hője a legkisebb mozgó részecskékből áll. Lucretiusnak a fény természetéről alkotott nézetei azonban nem kaptak általános elismerést.
Ptolemaiosz (kb. II. század) "Optika" című könyvében leírta a fénytörést.
A 17. század óta tudományos viták folynak a fény természetéről a hullám és a korpuszkuláris elméletek hívei között.
A hullámelmélet megalapítója Rene Descartes , aki a fényt a világ szubsztanciájának - a plénumnak - perturbációinak tekintette. A fény hullámelméletét Robert Hooke dolgozta ki , aki azt javasolta, hogy a fény keresztirányú hullám, és Christian Huygens , aki a fény visszaverődésének és törésének megfelelő elméletét adta meg annak hullámtermészete alapján. Huygens szerint a fényhullámok speciális közegben – éterben – terjednek . Valamivel korábban Grimaldi felfedezte a fény interferenciáját és diffrakcióját, a hullámok gondolatával magyarázva ezeket, bár nem túl világos és tiszta formában, feltételezve a szín és a fény hullámtulajdonságai közötti kapcsolatot.
A korpuszkuláris elméletet Pierre Gassendi fogalmazta meg, és Isaac Newton támogatta .
A 19. század elején Thomas Young diffrakciós kísérletei meggyőző bizonyítékot szolgáltattak a hullámelmélet mellett. Jung azt javasolta, hogy a különböző színek különböző hullámhosszoknak felelnek meg. Ugyanakkor Malus és Biot polarizációs kísérletei, mint akkoriban látszott, meggyőző bizonyítékot adtak a korpuszkuláris elmélet mellett és a hullámelmélet ellen. De 1815-ben Ampère azt mondta Fresnelnek, hogy a fény polarizációja hullámokkal is magyarázható, feltételezve, hogy a fény keresztirányú hullámok. 1817-ben Augustin Fresnel a Tudományos Akadémiának küldött feljegyzésben ismertette a fényhullámelméletét .
Az elektromágnesesség elméletének megalkotása után a fényt elektromágneses hullámként azonosították.
A hullámelmélet győzelme megingott a 19. század végén, amikor Michelson-Morley kísérletei nem mutatták ki az étert. A hullámoknak szükségük van egy közegre, amelyben terjedhetnek, de gondosan megtervezett kísérletek nem erősítették meg ennek a közegnek a létezését. Ez vezetett Albert Einstein speciális relativitáselméletének megalkotásához.
A saját sugárzással rendelkező fekete test termikus egyensúlyának problémájának Max Planck általi mérlegelése a fénykibocsátás gondolatának kialakulásához vezetett - fénykvantumokban, amelyeket fotonoknak neveztek. A fotoelektromos hatás jelenségének Einstein elemzése kimutatta, hogy a fényenergia abszorpciója kvantumok által is megtörténik.
A kvantummechanika fejlődésével megszületett Louis de Broglie gondolata a korpuszkuláris-hullám dualizmusról, miszerint a fénynek rendelkeznie kell hullámtulajdonságokkal, ami megmagyarázza diffrakciós és interferencia képességét , valamint korpuszkuláris tulajdonságokkal, ami megmagyarázza. abszorpciója és sugárzása.
A kvantummechanika fejlődésével kezdett kialakulni annak megértése, hogy az anyagnak (részecskéknek) is van hullámtermészete, és sok tekintetben hasonlítanak a fényhez.
A modern alapvető fizikában (lásd például: #Quantum electrodynamics ) a fényt és az „anyagrészecskéket” lényegében egyenrangúnak tekintik - kvantumtereknek (bár különböző típusúak, amelyek jelentős eltéréseket mutatnak). A korpuszkuláris (főleg az útintegrálok technikájával reprezentált ) és a hullámszemlélet modern formájában meglehetősen különböző technikai megközelítések vagy reprezentációk egyazon képen belül.
Csak azért láthatjuk a körülöttünk lévő világot, mert van fény, és az ember képes érzékelni azt. Viszont az elektromágneses sugárzás észlelése a spektrum látható tartományában annak a ténynek köszönhető, hogy az emberi retinában olyan receptorok találhatók, amelyek reagálni tudnak erre a sugárzásra.
Az emberi szem retinájában kétféle fényérzékeny sejt található: rudak és kúpok . A rudak nagyon érzékenyek a fényre és gyenge fényviszonyok mellett is működnek, így felelősek az éjszakai látásért . Az érzékenység spektrális függősége azonban minden rúd esetében azonos, így a rudak nem tudják biztosítani a színek megkülönböztetésének képességét. Ennek megfelelően a segítségükkel kapott kép csak fekete-fehér.
A kúpok viszonylag alacsony fényérzékenységgel rendelkeznek, és olyan mechanizmust biztosítanak a nappali látás számára , amely csak magas fényszint mellett működik. Ugyanakkor a pálcákkal ellentétben az emberi retinán nem egy, hanem háromféle kúp található, amelyek spektrális érzékenység-eloszlásuk maximumainak elhelyezkedésében különböznek egymástól. Ennek eredményeként a kúpok nemcsak a fény intenzitásáról adnak információt, hanem a spektrális összetételéről is. Ennek az információnak köszönhetően az embernek színérzéke van.
A fény spektrális összetétele egyedileg határozza meg a személy által érzékelt színt. Ennek az ellenkezője azonban nem igaz: ugyanazt a színt különböző módon lehet megszerezni. A monokromatikus fény esetében a helyzet leegyszerűsödik: a fény hullámhossza és színe közötti megfelelés egy az egyhez válik. Az ilyen levelezés adatait a táblázat tartalmazza.
Az elektromágneses sugárzás és a színek frekvenciájának megfelelőségi táblázataSzín | Hullámhossz tartomány, nm | Frekvencia tartomány, THz | Foton energia tartomány, eV |
---|---|---|---|
Ibolya | 380-440 | 790-680 | 3,26-2,82 |
Kék | 440-485 | 680-620 | 2,82-2,56 |
Kék | 485-500 | 620-600 | 2,56-2,48 |
Zöld | 500-565 | 600-530 | 2,48-2,19 |
Sárga | 565-590 | 530-510 | 2,19-2,10 |
narancssárga | 590-625 | 510-480 | 2,10-1,98 |
Piros | 625-740 | 480-405 | 1,98-1,68 |
A fény nem csak a környező tárgyak észlelésére van hatással - jótékonyan vagy negatívan befolyásolhatja a szem és a test állapotát, a benne zajló folyamatokat.
A hullámhossz és a stimulált folyamat közötti kapcsolat [16]Hullámhossz, nm | 380 | 440-450 | 460 | 480 | (650) | 670 | (780) | 900 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
stimulált folyamat | a szem dopaminrendszerének stimulálása , a szem optikai tengelyének szabályozása | oxidatív reakció a retinában | a hormonrendszer szabályozása | pupillakontroll , pupillatartó hatás | (a fény és színe egyidejű meghatározásának alsó határa) | az ATP szintézis hatékonyságának növelése a mitokondriumokban | (a rálátási görbe) | a celluláris melatonin szintézise |
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|