LICHT: GESCHIEDENIS, NATUUR, GEDRAG, VOORTPLANTING - FYSIEK - 2026

Het licht is een elektromagnetische golf die kan worden gedetecteerd door het gezichtsvermogen. Het maakt deel uit van het elektromagnetische spectrum: wat bekend staat als zichtbaar licht. Door de jaren heen zijn er verschillende theorieën voorgesteld om de aard ervan te verklaren.

De overtuiging bijvoorbeeld dat licht bestond uit een stroom deeltjes die werd uitgezonden door objecten of door de ogen van waarnemers, bleef lang bestaan. Dit geloof van de Arabieren en de oude Grieken werd gedeeld door Isaac Newton (1642-1727) om de verschijnselen van licht te verklaren.

Figuur 1. De lucht is blauw dankzij de verstrooiing van zonlicht in de atmosfeer. Bron: Pixabay.

Hoewel Newton begon te vermoeden dat licht golfkwaliteiten had en Christian Huygens (1629-1695) erin slaagde breking en reflectie te verklaren met een golftheorie, was het geloof van licht als een deeltje tot het begin van de 19e eeuw wijdverbreid onder alle wetenschappers. .

Aan het begin van die eeuw toonde de Engelse natuurkundige Thomas Young zonder twijfel aan dat lichtstralen met elkaar kunnen interfereren, net zoals mechanische golven dat doen in snaren.

Dat kon alleen maar betekenen dat het licht een golf was en geen deeltje, hoewel niemand wist wat voor soort golf het was, totdat James Clerk Maxwell in 1873 beweerde dat licht een elektromagnetische golf was.

Met de ondersteuning van de experimentele resultaten van Heinrich Hertz in 1887, werd het golfkarakter van licht vastgesteld als een wetenschappelijk feit.

Maar aan het begin van de 20e eeuw kwamen er nieuwe bewijzen naar voren over de corpusculaire aard van licht. Deze aard is aanwezig bij emissie- en absorptieverschijnselen, waarbij lichtenergie wordt getransporteerd in pakketten die "fotonen" worden genoemd.

Dus, aangezien licht zich voortplant als een golf en interageert met materie als een deeltje, wordt momenteel een tweeledige aard herkend in licht: golfdeeltje.

Aard van het licht

Het is duidelijk dat de aard van licht tweeledig is en zich voortplant als een elektromagnetische golf, waarvan de energie in fotonen komt.

Deze, die geen massa hebben, bewegen in een vacuüm met een constante snelheid van 300.000 km / s. Het is de bekende lichtsnelheid in een vacuüm, maar licht kan door andere media gaan, zij het met verschillende snelheden.

Wanneer de fotonen onze ogen bereiken, worden de sensoren geactiveerd die de aanwezigheid van licht detecteren. De informatie wordt naar de hersenen gestuurd en daar geïnterpreteerd.

Wanneer een bron een groot aantal fotonen uitzendt, zien we dat als een heldere bron. Als het daarentegen weinig uitstraalt, wordt het geïnterpreteerd als een ondoorzichtige bron. Elk foton heeft een bepaalde energie, die de hersenen interpreteren als een kleur. Blauwe fotonen zijn bijvoorbeeld energieker dan rode fotonen.

Elke bron zendt over het algemeen fotonen uit met verschillende energieën, vandaar de kleur waarmee het wordt gezien.

Als niets anders fotonen uitzendt met een enkel type energie, wordt dit monochromatisch licht genoemd. De laser is een goed voorbeeld van monochromatisch licht. Ten slotte wordt de verdeling van fotonen in een bron een spectrum genoemd.

Een golf wordt ook gekenmerkt door een bepaalde golflengte te hebben. Zoals we al zeiden, behoort licht tot het elektromagnetische spectrum, dat een zeer breed scala aan golflengten beslaat, van radiogolven tot gammastralen. De volgende afbeelding laat zien hoe een straal wit licht een driehoekig prisma verstrooit. Licht wordt gescheiden in lange (rode) en korte (blauwe) golflengten.

In het midden bevindt zich de smalle golflengteband die bekend staat als het zichtbare spectrum, variërend van 400 nanometer (nm) tot 700 nm.

Figuur 2. Het elektromagnetische spectrum dat het bereik van zichtbaar licht laat zien. Bron: Bron: Wikimedia Commons. Auteur: Horst Frank.

Gedrag van licht

Licht heeft duaal, golf- en deeltjesgedrag zoals onderzocht. Licht plant zich op dezelfde manier voort als een elektromagnetische golf en is als zodanig in staat energie te transporteren. Maar wanneer licht interageert met materie, gedraagt ​​het zich als een bundel deeltjes die fotonen worden genoemd.

Figuur 4. Voortplanting van een elektromagnetische golf. Bron: Wikimedia Commons. SuperManu.

In 1802 toonde de natuurkundige Thomas Young (1773-1829) aan dat licht een golfgedrag had met behulp van het experiment met dubbele spleet.

Op deze manier was hij in staat om maximale en minimale storing op een scherm te produceren. Dit gedrag is typerend voor golven en dus kon Young aantonen dat licht een golf was en ook de golflengte ervan meten.

Het andere aspect van licht is dat van een deeltje, vertegenwoordigd door energiepakketten, fotonen genaamd, die in een vacuüm met een snelheid c = 3 x ¹⁰⁸ m / s bewegen en geen massa hebben. Maar ze hebben wel E-energie:

En ook momentum van omvang:

Waarbij h de constante van Planck, waarvan de waarde 6,63 x 10 ^-34 Joule.second en f de frequentie van de golf. Deze uitdrukkingen combineren:

En aangezien de golflengte λ en de frequentie gerelateerd zijn door c = λ.f, blijft het:

Huygens-principe

Figuur 5. Golffront en lichtstralen die zich in een rechte lijn voortplanten. Bron: Serway. R. Fysica voor wetenschap en techniek.

Bij het bestuderen van het gedrag van licht zijn er twee belangrijke principes waarmee je rekening moet houden: het principe van Huygens en het principe van Fermat. Huygens 'principe stelt dat:

Waarom sferische golven? Als we aannemen dat het medium homogeen is, zal het licht dat door een puntbron wordt uitgezonden zich in alle richtingen gelijkmatig voortplanten. We kunnen ons voorstellen dat licht zich voortplant in het midden van een grote bol met de stralen gelijkmatig verdeeld. Wie dit licht waarneemt, neemt waar dat het in een rechte lijn naar zijn oog beweegt en loodrecht op het golffront beweegt.

Als de lichtstralen afkomstig zijn van een zeer verre bron, bijvoorbeeld de zon, is het golffront vlak en zijn de stralen parallel. Dit is waar de geometrische optiekbenadering om draait.

Het principe van Fermat

Het principe van Fermat stelt dat:

Dit principe dankt zijn naam aan de Franse wiskundige Pierre de Fermat (1601-1665), die het voor het eerst in 1662 oprichtte.

Volgens dit principe plant het licht zich in een homogeen medium voort met een constante snelheid, daarom heeft het een uniforme rechtlijnige beweging en is het traject een rechte lijn.

Voortplanting van licht

Licht reist als een elektromagnetische golf. Zowel het elektrische veld als het magnetische veld wekken elkaar op en vormen gekoppelde golven die in fase zijn en loodrecht op elkaar en op de voortplantingsrichting staan.

In het algemeen kan een golf die zich voortplant in de ruimte worden beschreven in termen van het golffront. Dit is de set punten met dezelfde amplitude en fase. Door de locatie van het golffront op een bepaald moment te kennen, kan elke volgende locatie bekend worden, volgens het principe van Huygens.

Diffractie

Laser afgebogen door een zeshoekige spleet. Lienzocian

Het golfgedrag van licht blijkt duidelijk uit twee belangrijke verschijnselen die optreden tijdens de voortplanting ervan: diffractie en interferentie. Bij diffractie worden golven, of ze nu die van water, geluid of licht zijn, vervormd wanneer ze door openingen gaan, om obstakels heen gaan of om hoeken gaan.

Als het diafragma groot is in vergelijking met de golflengte, is de vervorming niet erg groot, maar als het diafragma klein is, is de verandering in golfvorm meer merkbaar. Diffractie is een exclusieve eigenschap van golven, dus als licht diffractie vertoont, weten we dat het golfgedrag heeft.

Interferentie en polarisatie

Van zijn kant treedt de interferentie van licht op wanneer de elektromagnetische golven waaruit ze bestaan ​​elkaar overlappen. Daarbij worden ze vectorieel opgeteld en dit kan aanleiding geven tot twee soorten interferentie:

–Constructief, wanneer de intensiteit van de resulterende golf groter is dan de intensiteit van de componenten.

–Destructief als de intensiteit lager is dan die van de componenten.

Lichtgolfinterferentie treedt op als de golven monochromatisch zijn en altijd hetzelfde faseverschil behouden. Dit wordt consistentie genoemd. Zo'n licht kan bijvoorbeeld van een laser komen. Veel voorkomende bronnen zoals gloeilampen produceren geen coherent licht omdat het licht dat wordt uitgezonden door de miljoenen atomen in de gloeidraad voortdurend van fase verandert.

Maar als een ondoorzichtige kap met twee kleine openingen dicht bij elkaar op dezelfde gloeilamp wordt geplaatst, werkt het licht dat uit elke sleuf komt als een coherente bron.

Ten slotte, wanneer de trillingen van het elektromagnetische veld allemaal in dezelfde richting zijn, treedt polarisatie op. Natuurlijk licht is niet gepolariseerd, aangezien het uit vele componenten bestaat, die allemaal in een andere richting oscilleren.

Young's experiment

Aan het begin van de 19e eeuw was de Engelse natuurkundige Thomas Young de eerste die coherent licht kreeg met een gewone lichtbron.

In zijn beroemde experiment met dubbele spleet liet hij licht door een spleet in een ondoorzichtig scherm. Volgens het Huygens-principe worden twee secundaire bronnen opgewekt, die op hun beurt door een tweede ondoorzichtig scherm met twee spleten zijn gegaan.

Figuur 6. Animatie van Young's experiment met dubbele spleet. Bron: Wikimedia Commons.

Het aldus verkregen licht verlichtte een muur in een donkere kamer. Wat zichtbaar was, was een patroon bestaande uit afwisselend lichte en donkere gebieden. Het bestaan ​​van dit patroon wordt verklaard door het hierboven beschreven fenomeen van interferentie.

Young's experiment was erg belangrijk omdat het de golfkarakteristiek van licht onthulde. Vervolgens is het experiment uitgevoerd met fundamentele deeltjes zoals elektronen, neutronen en protonen, met vergelijkbare resultaten.

Verschijnselen van licht

Reflectie

Weerspiegeling van licht in het water

Wanneer een lichtstraal een oppervlak raakt, kan een deel van het licht worden gereflecteerd en een deel geabsorbeerd. Als het een transparant medium is, gaat een deel van het licht er doorheen.

Ook kan het oppervlak glad zijn, zoals een spiegel, of ruw en ongelijk. De reflectie die optreedt op een glad oppervlak wordt spiegelreflectie genoemd, anders is het diffuse reflectie of onregelmatige reflectie. Een sterk gepolijst oppervlak, zoals een spiegel, kan tot 95% van het invallende licht reflecteren.

Spiegelende reflectie

De afbeelding toont een lichtstraal die reist in een medium, dat lucht kan zijn. Het valt onder hoek θ ₁ op een vlak spiegelend oppervlak en wordt gereflecteerd onder hoek θ ₂ . De lijn die als normaal wordt aangeduid, staat loodrecht op het oppervlak.

De invalshoek is gelijk aan de reflectiehoek. Bron: Serway. R. Fysica voor wetenschap en techniek.

Zowel de invallende als de gereflecteerde straal en de normaal op het spiegeloppervlak bevinden zich in hetzelfde vlak. De oude Grieken hadden al opgemerkt dat de invalshoek gelijk is aan de reflectiehoek:

Deze wiskundige uitdrukking is de wet van lichtreflectie. Maar ook andere golven, zoals bijvoorbeeld geluid, kunnen weerkaatsen.

De meeste oppervlakken zijn ruw en daarom is de lichtreflectie diffuus. Op deze manier wordt het licht dat ze weerkaatsen alle kanten op gestuurd, zodat objecten overal te zien zijn.

Omdat sommige golflengten meer worden gereflecteerd dan andere, hebben objecten verschillende kleuren.

Zo reflecteren de bladeren van bomen licht dat ongeveer in het midden van het zichtbare spectrum zit, wat overeenkomt met de kleur groen. De rest van de zichtbare golflengten wordt geabsorbeerd: van ultraviolet bijna blauw (350-450 nm) en rood licht (650-700 nm).

Refractie

Refractieverschijnsel. Josell 7

De breking van licht treedt op omdat licht met verschillende snelheden reist, afhankelijk van het medium. In vacuüm is de lichtsnelheid c = 3 x ¹⁰⁸ m / s, maar wanneer het licht een materieel medium bereikt, ontstaan ​​absorptie- en emissieprocessen die ervoor zorgen dat de energie afneemt, en daarmee de snelheid.

Wanneer het zich bijvoorbeeld in de lucht verplaatst, reist licht met bijna dezelfde snelheid tot c, maar in water reist licht met driekwart van c, terwijl het in glas met ongeveer tweederde van c reist.

Brekingsindex

De brekingsindex wordt aangeduid met n en gedefinieerd als het quotiënt tussen de lichtsnelheid in een vacuüm c en zijn snelheid in het genoemde medium v:

De brekingsindex is altijd groter dan 1, aangezien de lichtsnelheid in vacuüm altijd groter is dan in een materiaalmedium. Enkele typische waarden van n zijn:

-Lucht: 1.0003

-Water: 1,33

-Glas: 1.5

-Diamant: 2,42

De wet van Snell

Wanneer een lichtstraal de grens tussen twee media schuin raakt, zoals bijvoorbeeld lucht en glas, wordt een deel van het licht gereflecteerd en een ander deel vervolgt zijn weg in het glas.

In dit geval ondergaan de golflengte en de snelheid een variatie wanneer ze van het ene medium naar het andere gaan, maar niet de frequentie. Omdat v = c / n = λ.f en ook in vacuüm c = λo. f, dan hebben we:

Dat wil zeggen, de golflengte in een bepaald medium is altijd kleiner dan de golflengte in vacuüm λo.

Figuur 8. De wet van Snell. Bron: Linker figuur: diagram van de breking van licht. Rex, A. Fundamentals of Physics. Rechter figuur: Wikimedia Commons. Josell 7.

Let op de driehoeken met een gemeenschappelijke hypotenusa in het rood. In elk medium meet de hypotenusa respectievelijk λ ₁ / sin θ ₁ en λ ₂ / sin θ ₂ , aangezien λ en v proportioneel zijn, dus:

Aangezien λ = λ _o / n hebben we:

Wat kan worden uitgedrukt als:

Dit is de formule van de wet van Snell, ter ere van de Nederlandse wiskundige Willebrord Snell (1580-1626), die het experimenteel heeft afgeleid door licht te observeren dat van lucht naar water en glas gaat.

Als alternatief wordt de wet van Snell geschreven in termen van de lichtsnelheid in elk medium, gebruikmakend van de definitie van brekingsindex: n = c / v:

Spreiding

Zoals hierboven uitgelegd, bestaat licht uit fotonen met verschillende energieën, en elke energie wordt als een kleur waargenomen. Wit licht bevat fotonen van alle energieën en kan daarom worden opgesplitst in verschillende kleuren lichten. Dit is de verstrooiing van licht, die al door Newton was bestudeerd.

Druppels water in de atmosfeer gedragen zich als kleine prisma's. Bron: Pixabay.

Newton nam een ​​optisch prisma, liet er een straal wit licht doorheen en verkreeg gekleurde strepen variërend van rood tot violet. Deze rand is het spectrum van zichtbaar licht dat te zien is in figuur 2.

De verstrooiing van licht is een natuurlijk fenomeen, waarvan we de schoonheid bewonderen aan de hemel wanneer de regenboog zich vormt. Zonlicht valt op waterdruppels in de atmosfeer, die zich gedragen als kleine Newton-achtige prisma's en zo het licht verstrooien.

De blauwe kleur waarmee we de lucht zien is ook een gevolg van verstrooiing. De atmosfeer is rijk aan stikstof en zuurstof en verspreidt voornamelijk tinten blauw en violet, maar het menselijk oog is gevoeliger voor blauw en daarom zien we de lucht van deze kleur.

Wanneer de zon lager aan de horizon staat, tijdens zonsopgang of zonsondergang, wordt de lucht oranje doordat de lichtstralen door een dikkere laag van de atmosfeer moeten gaan. De roodachtige tonen van lagere frequenties hebben minder interactie met de elementen van de atmosfeer en profiteren ervan om rechtstreeks het oppervlak te bereiken.

Atmosferen die rijk zijn aan stof en vervuiling, zoals die in sommige grote steden, hebben een grijsachtige lucht vanwege de verspreiding van lage frequenties.

Theorieën over licht

Licht werd primair beschouwd als een deeltje of als een golf. De corpusculaire theorie die Newton verdedigde, beschouwde licht als een bundel deeltjes. Terwijl reflectie en breking voldoende konden worden verklaard door aan te nemen dat licht een golf was, zoals Huygens betoogde.

Maar lang voor deze opmerkelijke wetenschappers hadden mensen al gespeculeerd over de aard van licht. Onder hen kon de Griekse filosoof Aristoteles niet ontbreken. Hier is een korte samenvatting van de theorieën over licht in de loop van de tijd:

Aristotelische theorie

2500 jaar geleden beweerde Aristoteles dat licht uit de ogen van de waarnemer kwam, objecten verlichtte en op de een of andere manier terugkeerde met het beeld zodat het door de persoon kon worden gewaardeerd.

Newton's corpusculaire theorie

Newton was van mening dat licht bestond uit kleine deeltjes die zich in een rechte lijn in alle richtingen voortplanten. Wanneer ze de ogen bereiken, registreren ze de sensatie als licht.

Huygens golftheorie

Huygens publiceerde een werk genaamd Treatise on light, waarin hij voorstelde dat dit een verstoring van het medium was, vergelijkbaar met geluidsgolven.

Maxwell's elektromagnetische theorie

Hoewel het experiment met dubbele spleet geen twijfel liet bestaan ​​over de golfkarakteristiek van licht, was er gedurende een groot deel van de negentiende eeuw speculatie over het type golf dat het was, totdat Maxwell in zijn elektromagnetische theorie verklaarde dat licht bestond uit de voortplanting van een elektromagnetisch veld.

Licht als een elektromagnetische golf verklaart de voortplantingsverschijnselen van licht zoals beschreven in de voorgaande secties en is een concept dat door de huidige fysica wordt geaccepteerd, evenals de corpusculaire aard van licht.

Einsteins corpusculaire theorie

Volgens de moderne opvatting van licht bestaat het uit massaloze en ongeladen deeltjes die fotonen worden genoemd. Ondanks dat ze geen massa hebben, hebben ze momentum en energie, zoals hierboven uitgelegd. Deze theorie verklaart met succes de manier waarop licht interageert met materie, door energie uit te wisselen in discrete (gekwantiseerde) hoeveelheden.

Het bestaan ​​van lichtquanta werd voorgesteld door Albert Einstein om het foto-elektrische effect te verklaren dat Heinrich Hertz een paar jaar eerder ontdekte. Het foto-elektrische effect bestaat uit de emissie van elektronen door een stof waarop een soort elektromagnetische straling is aangetast, bijna altijd in het bereik van ultraviolet tot zichtbaar licht.

Referenties

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 7. Golven en kwantumfysica. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB).
2. Physic. Theorieën van licht. Hersteld van: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
4. Golfbeweging. Het principe van Fermat. Hersteld van: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Romero, O. 2009. Fysica. Santillana Hypertext.
7. Serway, R. 2019. Physics for Science and Engineering. 10e. Editie. Deel 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. An Introduction to Physical Science. Twaalfde editie. Brooks / Cole, Cengage Editions.
9. Wikipedia. Licht. Hersteld van: es.wikipedia.org.