Lys

Lys (fra latin lux , lucis ) er den delen av elektromagnetisk stråling som kan oppfattes av det menneskelige øyet . [ 1 ] I fysikk regnes begrepet lys for å være en del av strålingsfeltet kjent som det elektromagnetiske spekteret , mens uttrykket synlig lys refererer spesifikt til stråling i det synlige spekteret . Lys, som all elektromagnetisk stråling, består av elementære partikler blottet for masse kalt fotoner ., [ 2 ] hvis egenskaper i henhold til bølge-partikkel-dualiteten forklarer egenskapene til dens fysiske oppførsel. Det er en sfærisk bølge . [ 3 ]

Optikk er grenen av fysikk som studerer lysets oppførsel, dets egenskaper og dets forskjellige manifestasjoner.

begrenset hastighet

Det har vist seg teoretisk og eksperimentelt at lys har en begrenset hastighet. Den første vellykkede målingen ble gjort av den danske astronomen Ole Roemer i 1676, og siden den gang har en rekke eksperimenter forbedret nøyaktigheten som dataene er kjent med. For øyeblikket er den nøyaktige aksepterte verdien for lyshastigheten i et vakuum 299 792 458 m/s . [ 4 ]

Hastigheten til lys som forplanter seg gjennom materie er mindre enn gjennom et vakuum og avhenger av de dielektriske egenskapene til mediet og lysets energi. Forholdet mellom lysets hastighet i et vakuum og i et medium kalles mediets brytningsindeks : . $n={\frac {c}{v}}$

Refraksjon

Refraksjon er den plutselige variasjonen i retningen som lyset lider når man bytter medium. Dette fenomenet skyldes det faktum at lys forplanter seg med forskjellige hastigheter avhengig av mediet det beveger seg gjennom. Retningsendringen er større jo større hastighetendringen er, siden lys reiser en større avstand i sin forskyvning gjennom mediet det beveger seg raskere i. Snells lov relaterer endringen i vinkel til endringen i hastighet ved hjelp av brytningsindeksene til mediet.

Siden brytning avhenger av lysets energi, når hvitt eller polykromatisk lys føres gjennom et medium med ikke-parallelle flater, for eksempel et prisme , blir lyset separert i dets forskjellige komponenter (farger) i henhold til deres energi. , i et fenomen. kalt brytningsdispersjon . Hvis mediet har parallelle flater, rekomponeres lyset når det forlater det.

Svært vanlige eksempler på brytning er det tilsynelatende bruddet som sees i en blyant når du dypper den i vann eller regnbuen .

Forplantning og diffraksjon

En av de mest åpenbare egenskapene til lys for det blotte øye er at det beveger seg i rette linjer . Vi kan for eksempel se det i forplantningen av en lysstråle gjennom støvete miljøer eller mettede atmosfærer. Geometrisk optikk tar utgangspunkt i denne forutsetningen for å forutsi lysets posisjon, i et gitt øyeblikk, gjennom hele overføringen.

Skygger oppstår fra lysets forplantning og dets møte med objekter . Hvis vi legger inn en ugjennomsiktig kropp i lysets vei og deretter en skjerm, vil vi få kroppens skygge på den. Hvis lyskilden eller fokuset er borte fra kroppen, slik at den er relativt mindre enn kroppen, vil det dannes en tydelig skygge. Hvis fokuset bringes nærmere kroppen, vil en skygge vises der en lysere region kalt penumbra og en mørkere region kalt umbra kan skilles .

Lyset beveger seg imidlertid ikke alltid i en rett linje. Når lyset passerer gjennom et skarpt hinder eller en smal åpning, bøyer strålen seg litt. Dette fenomenet, kalt diffraksjon , er ansvarlig for det faktum at når man ser gjennom et veldig lite hull, ser alt forvrengt ut eller at teleskoper og mikroskoper har et begrenset antall maksimale forstørrelser.

Innblanding

Den enkleste måten å studere fenomenet interferens på er med det såkalte Young-eksperimentet, som består i å la monokromatisk lys , som betyr en enkelt farge, falle på en skjerm som har en veldig smal spalte. Det diffrakterte lyset som forlater spalten er laget for å treffe en annen skjerm med en dobbel spalte. Lyset fra de to spaltene kombineres på en tredje skjerm og produserer vekslende lyse og mørke bånd.

Fenomenet interferens kan også sees naturlig i oljeflekker på vannpytter eller på informasjonssiden til CD- er ; begge har en overflate som, når den belyses med hvitt lys, diffrakterer den , og produserer en kansellering ved interferens, avhengig av innfallsvinkelen til lyset, av hver av fargene den inneholder, slik at de kan sees separat, som i en regnbue .

Refleksjon og spredning

Når lys treffer en kropp, beholder materien som den er laget av energien i noen øyeblikk og sender den ut på nytt i alle retninger. Dette fenomenet kalles refleksjon . På optisk glatte overflater går imidlertid mesteparten av strålingen tapt på grunn av destruktiv interferens , bortsett fra den som forplanter seg i samme vinkel som den falt inn. Enkle eksempler på denne effekten er speil , polerte metaller eller elvevann (som har en mørk bakgrunn).

Lys reflekteres også gjennom fenomenet som kalles total intern refleksjon , som oppstår når en lysstråle prøver å forlate et medium der hastigheten er langsommere til et annet raskere, med en viss vinkel. En brytning skjer på en slik måte at den ikke er i stand til å krysse overflaten mellom begge mediene som reflekterer fullstendig. Denne refleksjonen er ansvarlig for gnisten i en slipt diamant .

I et vakuum er hastigheten den samme for alle bølgelengdene i det synlige spekteret, men når den passerer gjennom materielle stoffer reduseres hastigheten og varierer for hver av de forskjellige bølgelengdene i spekteret, denne effekten kalles dispersjon . Takket være dette fenomenet kan vi se fargene på regnbuen. Den blå fargen på himmelen skyldes sollys spredt av atmosfæren . Den hvite fargen på skyer eller melk skyldes også spredning av lys fra henholdsvis vanndråpene eller av de suspenderte fettpartiklene de inneholder.

Polarisering

Fenomenet polarisering observeres i visse krystaller som er individuelt gjennomsiktige. Men hvis to er plassert i serie, parallelt med hverandre og med en rotert en viss vinkel i forhold til den andre, kan ikke lys passere gjennom dem. Hvis en av krystallene roteres, begynner lyset å passere gjennom dem, og når maksimal intensitet når krystallen har blitt rotert 90° seksagesimalt i forhold til vinkelen på totalt mørke .

Polarisert lys kan også oppnås gjennom refleksjon av lys. Det reflekterte lyset er delvis eller fullstendig polarisert avhengig av innfallsvinkelen. Vinkelen som forårsaker full polarisering kalles Brewster-vinkelen .

Mange solbriller og kamerafiltre inkluderer polariserende linser for å eliminere distraherende refleksjoner.

kjemiske effekter

Noen stoffer, ved å absorbere lys, gjennomgår kjemiske forandringer ; de bruker energien som lyset overfører til dem for å nå de energinivåene som er nødvendige for å reagere, for å oppnå en mer adekvat strukturell konformasjon for å utføre en reaksjon eller for å bryte en eller annen kobling i strukturen deres ( fotolyse ).

Fotosyntese i planter , som genererer sukker fra karbondioksid , vann og lys; syntese av vitamin D i huden ; spaltningen av dihalogener med lys i radikale reaksjoner eller prosessen med syn i øyet , produsert ved isomerisering av retinol med lys, er eksempler på fotokjemiske reaksjoner. Kjemiområdet som er ansvarlig for studiet av disse fenomenene er fotokjemi .

historisk tilnærming

På begynnelsen av 1700 -tallet var det en utbredt oppfatning at lys var bygd opp av små partikler. Fenomener som refleksjon, refraksjon og kroppsskygger kan forventes fra strømmer av partikler. Isaac Newton viste at brytning ble forårsaket av endringen i lyshastigheten når man byttet medium og prøvde å forklare det ved å si at partikler øker hastigheten med økende tetthet av mediet. Det vitenskapelige samfunnet, klar over Newtons prestisje, aksepterte hans korpuskulære teori.

Forresten var teorien til Christian Huygens som i 1678 foreslo at lys var et bølgefenomen som ble overført gjennom et medium kalt eteren . Denne teorien ble glemt frem til første halvdel av 1800 -tallet , da Thomas Young bare var i stand til å forklare fenomenet interferens ved å anta at lys faktisk var en bølge. Andre studier fra samme periode forklarte fenomener som diffraksjon og polarisering under hensyntagen til bølgeteorien.

Det siste slaget mot korpuskulær teori så ut til å komme i 1848, da lyshastigheten i forskjellige medier ble målt og funnet å variere på stikk motsatt måte av hva Newton hadde antatt. På grunn av dette aksepterte nesten alle forskere at lys hadde en bølgenatur. Imidlertid var det fortsatt noen punkter å forklare, for eksempel forplantningen av lys gjennom et vakuum, siden alle kjente bølger reiste ved hjelp av et fysisk medium, og lys reiste enda raskere enn i luft eller vann. Dette mediet skulle være eteren som Huygens snakket om, men ingen kunne finne det.

I 1845 oppdaget Michael Faraday at lysets polarisasjonsvinkel kunne modifiseres ved å påføre det et magnetfelt ( Faraday-effekten ), og to år senere foreslo at lys var en høyfrekvent elektromagnetisk vibrasjon. James Clerk Maxwell , inspirert av Faradays arbeid, studerte disse elektromagnetiske bølgene matematisk og innså at de alltid forplantet seg med en konstant hastighet, som falt sammen med lysets hastighet, og at de ikke trengte et middel for forplantning siden de var selvforplantet Den eksperimentelle bekreftelsen av Maxwells teorier fjernet den siste gjenværende tvilen om lysets bølgenatur.

På slutten av 1800 -tallet ble det imidlertid funnet nye effekter som ikke kunne forklares ved å anta at lys var en bølge, slik som den fotoelektriske effekten , det vil si emisjonen av elektroner fra overflatene til faste stoffer og væsker. er opplyst. Arbeidene med prosessen med absorpsjon og emisjon av energi fra materie kunne bare forklares hvis man antok at lys var sammensatt av partikler. Så nådde vitenskapen et veldig komplisert og ubehagelig punkt: mange effekter av lys var kjent, men noen kunne bare forklares hvis lys ble ansett for å være en bølge, og andre kunne bare forklares hvis lys ble ansett for å være en partikkel.

Forsøket på å forklare denne bølge-partikkel-dualiteten drev utviklingen av fysikk i løpet av det 20. århundre . Andre vitenskaper, som biologi eller kjemi , ble revolusjonert av nye teorier om lys og dets forhold til materie.

lysets natur

Lys har en kompleks natur: avhengig av hvordan vi observerer det, vil det manifestere seg som en bølge eller som en partikkel . Disse to tilstandene er ikke gjensidig utelukkende, men snarere komplementære (se korpuskelbølgedualitet ). Men for å få en klar og konsis studie av dens natur, kan vi klassifisere de forskjellige fenomenene den deltar i i henhold til dens teoretiske tolkning:

bølgeteori

Beskrivelse

Denne teorien, utviklet av Christiaan Huygens , anser at lys er en elektromagnetisk bølge , bestående av et elektrisk felt som varierer over tid, og genererer i sin tur et magnetfelt og omvendt, siden variable elektriske felt genererer magnetiske felt ( Ampères lov ) og varierende magnetiske felt. felt genererer elektriske felt ( Faradays lov ). På denne måten forplanter bølgen seg selv i det uendelige gjennom rommet, med magnetiske og elektriske felt som kontinuerlig genereres. Disse elektromagnetiske bølgene er sinusformede , med de elektriske og magnetiske feltene vinkelrett på hverandre og til forplantningsretningen.

For å beskrive en elektromagnetisk bølge kan vi bruke de vanlige parameterne for enhver bølge :

Amplitude ( A ) : Det er den maksimale lengden i forhold til likevektsposisjonen som bølgen når i sin forskyvning.
Periode ( T ) : Det er tiden som er nødvendig for passering av to påfølgende maksima eller minima gjennom et fast punkt i rommet.
Frekvens ( ν ) : Antall feltoscillasjoner per tidsenhet. Det er en mengde omvendt til perioden.
Bølgelengde ( λ ) : Det er den lineære avstanden mellom to ekvivalente punkter av påfølgende bølger.
Forplantningshastighet ( V ) : Det er avstanden som bølgen tilbakelegger i en tidsenhet. Når det gjelder forplantningshastigheten til lys i et vakuum, er den representert med bokstaven c .

Hastigheten, frekvensen, perioden og bølgelengden er relatert med følgende ligninger:

v=\lambda \cdot \ f={\frac {\lambda }{T}}

bølgefenomener Se også: bølgebevegelse

Noen av de viktigste fenomenene med lys kan lett forstås hvis det anses at det har en bølgeadferd.

Prinsippet om superposisjon av bølger tillater oss å forklare fenomenet interferens : hvis vi forbinder to bølger med samme bølgelengde og amplitude på samme sted, hvis de er i fase (bølgetoppene faller sammen) vil de danne en konstruktiv interferens og intensiteten til den resulterende bølgen vil være maksimal og lik to ganger amplituden til bølgene som utgjør den. Hvis de er ute av fase, vil det være et punkt hvor faseforskjellen er maksimal (topp av bølgen sammenfaller nøyaktig med en dal) som danner en destruktiv interferens , som kansellerer bølgen. Youngs eksperiment , med sine spalter, lar oss oppnå to lyskilder med samme bølgelengde og amplitude, og skaper et interferensmønster på en skjerm.

Bølger endrer forplantningsretningen når de krysser et skarpt hinder eller passerer gjennom en smal åpning. Som det fremgår av Fresnel-Huygens-prinsippet , er hvert punkt på en bølgefront en emitter av en ny bølgefront som forplanter seg i alle retninger. Summen av alle de nye bølgefrontene gjør at forstyrrelsen fortsetter å forplante seg i den opprinnelige retningen. Men hvis, ved hjelp av en spalte eller en skarp hindring, en eller noen få av de nye bølgeemitterne skilles, vil den nye forplantningsretningen råde over den opprinnelige.

Lysets diffraksjon er lett å forklare hvis denne unike effekten av bølger tas i betraktning. Refraksjon kan også forklares ved å bruke dette prinsippet , og tar i betraktning at de nye bølgefrontene generert i det nye mediet ikke vil bli overført med samme hastighet som i det forrige mediet, og genererer en forvrengning i forplantningsretningen:

Et annet lysfenomen som lett kan identifiseres med sin bølgenatur er polarisering . Upolarisert lys er sammensatt av bølger som vibrerer i alle vinkler, når de når et polariserende medium er det kun bølgene som vibrerer i en viss vinkel som klarer å krysse mediet, ved å sette en annen polarisator ved siden av, dersom vinkelen som lar polarisatoren passere medium sammenfaller med vibrasjonsvinkelen til bølgen, vil lyset passere i sin helhet, hvis ikke bare en del vil passere til det når en vinkel på 90º mellom de to polarisatorene, hvor ikke noe lys vil passere.

Denne effekten gjør det også mulig å demonstrere lysets tverrgående natur (bølgene vibrerer i en retning vinkelrett på forplantningsretningen).

Faraday-effekten og beregningen av lysets hastighet , c , fra elektriske ( permittivitet , ) og magnetiske ( permeabilitet , ) konstanter ved Maxwells teori : $?0$ $µ0$

c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon 0}\mu 0}}}}

bekrefte at bølgene som lyset består av er av elektromagnetisk natur. Denne teorien var også i stand til å eliminere hovedinnvendingen mot bølgeteorien om lys, som var å finne en måte for bølger å bevege seg uten et materiell medium.

korpuskulære teorier

Beskrivelse

Korpuskulærteorien studerer lys som om det var en strøm av uladede og masseløse partikler kalt fotoner , som er i stand til å bære alle former for elektromagnetisk stråling. Denne tolkningen dukket opp igjen fordi lys, i sin interaksjon med materie, bare utveksler energi i diskrete mengder (multipler av en minimumsverdi) av energi kalt kvanta . Dette faktum er vanskelig å kombinere med ideen om at lysenergi sendes ut i form av bølger, men det er lett å visualisere i form av lyslegemer eller fotoner.

korpuskulære fenomener

Det er tre effekter som viser lysets korpuskulære karakter. I følge den historiske rekkefølgen var den første effekten som ikke kunne forklares av bølgeoppfatningen av lys svartkroppsstråling .

En svart kropp er en teoretisk perfekt radiator som absorberer alt lyset som faller på den, og derfor, når den varmes opp, blir den en ideell emitter av termisk stråling , som lar oss tydelig studere prosessen med energiutveksling mellom stråling og materie. Den observerte frekvensfordelingen av strålingen som sendes ut av boksen ved en gitt hulromstemperatur samsvarte ikke med de teoretiske spådommene til klassisk fysikk. For å forklare det , postulerte Max Planck på begynnelsen av 1900 -tallet at for å kunne beskrives korrekt, måtte lys med frekvens ν antas å bli absorbert av heltallsmultipler av et energikvantum lik hν , der h er en fysisk konstant kalt universell: Plancks konstant .

\displaystyle E=h\nu

I 1905 brukte Albert Einstein Plancks nyutviklede kvanteteori for å forklare et annet fenomen som ikke er forstått av klassisk fysikk: den fotoelektriske effekten . Denne effekten er at når en monokromatisk stråle av elektromagnetisk stråling lyser opp overflaten til et fast stoff (og noen ganger en væske), blir elektroner kastet ut i et fenomen kjent som fotoemisjon eller ekstern fotoelektrisk effekt. Disse elektronene har en kinetisk energi som kan måles elektronisk med en negativt ladet kollektor koblet til emitterende overflate. Det kunne ikke forstås at emisjonen av de såkalte " fotoelektronene " var umiddelbar og uavhengig av intensiteten til strålen. De var til og med i stand til å bli kastet ut ved ekstremt lave intensiteter, noe som utelukket muligheten for at overflaten på en eller annen måte akkumulerte nok energi til å avfyre elektronene. Videre var antallet elektroner proporsjonalt med intensiteten til den innfallende strålen. Einstein viste at den fotoelektriske effekten kunne forklares ved å anta at det innfallende lyset var bygd opp av fotoner med energi hν , en del av denne energien hν 0 ble brukt til å bryte kreftene som bandt elektronet til materie, resten av energien viste seg som kinetisk energi til de utsendte elektronene:

{\frac {1}{2}}mv_{\mathrm {max} }^{2}=h(\nu -\nu 0})

hvor m er massen til elektronet, v max den maksimale hastigheten som er observert, ν er frekvensen til det lysende lyset, og ν 0 er den karakteristiske terskelfrekvensen til det emitterende faststoffet.

Den siste demonstrasjonen ble levert av Arthur Compton som observerte hvordan når røntgenstråler traff lyselementer, ble de spredt med mindre energi og elektroner ble også frigjort (et fenomen som senere ble kalt Compton-effekten til hans ære ). Compton, ved å bruke teoriene ovenfor, ga en tilfredsstillende forklaring på problemet ved å behandle lys som partikler som kolliderer elastisk med elektroner som to biljardkuler. Fotonet , lyslegemet , treffer elektronet: elektronet skytes ut med en del av fotonets energi og fotonet reflekterer sin lavere energi i sin frekvens. De relative retningene de kastes i er begge i god overensstemmelse med beregninger som bruker bevaring av energi og momentum.

Et annet fenomen som demonstrerer den korpuskulære teorien er lett trykk .

kvanteteorier

Behovet for å forene Maxwells ligninger av det elektromagnetiske feltet, som beskriver lysets elektromagnetiske bølgekarakter, med fotonernes korpuskulære natur, har ført til at det dukker opp flere teorier som fortsatt er langt fra å gi en tilfredsstillende enhetlig behandling. Disse teoriene inkluderer på den ene siden teorien om kvanteelektrodynamikk , utviklet fra artiklene til Dirac , Jordan , Heisenberg og Pauli , og på den annen side kvantemekanikken til de Broglie , Heisenberg og Schrödinger .

Paul Dirac tok det første skrittet med sin bølgeligning som ga en syntese av bølge- og korpuskulære teorier, siden det å være en elektromagnetisk bølgeligning krevde kvantiserte bølger, det vil si partikler. Ligningen hans besto av å omskrive Maxwells ligninger på en slik måte at de likner Hamiltonian-ligningene til klassisk mekanikk. Deretter, ved å bruke den samme formalismen som, gjennom introduksjonen av handlingskvantet hν, forvandler ligningene til klassisk mekanikk til ligninger av bølgemekanikk, oppnådde Dirac en ny ligning for det elektromagnetiske feltet. Løsninger på denne ligningen krevde kvantiserte bølger, underlagt Heisenbergs usikkerhetsprinsipp , hvis superposisjon representerte det elektromagnetiske feltet . Takket være denne ligningen kan vi vite en beskrivelse av sannsynligheten for at en gitt interaksjon eller observasjon skjer i et gitt område.

Det er fortsatt mange uløste teoretiske vanskeligheter, men inkorporeringen av nye teorier fra eksperimentering med elementærpartikler , så vel som teorier om oppførselen til atomkjerner , har tillatt oss å få en svært nyttig tilleggsformulering.

relativistiske effekter

Imidlertid var det fortsatt noen situasjoner der lys ikke oppførte seg som forventet av tidligere teorier.

bevegelig lys

Den første av disse uforklarlige situasjonene skjedde når lys ble sendt ut, sendt eller mottatt av bevegelige kropper eller medier. Det var å forvente, ifølge klassisk fysikk, at hastigheten i disse tilfellene ville være et resultat av å legge til hastigheten til kroppen eller mediet til lysets hastighet . Det ble imidlertid funnet flere tilfeller der dette ikke var tilfelle:

I 1818 foreslo Augustin Fresnel et eksperiment for å måle hastigheten som lyset passerer gjennom en flytende væske. For å gjøre dette ville lys bli ført gjennom en kolonne av en væske som strømmer med en hastighet v i forhold til observatøren. Ved å vite hastigheten v' som lys sendes gjennom det mediet, gjennom brytningsindeksen (n), ble det beregnet at den totale lyshastigheten i den væsken ville være:

\displaystyle v_{t}=v'+v

Men da den franske fysikeren Hippolyte Fizeau utførte eksperimentet i 1851, fant han ut at hastigheten som lyset passerte gjennom den bevegelige væsken ikke var den beregnede hastigheten, men:

v_{t}=v'+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)

det vil si at hastigheten til væsken telte mindre i slutthastigheten hvis hastigheten som lyset passerte gjennom den væsken var større.

I 1725 oppdaget James Bradley at den observerte posisjonen til stjernene på himmelen varierte årlig fra deres sanne posisjon med et intervall på 41 buesekunder . Teorien han foreslo for å forklare den var at denne variasjonen skyldtes kombinasjonen av hastigheten til jorden som roterte rundt solen med den endelige lyshastigheten. Takket være denne teorien var han i stand til å beregne lysets hastighet på en akseptabel måte. Basert på denne effekten sammenlignet den engelske astronomen George Airy aberrasjonsvinkelen i et teleskop før og etter å ha fylt det med vann, og fant ut at det i motsetning til hans forventninger ikke var noen forskjell i målingene hans (lys varierte ikke fra hastighet til hastighet), selv om væsken beveget seg med jordens hastighet).

Med dette eksperimentet i tankene foreslo de amerikanske fysikerne Albert Michelson og Edward Morley et eksperiment (se Michelson og Morley-eksperimentet ) for å måle hastigheten eteren strømmet med i forhold til jorden. De antok at eteren beveget seg i en bestemt retning med en viss hastighet, derfor, på grunn av oversettelsen av jorden rundt solen, ville det være tider på året hvor vi ville ha en komponent av den hastigheten i favør og andre ganger mot , for som antok at når vi hadde det i favør, ville lyshastigheten være høyere og når vi hadde den mot den ville den være lavere. For å gjøre dette målte de lysets hastighet på forskjellige årstider og observerte at det ikke var noen forskjell. Og det mest nysgjerrige: at det ikke en gang var forskjeller på grunn av jordens egen translasjonshastighet ( 30 km/s ).

I 1905 ga Albert Einstein en tilfredsstillende forklaring med sin spesielle relativitetsteori , der han i sitt andre postulat foreslår at lysets hastighet er isotropisk , det vil si uavhengig av den relative bevegelsen til observatøren eller kilden.

Spektralforvrengninger

Når man sammenligner spekteret av lys som kommer fra noen himmellegemer, med spektra målt i laboratoriet av de samme elementene som disse kroppene inneholder, observeres det at de ikke er de samme, siden spektrallinjene som kommer fra verdensrommet er forskjøvet mot posisjoner av lengre bølgelengde, det vil si mot den røde siden av spekteret på steder med lavere energi.

To forskjellige typer spektrallinjeskift er funnet:

tåkeforskyvning

En, den vanligste, kalt tåkeforskyvning er en systematisk forskyvning av spektrene som kommer fra stjerner og galakser. Edwin Hubble , etter å ha studert skiftet i spektra av tåker, tolket det som et resultat av Doppler-effekten på grunn av universets kontinuerlige utvidelse . Takket være dette foreslo han en formel som er i stand til å beregne avstanden som skiller oss fra en gitt kropp ved å analysere skiftet i spekteret:

{\frac {\Delta \lambda }{\lambda }}=1.7\cdot 10^{-9}d

hvor Δλ er forskjellen mellom forventet bølgelengde og kroppsspektrum, λ er forventet bølgelengde, og d er avstanden i parsec .

gravitasjonsforskyvning

Den andre, mye merkeligere kalles gravitasjonsforskyvning eller Einstein-effekten, observert i spektra av ekstremt tette kropper. Det mest kjente eksemplet er spøkelset til Sirius ' såkalte mørke følgesvenn . Eksistensen av denne følgesvennen ble spådd av Friedrich Bessel i 1844 basert på en forstyrrelse han observerte i bevegelsen til Sirius, men på grunn av dens svake lysstyrke ble den ikke oppdaget før i 1861. Denne følgesvennen er en hvit dverg som har en masse som kan sammenlignes med fra solen, men i en radius omtrent hundre ganger mindre, så tettheten er enorm (61 000 ganger vann). Når man studerer spekteret, observeres en forskyvning på 0,3 Å av ß-linjen til Balmer-serien av hydrogen .

generell relativitetsteori

For at hans tidligere teori om spesiell relativitet også skulle dekke gravitasjonsfenomener , utviklet Albert Einstein mellom 1907 og 1915 teorien om generell relativitet . En av hovedkonklusjonene til denne teorien er at tyngdekraften påvirker forplantningen av lys, representert i teorien ved gravitasjonspotensialet Φ, beskrevet av:

\Phi ={\frac {-GM}{R}}

hvor G er universalgravitasjonskonstanten , M massen og R avstanden til objektet som genererer gravitasjonsfeltet.

Einstein fant at lys, når det passerte gjennom et gravitasjonsfelt med potensiell Φ, fikk en reduksjon i hastigheten, i henhold til formelen:

c=c_{0}\left(1+{\frac {\Phi}{c_{0}^{2}}}\right)

hvor c 0 er lysets hastighet uten gravitasjonsfelt og c er hastigheten med det.

Frekvensen av lys som sendes ut av en kilde i et gravitasjonsfelt er også modifisert .

\nu =\nu﻿0}\left(1+{\frac {\Phi}{c_{0}^{2}}}\right)

som forklarer gravitasjonsforskyvningen. Et annet eksempel som eksperimentelt bekrefter dette poenget i teorien er spektrallinjene til solen , som rødforskyves med en verdi på to milliondeler sammenlignet med de som genereres av de samme elementene på jorden .

Til slutt, i dette forholdet mellom lys og tyngdekraft, spådde denne teorien at lysstråler som passerer nær en tung kropp ville bli avbøyet i en vinkel α bestemt av effekten av gravitasjonsfeltet, i henhold til forholdet:

\alpha ={\frac {4GM}{c^{2}R}}

Dette punktet i teorien kan bekreftes eksperimentelt ved å studere avbøyningen av lys forårsaket av solen. For å verifisere dette studerte forskere posisjonen til stjernene i området rundt solen og utnyttet en formørkelse i 1931. Det ble funnet at, som forutsagt av teorien, var de av med opptil 2,2 buesekunder sammenlignet med bilder av samme område tatt 6 måneder før.

stråling og materie

Ved å formulere sin bølgeligning for et fritt elektron, spådde Paul Dirac at det var mulig å lage et par elektroner (ett positivt og et negativt ladet) fra et ekstremt raskt vibrerende elektromagnetisk felt. Denne teorien ble raskt bekreftet av eksperimentene til Irene Curie og Frédéric Joliot og av eksperimentene til James Chadwick , Stuart Blackett og Giuseppe Occhialini når man sammenlignet antall negativt ladede elektroner og antall positivt ladede elektroner (sistnevnte kalt positroner ) frigjort av høy -frekvens γ-stråler når de passerer gjennom tynne blyplater og oppdager at samme mengde av den ene ble oppnådd som den andre.

Andre måter å lage positron-elektronpar på ble snart funnet og et stort antall metoder er kjent i dag:

Ved å kollidere to tunge partikler.
Å føre et elektron gjennom feltet til en atomkjerne .
Den direkte kollisjonen mellom to elektroner.
Den direkte kollisjonen av to fotoner i et vakuum .
Virkningen av feltet til en atomkjerne på en γ-stråle som sendes ut av den samme kjernen.

Prosessen skjer også i motsatt retning: når et elektron og et positron kolliderer (de alene har en tendens til å komme sammen, siden de har motsatte elektriske ladninger ), tilintetgjør begge, og konverterer all massen deres til strålingsenergi. Denne strålingen sendes ut i form av to γ-strålefotoner spredt i samme retning, men forskjellige retninger.

Dette forholdet mellom materiestråling og omvendt (og spesielt bevaring av energi i denne klassen av prosesser) er beskrevet i den berømte Albert Einstein -ligningen :

\displaystyle E=mc^{2}

innrammet i teorien om spesiell relativitet og opprinnelig formulert som følger:

Hvis et legeme med masse m frigjør en mengde energi E i form av stråling, reduseres massen E / c ² Albert Einstein i Zur Elektrodynamik bewegter Körper . [ 5 ]

Samlede feltteorier

For tiden letes det etter en teori som er i stand til å forklare på en enhetlig måte forholdet mellom lys, som et elektromagnetisk felt , med resten av naturens grunnleggende interaksjoner . Tidlige teorier forsøkte å representere elektromagnetisme og gravitasjon som aspekter av rom-tidsgeometri , og selv om det er noen eksperimentelle bevis for en sammenheng mellom elektromagnetisme og gravitasjon, har bare spekulative teorier blitt fremsatt.

Elektromagnetisk spektrum

Det elektromagnetiske spekteret består av alle mulige energinivåer som lys kan ha. Å snakke om energi tilsvarer å snakke om bølgelengde ; dermed omfatter det elektromagnetiske spekteret også alle bølgelengdene som lys kan ha, fra tusenvis av kilometer til femtometer . Det er grunnen til at de fleste av de skjematiske representasjonene av spekteret har en tendens til å ha en logaritmisk skala .

Det elektromagnetiske spekteret er delt inn i spektralområder, klassifisert i henhold til metodene som er nødvendige for å generere og detektere de ulike typene stråling. Det er grunnen til at disse regionene ikke har definerte grenser og det er noen overlappinger mellom dem.

synlig spektrum

Av hele spekteret er delen som mennesker er i stand til å se veldig liten sammenlignet med de andre spektralområdene. Denne regionen, kalt det synlige spekteret , omfatter bølgelengder fra 380 nm til 780 nm. Det menneskelige øyet oppfatter lyset fra hver av disse bølgelengdene som en forskjellig farge , derfor ser øyet alle farger ved nedbrytning av hvitt lys i alle dets bølgelengder, ved prismer eller ved regn i regnbuen .

Se også

Referanser

↑ Walton, Harold Frederick; Kings, George (1983). Moderne kjemisk og instrumentell analyse . omvendt. ISBN 9788429175196 . Hentet 16. februar 2018 .
↑ Introduksjon til materialvitenskap: Forberedelses- og karakteriseringsteknikker . Redaksjonell CSIC - CSIC Press. 1993. ISBN 9788400073435 . Hentet 16. februar 2018 .
↑ Jada, Francisco (2009). Fra Newton til Einstein . UC-utgaver. ISBN 9789561410336 . Hentet 16. februar 2018 .
↑ Håndbok i kjemi og fysikk. 23. utgave. CRCpress. Boca Raton , USA.
↑ Einstein, A. 1905. Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik. (Bern) IV. Folges. 17: 891-921. Originalt verk på tysk

Bibliografi

Atkins, Peter; de Paula, juli (2002). "Kvanteteori: introduksjon og prinsipper". Fysisk kjemi . New York: Oxford University Press . 0-19-879285-9 .
Skoog, Douglas A.; Holler, F. James; Nieman, Timothy A. (2001). "Introduksjon til spektrometriske metoder". Prinsipper for instrumentell analyse. 5. utgave . Madrid: McGraw-Hill. 84-481-2775-7 .
Tipler, Paul Allen (1994). Fysisk. 3. utgave . Barcelona: Jeg snudde. 84-291-4366-1 .
Burke, John Robert (1999). Fysikk: Tingenes natur . Mexico City: International Thomson Publishers. 968-7529-37-7 .

Eksterne linker

Wikimedia Commons har et mediegalleri om Light .
Wikiquote har kjente sitater fra eller om Light .
Wiktionary har definisjoner og annen informasjon om lys .