Lys (optik): Definition, enheder og kilder (m /spektrum)

Lysets hastighed i et vakuum er 3 × 10 ^{8 m /s, universets hurtigste hastighed!}

Det er et unikt og bizart træk ved vores eksistens, at intet rejser hurtigere end lys. Og selvom alt lys, uanset om det er synligt eller ej, bevæger sig med samme hastighed, når det støder på sagen
, sænker det. Fordi lys interagerer med stof (som ikke findes i et vakuum), jo tættere er stoffet, jo langsommere bevæger det.

Lysets interaktion med stof antyder et andet af dets vigtige egenskaber: dets partikelkarakter. Et af de mærkeligste fænomener i universet, lys er faktisk to ting på én gang: en bølge og en partikel. Denne bølge-partikeldualitet gør studiet af lys noget afhængigt af konteksten.

Til tider synes fysikere det er mest nyttigt at tænke på lys som en bølge, der anvender det meget af den samme matematik og egenskaber, der beskriver lydbølger og andre mekaniske bølger. I andre tilfælde er modellering af lys som en partikel mere passende, for eksempel når man overvejer dets forhold til atomenerginiveauet eller den sti, det vil tage, når det reflekteres fra et spejl.
Det elektromagnetiske spektrum

Hvis alt lys, synlig eller ej, er teknisk set den samme ting - elektromagnetisk stråling - hvad adskiller en type fra en anden? Dens bølgeegenskaber.

Elektromagnetiske bølger findes i et spektrum af forskellige bølgelængder og frekvenser. Som en bølge følger lysets hastighed ligningen med bølgehastigheden, hvor hastigheden er lig med produktet af bølgelængde og frekvens:

v \u003d λ × f

I denne ligning v
er bølgehastighed i meter per sekund (m /s), λ
er bølgelængde i meter (m) og f
er frekvens i hertz (Hz).

I tilfælde af lys kan dette skrives om med variablen c
for lysets hastighed i et vakuum:

c \u003d λ × f

Tips

[indsæt diagram over EM-spektret]
Det synlige spektrum

Det synlige lysspektrum spænder over bølgelængder fra 380-750 nanometer (1 nanometer svarer til 10 ^{-9 meter - en milliardedel af en meter, eller omkring diameteren af et brintatom). Denne del af det elektromagnetiske spektrum inkluderer alle regnbuens farver - rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og violet - der er synlige for øjet.}

[Inkluder et diagram med en udblæsning af synligt spektrum]

Fordi rød har den længste bølgelængde af de synlige farver, har den også den mindste frekvens og dermed den laveste energi. Det modsatte er tilfældet for blues og violer. Fordi energien i farverne ikke er den samme, er deres temperatur heller ikke. Faktisk førte målingen af disse temperaturforskelle i synligt lys til opdagelsen af eksistensen af andet lys usynligt
for mennesker.

I 1800 udtænkte Sir Frederick William Herschel et eksperiment til at måle forskellen i temperaturer for forskellige farver i sollys, som han adskilte ved hjælp af et prisme. Mens han faktisk fandt forskellige temperaturer i forskellige farveregioner, blev han overrasket over at se den hotteste temperatur for alle optaget på termometeret lige ud over det røde, hvor der ikke syntes at være noget lys overhovedet. Dette var det første bevis på, at der eksisterede mere lys, end mennesker kunne se. Han navngav lyset i dette område infrarødt
, som oversættes direkte til "nedenfor rødt."

Hvidt lys, som normalt en standardpære giver fra, er en kombination af alle farver. I modsætning hertil er sort fraværet af noget lys - overhovedet ikke en farve!
Wave Fronts and Rays

Optikingeniører og forskere betragter lys på to forskellige måder, når de bestemmer hvordan det vil hoppe, kombinere og fokusere. Begge beskrivelser er nødvendige for at forudsige den endelige intensitet og placering af lys, når det fokuserer gennem linser eller spejle.

I et tilfælde ser optikere på lys som serier af tværgående bølgefronter, som er gentagelse af sinusformede eller S-formede bølger med kam og trug. Dette er den fysiske optik og tilgang, da den bruger lysets bølgelære til at forstå, hvordan lys interagerer med sig selv og fører til interferensmønstre, på samme måde som bølger i vand kan intensivere eller annullere hinanden ud.

Fysisk optik begyndte efter 1801, da Thomas Young opdagede lysets bølgeegenskaber. Det hjælper med at forklare funktionen af sådanne optiske instrumenter som diffraktionsgitre, der adskiller spektret af lys i dets komponentbølgelængder og polarisationslinser, som blokerer visse bølgelængder.

Den anden måde at tænke på lys er som en stråle
en bjælke, der følger en lige linje. En stråle tegnes som en lige linje, der stammer fra en lyskilde og angiver den retning, i hvilken lys bevæger sig. At udtrykke lys som en stråle er nyttigt i geometrisk optik
, der mere vedrører lysets partikelkarakter.

Tegning af strålediagrammer, der viser lysets vej, er afgørende for at designe sådanne lysfokuserende værktøjer som linser, prismer, mikroskoper, teleskoper og kameraer. Geometrisk optik har eksisteret i længere tid end fysisk optik - inden 1600, Sir Isaac Newtons æra, var korrigerende linser til synet almindelige.