El origen histórico de la luz
En definiciones científicas, la luz se refiere a todo el espectro electromagnético.
La luz está compuesta de fotones como partículas básicas y tiene propiedades de partículas y de fluctuación, lo que se denomina dualidad onda-partícula.
La luz puede propagarse en materiales transparentes como el vacío, el aire y el agua.
No existe un límite claro para el rango de luz visible. La longitud de onda de la luz que los ojos de la gente común pueden aceptar está entre 400 y 700 mm.
La luz que ven las personas proviene del sol o con la ayuda de dispositivos emisores de luz, incluidas lámparas incandescentes, tubos fluorescentes, láseres, luciérnagas, etc.
Debido a que la luz es una sustancia indispensable para la supervivencia humana, existen muchos modismos sobre la luz, así como canciones con el mismo nombre.
Se publicaron los resultados de la investigación del físico escocés James Clerk Maxwell, uno de los gigantes de la física del siglo XIX, y los físicos tenían una comprensión clara de las leyes de la óptica.
En cierto sentido, Maxwell es la antítesis de Michael Faraday.
Faraday tenía una intuición asombrosa en los experimentos pero no tenía ninguna formación formal, mientras que Maxwell, un contemporáneo de Faraday, era un maestro en matemáticas avanzadas.
Destacó en matemáticas y física en la Universidad de Cambridge, donde Isaac Newton había completado su trabajo dos siglos antes.
Newton inventó el cálculo.
El cálculo se expresa en el lenguaje de las "ecuaciones diferenciales" y describe cómo las cosas experimentan suavemente cambios sutiles en el tiempo y el espacio.
El movimiento de las olas del océano, los líquidos, los gases y las conchas se pueden describir en el lenguaje de ecuaciones diferenciales.
Maxwell comenzó su trabajo con un objetivo claro: expresar los revolucionarios resultados de la investigación de Faraday y su campo de fuerza en ecuaciones diferenciales precisas.
Maxwell fue el primero en descubrir que el campo eléctrico de Faraday podía convertirse en campo magnético y viceversa.
Tomó la descripción de Faraday del campo de fuerza y la reescribió en el lenguaje preciso de las ecuaciones diferenciales, dando como resultado una de las ecuaciones más importantes de la ciencia moderna.
Son un conjunto de ocho ecuaciones que parecen muy difíciles.
Todos los físicos e ingenieros del mundo tuvieron que trabajar duro para digerir estas ecuaciones mientras estudiaban electromagnetismo a nivel de posgrado.
Más tarde, Maxwell se hizo una pregunta fatídica: si los campos magnéticos pudieran transformarse en campos eléctricos y viceversa, ¿qué pasaría si se transformaran para siempre uno en otro? Maxwell descubrió que estos campos electromagnéticos producían una onda muy similar a las olas del océano.
Para su sorpresa, calculó la velocidad de estas ondas y descubrió que ¡era la velocidad de la luz! Después de descubrir este hecho en 1864, escribió proféticamente: "Esta velocidad es tan cercana a la velocidad de la luz que tenemos todas las razones para creer que la luz en sí misma es una interferencia electromagnética".
"Esta puede ser la primera vez en la historia de la humanidad. Uno de los mayores descubrimientos.
Por primera vez en la historia, el misterio de la luz finalmente ha sido revelado.
Maxwell de repente se dio cuenta de que la gloria del amanecer, las llamas rojas del atardecer, los colores brillantes del arco iris y las estrellas titilantes en el cielo podían describirse mediante las ondas que escribió apresuradamente en una página. .
Hoy nos damos cuenta de que todo el espectro electromagnético -desde antenas de televisión, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, rayos X, microondas, rayos gamma- son sólo ondas de Maxwell, campos de fuerza de Faraday que vibran.
La luz se divide en luz artificial y luz natural.
Los objetos que emiten luz por sí mismos se denominan fuentes de luz, que se dividen en fuentes de luz fría y fuentes de luz caliente.
La imagen muestra una fuente de luz artificial.
Los experimentos han demostrado que la luz es radiación electromagnética, y el rango de longitud de onda de esta parte de las ondas electromagnéticas es de aproximadamente 0,77 micras de luz roja a 0,39 micras de luz violeta.
Las ondas electromagnéticas con longitudes de onda desde 0,77 micras hasta aproximadamente 1000 micras se denominan "rayos infrarrojos".
Por debajo de 0,39 micras hasta aproximadamente 0,04 micras se denomina “ultravioleta”.
Los rayos infrarrojos y ultravioleta no pueden provocar la visión, pero la presencia de dichos objetos luminosos se puede medir y detectar mediante instrumentos ópticos o fotografía.
De modo que el concepto de luz en óptica también puede extenderse a los campos infrarrojo y ultravioleta. Incluso los rayos X se consideran luz y el espectro de la luz visible es sólo una parte del espectro electromagnético.
La luz tiene dualidad onda-partícula, es decir, puede considerarse como una onda electromagnética con una frecuencia muy alta, o puede considerarse como una partícula, denominada fotón.
La velocidad de la luz sustituyó al reloj de platino conservado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de París como estándar para definir "metro", y se acordó que la velocidad de la luz era estrictamente igual a 299.792.458 m. /s, consistente con las definiciones de metros y segundos en ese momento.
Más tarde, a medida que la precisión de los experimentos siguió mejorando, el valor de la velocidad de la luz cambió. Un metro se define como la distancia recorrida por la luz en 1/299792458 segundos, y la velocidad de la luz se representa con "C".
La luz es una de las fuentes de vida en la tierra.
La luz es la base de la vida humana.
La luz es una herramienta para que el ser humano comprenda el mundo exterior.
La luz es un portador o medio de comunicación ideal para la información.
Según las estadísticas, al menos el 90% de toda la información que reciben los órganos de los sentidos humanos del mundo exterior se transmite a través de los ojos... Cuando se proyecta un rayo de luz sobre un objeto, se produce reflexión, refracción , interferencia y difracción.
La luz se propaga en línea recta en un medio uniforme.
Las ondas de luz, incluidos los rayos infrarrojos, tienen longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas que las microondas. Por lo tanto, el paso de la comunicación por microondas en la comunicación eléctrica a la comunicación óptica es una tendencia natural e inevitable.
Luz ordinaria: Generalmente la luz está compuesta por muchos fotones. Bajo fluorescencia (luz diurna normal, luz de lámpara, luz de velas, etc.). ), no hay conexión entre los fotones, es decir, diferentes longitudes de onda, diferentes fases, diferentes direcciones de polarización y diferentes direcciones de propagación. Es como un ejército de fotones desorganizado e indisciplinado. Todos los fotones son soldados dispersos y no pueden actuar de manera unificada.
Cuando la luz se refleja, el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. En un mismo plano, a ambos lados de la normal, la trayectoria de la luz se puede invertir.
Los tipos de fuentes de luz se pueden dividir en tres tipos.
La primera es la luz producida por el efecto térmico. El sol es un buen ejemplo. Aparte de eso, lo mismo ocurre con las velas y otros artículos. Esta luz cambia de color a medida que cambia la temperatura.
La segunda es la luminiscencia de los átomos. La sustancia fluorescente recubierta en la pared interior del tubo fluorescente es excitada por la energía de ondas electromagnéticas para producir luz. El principio de las luces de neón es el mismo.
La luz atómica tiene su propio color básico.
El tercer tipo es un sincrotrón, que emite una potente energía luminosa. Esta es la luz emitida por un horno atómico, pero rara vez tenemos la oportunidad de entrar en contacto con esta luz en nuestra vida diaria.
Dispersión de la luz El fenómeno de descomposición de la luz policromática en luz monocromática se denomina dispersión óptica. Newton observó por primera vez la dispersión de la luz en 1666 utilizando un prisma, que dividía la luz blanca en bandas de colores (espectro). El fenómeno de dispersión muestra que la velocidad de la luz en el medio (o índice de refracción n=c/v) cambia con la frecuencia de la luz. La dispersión de la luz se puede lograr mediante el uso de prismas, rejillas de difracción, interferómetros, etc. La luz blanca se compone de rojo.
El rojo, el naranja, el amarillo, el verde y otros colores se denominan luz monocromática.
Dispersión: El fenómeno de descomponer la luz policromática en luz monocromática para formar un espectro se llama dispersión óptica.
La dispersión se puede conseguir utilizando prismas o rejillas como "sistemas de dispersión".
Después de que la luz policromática ingresa al prisma, tiene un índice de refracción diferente para la luz de varias frecuencias. La dirección de propagación de varias luces policromáticas tiene diferentes grados de desviación, por lo tanto, al salir del prisma, se separan y dispersan. para formar un espectro.
La teoría electromagnética de la luz muestra que la luz es esencialmente una teoría de ondas electromagnéticas.
La radiación electromagnética no sólo es igual a la luz, sino que también tiene las mismas propiedades de reflexión, refracción y polarización. La investigación teórica de Maxwell demostró que el campo electromagnético en el espacio se propaga a la velocidad de la luz.
Esta conclusión ha sido confirmada por el experimento de Hertz.
Maxwell concluyó en 1865 que la luz es un fenómeno electromagnético.
Según la teoría de Maxwell, c/v=√(ε* μ) donde C es la velocidad de la luz en el vacío.
ν es la velocidad de propagación de la luz en un medio con constante dieléctrica ε y permeabilidad magnética μ. Debido a que c/v=n (índice de refracción), todas las relaciones de n=√(ε* μ) dan la relación entre las constantes ópticas, las constantes eléctricas y las constantes magnéticas de la sustancia.
En ese momento, en la fórmula anterior no se veía que n debería cambiar con la longitud de onda λ de la luz, por lo que no podía explicar el fenómeno de dispersión de la luz.
Posteriormente Lorenz fundó la teoría del electrón en 1896. Partiendo de esta teoría, la constante dieléctrica ε depende de la frecuencia del campo electromagnético, es decir de la longitud de onda, esclareciendo así el fenómeno de dispersión de la luz.
La teoría electromagnética de la luz puede explicar muchos fenómenos como la propagación de la luz, la interferencia, la difracción, la dispersión, la polarización, etc., pero no puede explicar la naturaleza de la conversión cuántica de energía en la interacción entre la luz y la materia. que debe complementarse con la teoría cuántica moderna.
Teoría sobre la naturaleza de la luz.
En el siglo XVII, fue defendido por Newton y otros.
Esta teoría sostiene que la luz es una partícula emitida por una fuente de luz que se propaga en línea recta desde la fuente de luz hasta el objeto iluminado, por lo que puede imaginarse como un haz de partículas emitidas a alta velocidad. por el cuerpo luminoso hacia el objeto iluminado.
Esta teoría explica intuitivamente los fenómenos de refracción directa y reflejada de la luz y ha sido generalmente aceptada. No fue hasta el descubrimiento de la interferencia de la luz a principios del siglo XIX que fue revocada por la teoría ondulatoria.
En 1905, se propuso que la luz es un objeto físico (fotón) con propiedades de partícula.
Pero este concepto no abandona la naturaleza ondulatoria de la luz.
Esta comprensión de la dualidad onda-partícula de la luz es la base de la teoría cuántica.
Teoría sobre la naturaleza de la luz.
El primero en proponer las ondas luminosas fue Huygens, un holandés contemporáneo de Newton.
Fundó la teoría ondulatoria de la luz en el siglo XVII, que era contraria a la teoría de partículas de la luz.
Creía que la luz es una especie de onda, la onda es causada por el cuerpo luminoso y la armonía es transmitida por el medio.
Esta teoría no fue ampliamente reconocida hasta el descubrimiento de la interferencia y difracción de la luz a principios del siglo XIX.
En el desarrollo del electromagnetismo a finales del siglo XIX, se determinó que la luz es en realidad una onda electromagnética, no una onda mecánica como las ondas sonoras.
En 1888, el físico alemán Hertz demostró mediante experimentos la existencia de ondas electromagnéticas y estableció la teoría electromagnética de la luz.
Esta teoría puede explicar muchos fenómenos como la propagación de la luz, la interferencia, la difracción, la dispersión y la polarización.
Sin embargo, no puede explicar la naturaleza de la conversión de cuantificación de energía en la interacción entre la luz y la materia, y debe complementarse con la teoría cuántica moderna.
El fenómeno de que el índice de refracción dispersivo de la luz cambia con la frecuencia de las ondas de luz o la longitud de onda en el vacío.
Cuando la luz policromática se refracta en la interfaz del medio, el medio tiene diferentes índices de refracción para luz de diferentes longitudes de onda, y la luz de cada color se separa entre sí debido a diferentes ángulos de refracción.
En 1672, Newton utilizó un prisma para descomponer la luz solar en bandas de colores. Este fue el primer experimento de dispersión realizado por personas.
La ley de dispersión suele describirse mediante la relación entre el índice de refracción n o la relación de dispersión DN/D λ y la longitud de onda λ.
La dispersión de cualquier medio se puede dividir en dispersión normal y dispersión anormal.
El fenómeno de descomponer la luz policromática en luz monocromática para formar un espectro. Deje que un rayo de luz blanca brille sobre el prisma de vidrio. Después de que el prisma refracte la luz, formará una franja de luz de color en la pantalla blanca del otro lado. La disposición de los colores es roja cerca de las esquinas superiores del prisma, violeta en los extremos cerca de la parte inferior y naranja, amarillo, verde e índigo en el medio. Esta banda de luz se llama espectro. Cada color de luz del espectro no se puede dividir en otros colores de luz. Se llama luz monocromática. La luz mezclada con luz monocromática se llama luz policromática. La luz emitida por la luz solar, las lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes en la naturaleza es luz policromática. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la luz es reflejada por el objeto y parte de la luz es absorbida por el objeto.
Si el objeto es transparente, aún queda parte del mismo atravesando el objeto.
Diferentes objetos tienen diferente reflexión, absorción y transmisión de diferentes colores, por lo que muestran diferentes colores.
Por ejemplo, cuando la luz amarilla brilla sobre un objeto azul, aparecerá negro, porque el objeto azul solo puede reflejar la luz azul, pero no la luz amarilla, por lo que si absorbe la luz amarilla, todo lo que puedes ver es negro.
Pero si es blanco, refleja todos los colores.
La naturaleza de la luz: Los electrones fuera del núcleo ganan energía y saltan a una órbita superior. Esta órbita es inestable, pero saltará hacia atrás y liberará un fotón, que se encuentra en forma de luz. La energía liberada es diferente y las longitudes de onda de diferentes fotones también son diferentes. ¿Qué es la luz? Es una cuestión digna de estudio y necesaria para estudiar.
Hoy en día, la Facultad de Física ha llegado a un cuello de botella, que es el conflicto entre la teoría de la relatividad y la teoría cuántica. Si la esencia de la luz es una partícula básica o una onda similar al sonido (si la onda se propaga en cualquier medio) es instructivo para futuras investigaciones.
La visión actual más razonable es que la luz es a la vez una partícula y una onda, con dualidad onda-partícula, al igual que la relación entre las gotas de agua y las ondas de agua.