Светлина: определение, свойства, видимата светлина и оптика

Светлината е форма на електромагнитно излъчване с дължина на вълната, която може да бъде засечена от човешкото око. Тя е малка част от електромагнитния спектър и се излъчва от звезди като слънцето. Животните също могат да виждат светлина. Изследването на светлината, известно като оптика, е важна изследователска област в съвременната физика. Когато светлината попада върху непрозрачен обект, тя образува сянка. Освен това светлината може да бъде предадена (пропускана) през прозрачни материали, да бъде погълната от вещества или да бъде разпръсната при преминаване през атмосферата.

Видимият спектър и възприятие

Светлината е електромагнитно лъчение, което има свойствата на вълни и частици. Светлината съществува на малки енергийни пакети, наречени фотони. Всяка вълна има дължина на вълната или честота. Човешкото око вижда всяка дължина на вълната като различен цвят. Дъгите показват целия спектър на видимата светлина. Отделните цветове, които се движат от външните краища, обикновено се изброяват като червено, оранжево, жълто, зелено, синьо, индиго и виолетово. Други цветове могат да се видят само със специални камери или инструменти: Дължините на вълните под честотата на червеното се наричат инфрачервени, а по-високите от виолетовите - ултравиолетови.

Видимата светлина за човека обхваща приблизително диапазона от около 380 до 750 нанометра (nm). Възприемането на цвета зависи не само от дължината на вълната, но и от интензитета и отговорa на фоторецепторите в ретината (родопове и колбички). При дневно осветление (фотопично зрение) човешката чувствителност достига пик около 555 nm, което съвпада с зеленожълтата област.

Основни свойства на светлината

Другите основни свойства на светлината са интензитет, поляризация, фаза и орбитален ъглов момент. По-подробно:

• Интензитет — количеството енергия, което преминава през единица площ за единица време; в контекста на човешкото зрение се използват величини като лумени и луксове.
• Поляризация — ориентацията на електричното поле на вълната; поляризацията е важна при намаляване на отблясъците и при някои оптични сензори.
• Фаза — относителното положение на вълните във времето, което определя явления като интерференция и когерентност (важно за лазерите и интерферометрията).
• Орбитален ъглов момент — свойства на някои светлинни полета, които носят "вихров" характер и имат приложения в оптичната комуникация и манипулация на микрочастици.

Двойствена природа: вълна и частица

Във физиката терминът "светлина" понякога се отнася за електромагнитно излъчване с всякаква дължина на вълната, независимо дали е видимо или не. Тази статия е посветена на видимата светлина. Прочетете статията за електромагнитното излъчване, за да се запознаете с общата концепция. Двойствената природа на светлината означава, че тя може да се описва както като вълна (характеризиранa чрез дължина на вълната и честота), така и като поток от частици — фотони, чиито енергии са пропорционални на честотата (E = h·f, където h е константата на Планк).

Взаимодействие със веществото и оптични явления

Светлината взаимодейства с материята по различни начини:

• Отражение — при допир до огледална или блестяща повърхност част от светлината се връща; законът за отражението гласи, че ъгълът на падане е равен на ъгъла на отразяване — това ни позволява да видим обект, отразен в огледало.
• Пречупване (рефракция) — при преминаване от една среда в друга скоростта и посоката на светлината се променят; степента на пречупване се описва чрез показателя на пречупване (n) и закона на Снел (n1·sinθ1 = n2·sinθ2).
• Дисперсия — различните дължини на вълната се пречупват с различна степен, което разлага бялата светлина на цветове (явлението дава дъгите и спектралния анализ).
• Интерференция и дифракция — вълнови явления, при които вълни се усилват или гасят взаимно; основни при оптични решетки, интерферометри и при обяснение на резолюцията на оптични системи.
• Поглъщане и флуоресценция — материалите могат да поглъщат светлината и да превръщат енергията ѝ в топлина или да я излъчват повторно при други дължини на вълната (флуоресценция, фосфоресценция).
• Разсейване — разпръскване в атмосферата (Рилей, Мie), което определя цвета на небето и здрачните явления.

Оптика и приложения

Оптиката изучава законите и устройствата, които контролират светлината: лещи, огледала, оптични влакна, призмати, лазери, спектрометри, камери, микроскопи и телескопи. Лещите и огледалата използват пречупване и отражение за формиране на изображения; оптичните влакна предават информация чрез вътрешно отражение, докато лазерите осигуряват кохерентно и интензивно лъчение за измервания, комуникация и медицински приложения.

Светлината има огромно значение в природата и технологиите: тя е основен източник на енергия за фотосинтезата, фактор в биологичните ритми, инструмент в медицинската диагностика (рентген, оптична кохерентна томография), в телекомуникациите и промишлените процеси. Важно е да се спазват мерки за безопасност при излагане на силна или свръхвиолетова светлина, тъй като тя може да увреди очите и кожата.

Кратки бележки за измервания и електромагнитен контекст

Скоростта на светлината във вакуум е постоянна и равна на приблизително 299 792 458 m/s — обозначавана с c. В среди със свой показател на пречупване скоростта на светлината намалява. В по-широкия електромагнитен контекст терминът "светлина" често се използва за всички форми на електромагнитно лъчение, но тук фокусът е върху видимата част.

За светлината

Във вакуум светлината се движи със скоростта на светлината, която е 299 792 458 метра в секунда (или около 186 282 мили в секунда). Това означава, че на светлината са необходими около 8 минути, за да достигне Земята от Слънцето. В стъкло тя се движи с около две трети от тази скорост.

Светлината се движи по права линия и създава сенки, когато пътят на светлината е блокиран. По-твърдите неща ще имат по-тъмна сянка, по-ясните неща ще имат по-светла сянка, а прозрачните неща няма да имат никаква или ще имат много малка сянка. Светлината преминава най-лесно през прозрачни неща. Когато светлината не е във вакуум, тя се движи по-бавно от максималната си скорост на светлината. Най-бавната светлина, регистрирана някога, се е движила със скорост 39 мили в час. Очите ни реагират на светлината; когато виждаме нещо, ние виждаме светлината, която то отразява, или светлината, която излъчва. Например една лампа излъчва светлина и всичко останало в същата стая, в която е лампата, отразява нейната светлина.

Всеки цвят светлина има различна дължина на вълната. Колкото по-къса е дължината на вълната, толкова повече енергия има светлината. Скоростта, с която се движи светлината, не зависи от нейната енергия. Преминаването през частично прозрачни предмети може да забави светлината с много малка част.

Бялата светлина е съставена от много различни цветове светлина, събрани заедно. Когато бялата светлина премине през призма, тя се разделя на различни цветове и се превръща в спектър. Спектърът съдържа всички дължини на вълните на светлината, които можем да видим. Червената светлина е с най-дълга дължина на вълната, а виолетовата (лилавата) светлина е с най-къса.

Светлината с дължина на вълната, по-малка от виолетовата, се нарича ултравиолетова светлина. Рентгеновите и гама-лъчите също са форми на светлина с още по-къса дължина на вълната от ултравиолетовата. Светлината с дължина на вълната, по-голяма от червената, се нарича инфрачервена светлина. Радиовълните са форма на електромагнитно излъчване с дължина на вълната дори по-дълга от инфрачервената светлина. Микровълните, които се използват за затопляне на храна в микровълнова фурна, също са форма на електромагнитно излъчване. Очите ни не могат да видят тези видове енергия, но има някои фотоапарати, които могат да ги видят. Различните форми на светлина, както видимата, така и невидимата, съставляват електромагнитния спектър.

Когато светлината се пречупва в дъждовните капки, се получава дъга. Дъждовната капка действа като призма и пречупва светлината, докато видим цветовете на спектъра.

Цвят

Светлината и цветът са форми на аналогова информация. Електронните фотоапарати и компютърните дисплеи обаче работят с цифрова информация. Електронните камери или скенерите за документи създават цифрова версия на цветно изображение, като разделят пълноцветното изображение на отделни червени, зелени и сини изображения. По-късно цифровият дисплей използва пиксели само с тези три цвята. Компютърните екрани използват само тези три цвята в различни нива на яркост. Мозъкът ги комбинира, за да види всички останали цветове в изображението.

Хората смятат, че предметите имат цвят. Това се дължи на факта, че молекулите, от които е съставен обектът, поглъщат определени светлинни вълни, като оставят другите светлинни вълни да се отразят. Човешкото око вижда дължините на вълните на цялата светлина, която не е била погълната, и комбинацията от тях оставя в мозъка впечатлението за цвят.

Лазерни лъчи


Дъгата в Будапеща показва цветовете на видимия спектър.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява светлината?

Въпрос: Как се нарича изучаването на светлината?

В: Как светлината взаимодейства с непрозрачни обекти?

В: Как светлината взаимодейства с прозрачни обекти?

В: Какви са цветовете на дъгата от външните до вътрешните краища?

В: Как се наричат вълните с дължина под честотата на червения цвят?

В: Кой е основният източник на светлина на Земята?

Търсене по буква