Sejarah Cahaya, Alam, Perilaku, Propagasi

Itu lampu Itu adalah gelombang elektromagnetik yang dapat ditangkap oleh rasa penglihatan. Dia merupakan bagian dari spektrum elektromagnetik: yang dikenal sebagai cahaya tampak. Selama bertahun -tahun, berbagai teori telah diusulkan untuk menjelaskan sifatnya.

Misalnya, untuk waktu yang lama keyakinan bahwa cahaya terdiri dari aliran partikel yang dipancarkan oleh benda -benda atau oleh mata pengamat dipertahankan. Keyakinan orang Arab dan orang Yunani kuno ini dibagikan oleh Isaac Newton (1642-1727) untuk menjelaskan fenomena cahaya.

Gambar 1. Langit berwarna biru berkat dispersi sinar matahari di atmosfer. Sumber: Pixabay.

Meskipun Newton datang untuk mencurigai bahwa cahaya memiliki kualitas yang bergelombang dan Christian Huygens (1629-1695) dikelola.

Pada awal abad itu, fisikawan Inggris Thomas Young menunjukkan tanpa keraguan bahwa sinar cahaya dapat saling mengganggu, seperti yang dilakukan gelombang mekanis pada string.

Itu hanya bisa berarti bahwa cahaya adalah gelombang dan bukan partikel, meskipun tidak ada yang tahu gelombang seperti apa sampai pada tahun 1873, James Clerk Maxwell mengatakan cahaya itu adalah gelombang elektromagnetik.

Dengan dukungan hasil eksperimen Heinrich Hertz pada tahun 1887, sifat cahaya yang bergelombang ditetapkan sebagai fakta ilmiah.

Tetapi pada awal abad ke -20 bukti baru muncul tentang sifat cahaya sel -sel. Sifat ini hadir dalam fenomena emisi dan penyerapan, di mana energi cahaya diangkut dalam paket yang disebut "foton".

Dengan demikian, karena cahaya menyebar sebagai gelombang dan berinteraksi dengan materi serta partikel, sifat ganda saat ini diakui dalam cahaya: partikel gelombang.

[TOC]

Sifat cahaya

Jelas bahwa sifat cahaya adalah ganda, menyebar sebagai gelombang elektromagnetik, yang energinya datang dalam foton.

Ini, yang tidak memiliki massa, bergerak dalam ruang hampa dengan kecepatan konstan 300.000 km/s. Ini adalah kecepatan cahaya yang diketahui dengan baik dalam ruang hampa, tetapi cahaya dapat melakukan perjalanan melalui media lain, meskipun dengan kecepatan yang berbeda.

Saat foton mencapai mata kita, sensor yang mendeteksi keberadaan cahaya diaktifkan. Informasi ditransmisikan ke otak, dan ditafsirkan di sana.

Ketika sebuah sumber memancarkan sejumlah besar foton, kami melihatnya sebagai sumber yang brilian. Jika sebaliknya itu memancarkan sedikit, itu ditafsirkan sebagai sumber buram. Setiap foton memiliki energi tertentu, bahwa otak menafsirkan sebagai warna. Misalnya, foton biru lebih energik daripada foton merah.

Sumber apa pun biasanya memancarkan foton berbagai energi, dari sana datang warna yang dilihatnya.

Jika tidak ada lagi yang memancarkan foton dengan satu jenis energi, itu disebut Cahaya monokromatik. Laser adalah contoh yang baik dari cahaya monokromatik. Akhirnya, distribusi foton dalam sumber disebut spektrum.

Gelombang juga ditandai dengan memiliki tertentu panjang gelombang. Seperti yang telah kami katakan, cahaya milik spektrum elektromagnetik, yang mencakup rentang panjang gelombang yang sangat lebar, dari gelombang radio hingga sinar gamma. Gambar berikut menunjukkan sinar putih prisma segitiga. Cahaya dipisahkan dalam panjang gelombang panjang (merah) dan pendek (biru).

Di sana di tengah adalah strip sempit panjang gelombang yang dikenal dengan nama spektrum yang terlihat, yang berubah dari 400 nanometer (nm) menjadi 700 nm.

Gambar 2. Spektrum elektromagnetik yang menunjukkan kisaran cahaya yang terlihat. Sumber: Sumber: Wikimedia Commons. Penulis: Horst Frank.

Perilaku ringan

Cahaya memiliki perilaku ganda, gelombang dan partikel seperti yang diperiksa. Cahaya menyebar dengan cara yang sama seperti gelombang elektromagnetik, dan dengan demikian, ia mampu mengangkut energi. Tetapi ketika cahaya berinteraksi dengan materi, itu berperilaku seolah -olah itu adalah balok partikel yang disebut foton.

Gambar 4. Propagasi gelombang elektromagnetik. Sumber: Wikimedia Commons. Supermanu [CC BY-SA 3.0 (http: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0/]].

Pada 1802, fisikawan Thomas Young (1773-1829) menunjukkan bahwa cahaya memiliki perilaku bergelombang Melalui percobaan celah ganda.

Dengan cara ini ia dapat menghasilkan gangguan maksimum dan minimum pada layar. Perilaku ini khas dari gelombang dan dengan demikian muda dapat menunjukkan bahwa cahaya adalah gelombang dan juga bisa mengukur panjang gelombangnya.

Aspek cahaya lainnya adalah partikel, diwakili oleh paket energi yang disebut foton, yang dalam gerakan vakum dengan kecepatan c = 3 x 10⁸ m/s dan tidak memiliki massa. Tapi mereka memiliki energi DAN:

E = HF

Dan juga jumlah gerakan besarnya:

Dapat melayani Anda: nomor aliran: bagaimana itu dihitung dan contohnya

 P = E/C

Di mana H Itu adalah konstanta Planck, yang nilainya 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.kedua dan F adalah frekuensi gelombang. Menggabungkan ekspresi ini:

P = HF/C

Dan sejak panjang gelombang λ dan frekuensi terkait dengan C = λ.F, tersisa:

P = h/λ → λ = h/p

Prinsip Huygens

Gambar 5. Gelombang dan sinar cahaya yang menyebar dalam garis lurus. Sumber: Serway. R. Fisika untuk Sains dan Teknik.

Saat mempelajari perilaku cahaya, ada dua prinsip penting yang perlu diperhitungkan: prinsip Huygens dan prinsip fermat. Prinsip Huygens menyatakan bahwa:

Titik apa pun di bagian depan gelombang berperilaku sebagai sumber tertentu, yang pada gilirannya menghasilkan gelombang bola sekunder.

Mengapa Gelombang Bola? Jika kita berasumsi bahwa media itu homogen, cahaya yang memancarkan sumber tertentu akan menyebar ke segala arah secara setara. Kita bisa membayangkan cahaya menyebar di tengah bola besar dengan sinar yang didistribusikan secara seragam. Siapa pun yang mengamati cahaya ini memahami bahwa ia bergerak dalam garis lurus ke matanya dan bergerak secara tegak lurus ke depan gelombang.

Jika sinar cahaya berasal dari sumber yang sangat jauh, misalnya matahari, bagian depan gelombang rata dan sinar paralel. Ini adalah pendekatan dari Optik geometris.

Prinsip Fermat

Prinsip Fermat menyatakan bahwa:

Lampu petir yang bergerak di antara dua titik mengikuti lintasan yang dibutuhkan oleh waktu minimum.

Prinsip ini berutang namanya kepada ahli matematika Prancis Pierre de Fermat (1601-1665), yang menetapkannya untuk pertama kalinya pada tahun 1662.

Menurut prinsip ini, dalam media homogen, cahaya menyebar pada kecepatan konstan, oleh karena itu ia memiliki gerakan bubur seragam dan lintasannya adalah garis lurus.

Perambatan cahaya

Lampu menyebar seperti gelombang elektromagnetik. Baik medan listrik dan medan magnet dihasilkan satu sama lain, merupakan gelombang digabungkan yang berada dalam fase dan tegak lurus satu sama lain dan arah propagasi.

Secara umum, gelombang yang menyebar di ruang dapat dijelaskan dalam hal Gelombang depan. Ini adalah himpunan poin yang memiliki amplitudo dan fase yang sama. Mengetahui lokasi muka gelombang pada saat tertentu, Anda dapat mengetahui lokasi berikutnya, menurut prinsip Huygens.

Difraksi

Laser yang dibatasi oleh celah heksagonal. Lienzocian [cc by-sa 4.0 (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/4.0)]

Perilaku bergelombang cahaya dengan jelas terungkap dalam dua fenomena penting yang muncul selama perambatannya: difraksi dan gangguan. Dalam difraksi, Gelombang, baik dari air, suara atau cahaya, terdistorsi saat melewati bukaan, mengelilingi rintangan atau menghemat sudut.

Jika bukaannya besar dibandingkan dengan panjang gelombang, distorsi tidak terlalu besar, tetapi jika bukaannya kecil, perubahan bentuk gelombang lebih mudah. Difraksi adalah properti eksklusif gelombang, jadi ketika cahaya menunjukkan difraksi kita tahu bahwa itu memiliki perilaku bergelombang.

Gangguan dan polarisasi

Untuk bagian ini gangguan cahaya terjadi saat gelombang elektromagnetik tumpang tindih yang menyusunnya. Dengan melakukan itu, mereka bergabung dengan Vektor dan ini dapat menyebabkan dua jenis gangguan:

-Konstruktif, ketika intensitas gelombang yang dihasilkan lebih besar dari intensitas komponen.

-Destruktif jika intensitasnya kurang dari komponen.

Gangguan gelombang bercahaya terjadi ketika gelombang monokromatik dan mempertahankan perbedaan fase yang sama sepanjang waktu. Ini disebut koherensi. Cahaya seperti ini bisa berasal dari laser misalnya. Sumber -sumber biasa seperti lampu pijar tidak menghasilkan cahaya yang koheren karena cahaya yang dipancarkan oleh jutaan atom filamen mengubah fase secara konstan.

Tetapi jika layar buram dengan dua bukaan kecil dan dekat satu sama lain, cahaya yang keluar dari setiap slot bertindak sebagai sumber yang koheren ditempatkan ke bohlam yang sama.

Akhirnya, ketika osilasi medan elektromagnetik semuanya berada di arah yang sama, Polarisasi. Cahaya alami tidak terpolarisasi, karena dibentuk oleh banyak komponen dan masing -masing berosilasi ke arah yang berbeda.

Eksperimen Muda

Pada awal abad ke -19, fisikawan Inggris Thomas Young adalah yang pertama mendapatkan cahaya yang konsisten dengan sumber cahaya biasa.

Dalam eksperimen ganda yang terkenal, ia memberi cahaya melalui celah yang dipraktikkan di layar buram. Menurut prinsip Huygens, dua sumber sekunder dihasilkan, yang pada gilirannya melewati layar buram kedua dengan dua celah.

Dapat melayani Anda: panas yang diserap: formula, cara menghitungnya dan menyelesaikan latihanGambar 6. Animasi Eksperimen Muda Muda. Sumber: Wikimedia Commons.

Cahaya yang diperoleh dengan diterangi dinding di ruangan yang gelap. Apa yang dilihat adalah pola yang terdiri dari area alternatif dan gelap. Keberadaan pola ini dijelaskan oleh fenomena gangguan yang dijelaskan di atas.

Eksperimen Young sangat penting karena menunjukkan sifat cahaya yang bergelombang. Selanjutnya, percobaan telah dilakukan dengan partikel -partikel mendasar seperti elektron, neutron dan proton, dengan hasil yang sama.

Fenomena cahaya

Cerminan

Refleksi cahaya dalam air

Saat sinar cahaya mempengaruhi permukaan, bagian dari cahaya dapat dipantulkan dan penyerap lain. Jika itu adalah media transparan, bagian dari cahaya melanjutkan jalannya melaluinya.

Juga, permukaannya bisa halus, seperti cermin atau kasar dan tidak teratur. Ke refleksi yang terjadi pada permukaan yang halus disebut Refleksi Specular, Kalau tidak refleksi difus atau refleksi tidak teratur. Permukaan yang sangat halus, seperti cermin, dapat memantulkan hingga 95% dari cahaya kejadian.

Refleksi Specular

Gambar tersebut menunjukkan sinar cahaya yang bergerak dalam suatu media, yang bisa menjadi udara. Mendirikan sudut θ₁ Pada permukaan specular datar dan dipantulkan dengan sudut θ₂. Garis yang dilambangkan sebagai normal tegak lurus terhadap permukaan.

Sudut kejadian sama dengan sudut refleksi. Sumber: Serway. R. Fisika untuk Sains dan Teknik.

Baik ray kejadian dan dipantulkan dan normal ke permukaan specular berada di bidang yang sama. Orang -orang Yunani kuno telah mengamati bahwa sudut kejadian sama dengan sudut refleksi:

θ₁ = θ₂

Ekspresi matematika ini adalah hukum refleksi cahaya. Namun, gelombang lain seperti suara misalnya juga dapat mengalami refleksi.

Sebagian besar permukaannya kasar, dan oleh karena itu pantulan cahaya menyebar. Dengan cara ini cahaya yang mereka renungkan dikirim ke semua arah, sehingga objek dapat dilihat dari mana saja.

Karena beberapa panjang gelombang dipantulkan lebih dari yang lain, objek memiliki warna yang berbeda.

Misalnya daun pohon memantulkan cahaya yang kira -kira di tengah spektrum yang terlihat, yang sesuai dengan warna hijau. Sisa panjang gelombang yang terlihat diserap: dari ultraviolet dekat biru (350-450 nm) dan lampu merah (650-700 nm).

Pembiasan

Fenomena refraksi. Josel7 [cc by-sa 4.0 (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/4.0)]

Pembiasan cahaya terjadi karena cahaya bergerak ke kecepatan yang berbeda sesuai dengan medium. Dalam ruang hampa, kecepatan cahaya adalah C = 3 x 10⁸ m/s, tetapi ketika cahaya mencapai media material, proses penyerapan dan emisi muncul yang membuat energi menurun, dan dengan itu kecepatannya.

Misalnya, saat bergerak di udara, cahaya bergerak dengan cepat serta C, tetapi di dalam air, cahaya menempuh tiga perempat C, Saat berada di kaca itu melakukan sekitar dua pertiga dari C.

Indeks bias

Indeks refraksi dilambangkan N Dan didefinisikan sebagai hasil bagi antara kecepatan cahaya dalam ruang hampa C dan kecepatannya dalam medium tersebut v:

N = c/v

Indeks bias selalu lebih besar dari 1, karena kecepatan cahaya dalam ruang hampa selalu lebih besar dari pada media material. Beberapa nilai n khas adalah:

-Udara: 1.0003

-Air: 1.33

-Kaca: 1.5

-Diamond: 2.42

Hukum Snell

Ketika sinar cahaya mempengaruhi miring di perbatasan antara dua media, seperti udara dan kaca misalnya, satu bagian cahaya tercermin dan bagian lain mengikuti jalurnya di dalam kaca.

Dalam hal ini, panjang gelombang dan kecepatan mengalami variasi saat bergerak dari satu media ke media lainnya, tetapi frekuensinya. Sejak v = c/n = λ.F  Dan juga dalam ruang hampa C = λo. F, Maka Anda memiliki:

(λ_{salah satu}.f /n) = λ.f → λ = λ_{salah satu}/N

Yaitu, panjang gelombang dalam media tertentu selalu kurang dari panjang gelombang dalam ruang hampa λo.

Angka 8. Hukum Snell. Sumber: Gambar kiri: Skema refraksi ringan. Rex, a. Dasar -dasar fisika. Angka kanan: Wikimedia Commons. Josel7 [cc by-sa 4.0 (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/4.0)].

Perhatikan segitiga yang memiliki warna hipotenus yang umum berwarna merah. Di setiap media, langkah -langkah hipotenuse λ₁/sin θ₁ dan λ₂/sin θ₂ masing -masing, mengingat fakta bahwa λ dan v proporsional, oleh karena itu: oleh karena itu:

Dapat melayani Anda: sifat optik bahan

λ₁/sin θ₁ = λ₂/sin θ₂

Sebagai λ = λ_{salah satu}/N Kamu harus:

(λ_{salah satu}/N₁) /Sen θ₁ = (λ_{salah satu}/N₂) /Sen θ₂

Yang bisa dinyatakan sebagai:

N_{1 .} dosa θ₁ = n₂ .dosa θ₂

Ini adalah formula hukum Snell, untuk menghormati matematika Belanda.

Atau, hukum Snell ditulis dalam hal kecepatan cahaya di setiap lingkungan, menggunakan definisi indeks bias: N = c/v:

(CV₁) . dosa θ₁ = (CV₂) .dosa θ₂

v_{2 .} dosa θ₁ = v₁ .dosa θ₂

Penyebaran

Seperti dijelaskan di atas, cahaya terdiri dari foton dengan energi yang berbeda, dan setiap energi dianggap sebagai warna. Cahaya putih berisi foton semua energi dan karenanya dapat dipecah menjadi lampu dengan warna yang berbeda. Ini terdiri dari dispersi cahaya, yang telah dipelajari oleh Newton.

Tetes air di atmosfer berperilaku seperti prisma kecil. Sumber: Pixabay.

Newton mengambil prisma optik, ray seberkas cahaya putih melaluinya dan memperoleh potongan warna yang berubah dari merah menjadi ungu. Strip ini adalah spektrum cahaya tampak yang terlihat pada Gambar 2.

Dispersi Cahaya adalah fenomena alam, yang keindahannya kita kagumi di langit saat pelangi terbentuk. Cahaya matahari mempengaruhi tetesan air di atmosfer, yang bertindak sebagai prisma kecil sama dengan Newton, membubarkan cahaya.

Warna biru yang kita lihat langit juga merupakan konsekuensi dari dispersi. Kaya nitrogen dan oksigen, atmosfer menyebar terutama nada biru dan ungu, tetapi mata manusia lebih sensitif terhadap biru dan oleh karena itu kita melihat langit warna ini.

Saat matahari lebih rendah di cakrawala, saat matahari terbit atau terbenam, langit diwarnai dari nada oranye berkat sinar cahaya harus melintasi lapisan atmosfer yang lebih tebal. Nada kemerahan frekuensi yang lebih rendah lebih sedikit berinteraksi dengan unsur -unsur atmosfer dan mengambil kesempatan untuk mencapai permukaan.

Atmosfer yang berlimpah dalam debu dan polusi, seperti beberapa kota besar, terlihat langit keabu -abuan karena dispersi frekuensi rendah.

Teori Cahaya

Cahaya telah dianggap secara fundamental sebagai partikel atau sebagai gelombang. Teori sel -sel yang dibela Newton, dianggap terang sebagai balok partikel. Sementara refleksi dan refraksi dapat dijelaskan dengan benar dengan asumsi bahwa cahaya itu adalah gelombang, seperti yang dikatakan Huygens.

Tapi jauh sebelum para ilmuwan terkemuka ini, orang -orang sudah berspekulasi tentang sifat cahaya. Di antara mereka tidak bisa melewatkan filsuf Yunani Aristoteles. Di bawah ini adalah ringkasan singkat dari teori cahaya dari waktu ke waktu:

Teori Aristotelian

2.500 tahun Aristoteles mengatakan bahwa cahaya muncul dari mata pengamat, menerangi benda -benda itu dan kembali dalam beberapa cara dengan gambar sehingga dapat dihargai oleh orang tersebut.

Teori Corpuscular Newton

Newton memegang keyakinan bahwa cahaya terdiri dari partikel -partikel kecil yang menyebar dalam garis lurus ke segala arah. Ketika mereka mencapai mata, mereka merekam sensasi sebagai cahaya.

Teori bergelombang Huygens

Huygens menerbitkan sebuah karya berjudul Perjanjian Cahaya di mana ia mengusulkan bahwa ini adalah gangguan lingkungan yang mirip dengan gelombang suara.

Teori Elektromagnetik Maxwell

Sementara percobaan double -raprawling tidak meninggalkan keraguan tentang sifat cahaya yang bergelombang, selama sebagian besar abad kesembilan belas berspekulasi tentang jenis gelombang yang terjadi, sampai Maxwell mengatakan dalam teori elektromagnetiknya bahwa cahaya terdiri dari perambatan elektromagnetiknya bidang.

Cahaya sebagai gelombang elektromagnetik menjelaskan fenomena perambatan cahaya seperti yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya dan merupakan konsep yang diterima oleh fisika saat ini, seperti sifat telata dari cahaya.

Teori sel Einstein

Menurut konsepsi cahaya modern, ini terdiri dari partikel tanpa massa dan tanpa beban yang disebut foton. Meskipun tidak memiliki massa, mereka memiliki waktu dan energi, seperti yang dijelaskan di atas. Teori ini dengan memuaskan menjelaskan cara di mana cahaya berinteraksi dengan materi, dengan menukar energi dalam jumlah diskrit (terkuantisasi).

Keberadaan orang -orang cahaya diusulkan oleh Albert Einstein untuk menjelaskan efek fotoelektrik Ditemukan oleh Heinrich Hertz beberapa tahun sebelumnya. Efek fotolektrik terdiri dari emisi elektron oleh zat di mana beberapa jenis radiasi elektromagnetik telah dipengaruhi, hampir selalu dalam pangkat ultraviolet untuk cahaya yang terlihat.

Referensi

1. Figueroa, d. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 7. Gelombang dan fisika kuantum. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Fisik. Teori Cahaya. Pulih dari: fisik.ch.
3. Giancoli, d.  2006. Fisika: Prinsip dengan aplikasi. 6. Ed Prentice Hall.
4. Gerakan Gelombang. Prinsip Fermat. Diperoleh dari: sc.Ehu.adalah.
5. Rex, a. 2011. Dasar -dasar fisika. Pearson.
6. Romero, o. 2009. Fisik. Hypertext Santillana.
7. Serway, r. 2019. Fisika untuk Sains dan Teknik. Ke -10. Edisi. Volume 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. Pengantar Ilmu Fisik. Edisi Keduabelas. Brooks/Cole, Edisi Cengage.
9. Wikipedia. Lampu. Pulih dari: is.Wikipedia.org.