¦wiat³o


To mój "fantastyczny" referat na temat ¶wiat³a.

1. Wstêp
¦wiat³o widzialne, czy promieniowanie optyczne to forma promieniowania elektromagnetycznego podobnego do promieniowania cieplnego, fal radiowych czy promieniowania X. ¬ród³em ¶wiat³a s± bardzo szybko zmieniaj±ce siê pola elektromagnetyczne. Pewien zakres czêstotliwo¶ci tych zmian jest dostrzegany przez ludzkie oko jako ¶wiat³o.
Do ¶wiat³a klasyfikujemy oprócz ¶wiat³a widzialnego tak¿e podczerwieñ i nadfiolet, poniewa¿ maj± one zbli¿one w³a¶ciwo¶ci i tak¿e bada je siê metodami optycznymi. Uwa¿a siê, ¿e ¶wiat³o czasami zachowuje siê jak cz±steczka, a czasami jak fala, jest to tak zwany Dualizm Falowo- Korpuskularny.
Nale¿y zaznaczyæ, ¿e ¶wiat³o jest obok wody najwa¿niejszym czynnikiem warunkuj±cym ¿ycie gdy¿ jest najwiêkszym ¼ród³em energii dla organizmów ¿ywych na ziemi.

2. Natura ¦wiat³a

2.1 Kolor



Ró¿ne barwy ¶wiat³a powodowane s± ró¿n± czêstotliwo¶ci± zmian pola elektromagnetycznego. Dla barwy czerwonej jest to oko³o 4 x 1014, a dla koloru niebieskiego mniej wiêcej 7.5 X 1014. Spektrum ¶wiat³a widzialnego jest te¿ czêsto definiowane zakresem d³ugo¶ci fal, co dla koloru fioletowego wynosi 35 milionowych centymetra a dla barwnika czerwonego wynosi 75 milionowych centymetra. ¦ci¶lej chodzi o d³ugo¶ci fal od 350-380nm do 750-760nm.
Wy¿sze czêstotliwo¶ci, posiadaj±ce krótsze fale nazywane s± nadfioletem, tak zwanym, UV ( Ultra Violet), czêstotliwo¶ci jeszcze wy¿sze to fale X. Czêstotliwo¶ci ni¿sze to podczerwieñ, a promieniowanie o jeszcze mniejszej czêstotliwo¶ci jest charakterystyczne dla fal radiowych. Wiêkszo¶æ tego ¶wiat³a pochodzi od rozgrzanych, drgaj±cych elektronów, im wy¿sza temperatura tym wiêksza czêstotliwo¶æ drgañ.
Kiedy ¶wiat³o zderza siê z obiektem rozprasza siê lub odbija w zale¿no¶ci od materia³u, z którego cia³o jest zrobione. Niektóre czêstotliwo¶ci s± poch³aniane bardziej od innych, co nadaje obiektom charakterystyczn± barwê. Powierzchnie bia³e odbijaj± promieniowanie w ca³o¶ci a czarne ca³e poch³aniaj±.
Pierwszego rozszczepienia ¶wiat³a na poszczególne barwy sk³adowe dokona³ Isaak Newton pos³uguj±c siê zwyczajnym kryszta³em i w³asno¶ciami ¶wiat³a, chodzi tu konkretnie o ró¿ne d³ugo¶ci fal dla poszczególnych kolorów.

2.2 Budowa



Natura ¶wiat³a zawsze by³a fundamentalnym problemem nauki. Matematyk i fizyk Isaak Newton opisa³ ¶wiat³o jako strumieñ cz±steczek, a astronom, fizyk i matematyk holenderski Christiaan Huygens stworzy³ teoriê falow± ¶wiat³a. W oddzia³ywaniu z materia ujawniaj± siê w³a¶ciwo¶ci korpuskularne jak równie¿ falowe ¶wiat³a.

2.2.1 W³a¶ciwo¶ci Falowe



W³a¶ciwo¶ci falowe obserwujemy w czasie odbijania i za³amywania ¶wiat³a, dyfrakcji, interferencji, czy polaryzacji. Powierzchnie szorstkie odbijaj± ¶wiat³o rozpraszaj±c je a p³aszczyzny g³adkie odbijaj± fale pod okre¶lonym k±tem, który jest równy k±towi padania promieni. Zjawisko to wykorzystuje siê w teleskopach, i lustrach wszelkiego rodzaju.
¦wiat³o rozchodzi siê po prostych liniach i rozszerza proporcjonalnie do odleg³o¶ci. Kiedy przechodzi z jednego przezroczystego o¶rodka w drugi promienie uginaj± siê, czyli wystêpuje zjawisko refrakcji fal, które powoduje, ¿e s³omka zanurzona w wodzie zdaje siê zginaæ w miejscu zetkniêcia z powierzchni± wody.
Zjawisko to po raz pierwszy zbada³ matematyk holenderski Willebrord Snell w roku 1621. Wi±zka laserowa padaj±ca na szk³o pod k±tem zwanym k±tem padania za³amuje siê w szkle, poniewa¿ prêdko¶æ ¶wiat³a w szkle jest mniejsza od prêdko¶ci ¶wiat³a w powietrzu. Stosunek tych prêdko¶ci nazywany wspó³czynnikiem za³amania. Miar± za³amania wi±zki ¶wiat³a zwana jest wspó³czynnikiem za³amania. Wzglêdem powietrza wynosi ona 1 - dla powietrza, 1,3 - dla wody, 1,5 - dla szk³a.
K±t za³amania jest proporcjonalny do k±ta padania. Przy k±cie padania zwanym granicznym, k±t za³amania jest tak du¿y, ¿e ¶wiat³o nie opuszcza szk³a i ulega odbiciu wewnêtrznemu. Zasadê odbicia wewnêtrznego wykorzystuj± miêdzy innymi w³ókna ¶wiat³owodowe.
Je¶li dwie fale mechaniczne o tej samej czêstotliwo¶ci poruszaj± siê w przybli¿eniu w tym samym kierunku i maj± ró¿nicê faz sta³± w czasie ( fala jest "równomierna"), to mog± one tak siê na siebie nak³adaæ, ¿e ich energia nie jest roz³o¿ona równomiernie, lecz jest maksymalna w pewnych punktach i minimalna w innych. Nale¿y dodaæ, ¿e nie dotyczy do tylko fal ¶wietlnych, lecz jest to ogólna cecha zjawisk falowych, nie tylko promieniowania.
Dyfrakcja to zjawisko polegaj±ce na uginaniu siê promieni s³onecznych przechodz±cych w pobli¿u przeszkody, takiej jak brzeg szczeliny. Zjawisko to mo¿emy obserwowaæ patrz±c przez szparkê miêdzy dwoma palcami na odleg³e ¼ród³o ¶wiat³a takie jak uliczny neon czy latarnia.
Zwykle efekty dyfrakcyjne s± niewielkie i trzeba ich uwa¿nie szukaæ, poza tym wiêkszo¶æ ¼róde³ ¶wiat³a to przedmioty rozci±g³e i dlatego obraz dyfrakcyjny wytworzony przez jeden punkt ¼ród³a jest zakrywany przez drugi. Wreszcie, zwyk³e ¼ród³a ¶wiat³a nie s± monochromatyczne ( jednokolorowe), wiêc obrazy dla ró¿nych d³ugo¶ci fal nak³adaj± siê, przez co zjawisko jest ma³o widoczne.
Zjawisko polaryzacji jest tak rozleg³e, ¿e jego opisanie jest tematem na inn± ksi±¿kê. Wyja¶niê pokrótce, ¿e chodzi p³aszczyznê drgañ wi±zki ¶wiat³a i o kierunki wektorów w promieniowaniu porzecznym, który ¶wiat³o jest zgodnie z elektromagnetyczna teoria promieniotwórczo¶ci.

2.2.2 W³a¶ciwo¶ci Korpuskularne



W³a¶ciwo¶ci korpuskularne ¶wiat³a potwierdzaj± zjawiska luminescencji, fotoelektryczno¶ci, jonizacji oraz ci¶nienie wywierane przez ¶wiat³o. Cz±steczki ¶wiat³a nazywamy fotonami.
Luminescencja jest zjawiskiem emisji promieniowania elektromagnetycznego przez atomy i cz±steczki podczas przechodzenia ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego lub stanu wzbudzonego o ni¿szej energii. Promieniowanie to stanowi nadwy¿kê na promieniowaniem cieplnym. Wyró¿nia siê wiele rodzajów luminescencji w zale¿no¶ci o czynnika, który powoduje zmianê stanu substancji.
Zjawisko fotoelektryczne wystêpuje w cia³ach pod wp³ywem ¶wiat³a i jest zwi±zane z przekazaniem energii fotonu do wolnych elektronów w substancji, powoduje to w zale¿no¶ci od materia³u zwiêkszenie przewodnictwa dialektyka, lub powstanie si³y elektromotorycznej. Zjawisko jest wykorzystywane przy budowie ogniw fotoelektrycznych, popularnych baterii s³onecznych.
Jonizacja a w³a¶ciwie fotojonizacja, jest to oderwanie elektronu od obojêtnego atomu lub cz±steczki. Aby nast±pi³o atomowi musi byæ dostarczona energia, której ilo¶æ zale¿y od atomu i stanu elektronu w atomie. W wypadku fotojonizacji energia ta jest dostarczana przez promieniowanie elektromagnetyczne a w naszym przypadku ¶wiat³o. Umo¿liwia to miêdzy innymi ogrzanie gazów do bardzo wysokich temperatur.
Ci¶nienie promieniowania elektromagnetycznego wywo³ywane przez padaj±c± na p³ask± powierzchniê falê elektromagnetyczn± jest równe gêsto¶ci energii tej fali. Wystêpowanie ci¶nienia ¶wiat³a wskazuje, ¿e strumieñ promieniowanie niesie nie tylko energiê, ale tak¿e pêd. Z punktu widzenia teorii kwantowej ci¶nienie promieniowania jest rezultatem przekazania pêdu miêdzy fotonami a cia³em poch³aniaj±cym lub odbijaj±cym. Ci¶nienie promieniowania s³onecznego jest równe oko³o 10-5 Pa a ci¶nienie bardzo silnych laserów wynosi mniej wiêcej 105.
3. Prêdko¶æ ¦wiat³a
Wynosi w pró¿ni c = 2,99792458 x 108 m/s w innych ¶rodowiskach porusza siê wolniej, z prêdko¶ci± równa iloczynowi c i wspó³czynnikowi za³amania danego o¶rodka. Prêdko¶æ ¶wiat³a po raz pierwszy zosta³a zmierzona w laboratorium przez francuskiego fizyka Armand Hippolyte Louis Fizeau'a. Dzisiaj prêdko¶æ, któr± oznaczamy jako c jest u¿ywana do wyznaczania czasów odbicia siê od powierzchni i powrotu fal radiowych, co jest podstaw± dzia³ania radarów czy sonarów.
Prêdko¶æ ¶wiat³a jest sta³a w pró¿ni a w powietrzu wynosi mniej wiêcej 2,9079868426 x 108 m/s, w wodzie 2,248443435 x 108 m/s, a w szkle 1,9786302228 x 108 m/s.

3.1 Teoria Wzglêdno¶ci



Mówi nam o szczególnym znaczeniu prêdko¶ci ¶wiat³a. Teoria wzglêdno¶ci lub niezmienników Alberta Einsteina og³oszona w 1905r. Przyjmuje prêdko¶æ ¶wiat³a jako warto¶æ bezwzglêdn± i nadaje jej literê c. Uznaje ona prêdko¶æ ¶wiat³a za sta³± i nie przekraczaln±, podwa¿aj±c przy tym teoriê Newtona.
Albert Einstein wyprowadza s³ynne równanie, E = mc2, dotycz±ce równo¶ci pomiêdzy energi± a iloczynowi masy i prêdko¶ci ¶wiat³a podniesionej do kwadratu.
4. ¦wiat³o widzialne
Olbrzymi wp³yw na kszta³towanie ¿ycia i jego rozwój. Jest podstawowym ¼ród³em energii na ziemi i jedynym w przestrzenni kosmicznej. Umo¿liwia powstanie wspania³ych cywilizacji zale¿nych od S³oñca. Na nim opiera siê nasz g³ówny zmys³ - wzrok. Nadal pozostaje jedn± z najwiêkszych zagadek naszych czasów.

4.1 Natê¿enie ¶wiat³a



Jednostk± natê¿enia ¶wiat³a jest Q, któr± oznaczamy energiê promieniowania optycznego ocenian± na podstawie przez nie wra¿enie wzrokowego. Q jest równe iloczynowi I, czyli strumieniowi ¶wietlnemu wys³anemu przez ¼ród³o i czasu padania t, czyli Q = I x t
5. ¦wiat³o niewidzialne

5.1 Promieniowanie Podczerwone



Promieniowanie podczerwone inaczej IF, czyli Infra Red to czê¶æ spektrum promieniowania elektromagnetycznego o d³ugo¶ci fali 0,76 µm - 2000 µm nie wykrywana przez oko ludzkie. Zosta³o odkryte w 1800 przez brytyjskiego astronoma pochodzenia niemieckiego F.W. Herschel'a. Istnieje umowny podzia³ na podczerwieñ blisk± 0,76 µm - 2,5 µm, ¶redni± 2,5 µm - 50 µm i dalek± 50 µm - 2000 µm. Promieniowanie podczerwone emitowane jest przez wszystkie cia³a.
D³ugo¶æ fali zale¿y od temperatury cia³a, przy czym im ni¿sza temperatura tym wiêksza d³ugo¶æ fali, dla cia³a o temperaturze 20C d³ugo¶æ fali wynosi 19 µm. Najpowszechniejszymi ¼ród³ami s± promienniki podczerwieni i lampy wy³adowywawcze.
Do wykrywania promieniowania podczerwonego s³u¿± detektory termiczne takie jak: termopary, radiacyjne, bolometry, detektory; piroelektryczne, fotonowe, pó³przewodnikowe, i pneumatyczne. Badanie widma promieniowania podczerwonego znajduje zastosowanie przy badaniu struktur cz±steczek i analizie chemicznej.
Promieniowanie podczerwone wykorzystywane jest w wielu dziedzinach takich jak biologia, czy medycyna. Umo¿liwia konstrukcjê noktowizorów czy kamery termowizyjnej.

5.2 Promieniowanie Ultra Fioletowe



Nadfiolet popularny UV to nic innego jak promieniowanie elektro magnetyczne o zakresie fal 10 - 400nm nie wyczuwalne przez oko ludzkie. Ultra fiolet dzieli siê na cztery czê¶ci: A o d³ugo¶ciach 315 - 400nm, B 280 - 315nm, C 200 - 280nm, i nadfiolet pró¿niowy 10 - 200nm, lub te¿ na trzy czê¶ci: nadfiolet bliski 200 - 400nm, nadfiolet daleki i pró¿niowy 10 - 200nm. Okre¶lenie nadfiolet pró¿niowy bierze siê z t± faktu, i¿ fale o tym zakresie s± bardzo silnie poch³aniane przez powietrze, dlatego nale¿y je badaæ w pró¿ni.
Do wykrywania promieniowania nadfioletowego wykorzystywane s± fotoogniwa, fotopowielacze, przetworniki promieniowania. Dziêki du¿ej energii fotonów promieniowanie nadfioletowe, szczególnie w zakresie B i C poch³aniane przez substancje mo¿e wyra¼nie wp³yn±æ na jej w³a¶ciwo¶ci fizyczne i chemiczne. To jest mo¿e wywo³aæ fotoluminescencjê, zjawisko fotoelektryczne lub reakcje fotochemiczne takie jak: utlenianie, redukcjê, rozk³ad, polimeryzacjê.
Promieniowanie nadfioletowe odznacza siê du¿a reaktywno¶ci± biologiczn±, dlatego jest wa¿nym elementem potrzebnym do ¿ycia organizmów. Pod jego wp³ywem zachodzi przemiana ergosterolu w witaminê D2, wyzwala produkcjê pigmentu w skórze, dzia³a wyra¼nie mutagennie i bakteriobójczo.
W zakresie C promieniowanie nadfioletowe jest silnie absorbowane przez kwasy nukleinowe, zaburza przemianê materii w komórce i mo¿e spowodowaæ jej zniszczenie.
Najsilniejszym naturalnym ¼ród³em jest S³oñce, do ziemi dociera tylko niewielka czê¶æ promieniowania, albowiem wiêkszo¶æ jest poch³aniana przez ozon zawarty w atmosferze. Procentowa zawarto¶æ promieniowania nadfioletowego zale¿y od wysoko¶ci nad poziom morza i szeroko¶ci geograficzne, stopnia czysto¶ci powietrza, ilo¶ci promieniowania odbitego przez takie czynniki jak, ¶nieg, powierzchnie wody, piasek czy chmury typu cumulus.
Promieniowanie nadfioletowe emituj± tak¿e cia³a ogrzane, do co najmniej 3000C. Najpowszechniejszymi ¼ród³ami s± lampy wy³adowywawcze.
Dziêki swoim w³a¶ciwo¶ciom jest wykorzystywane w technice o¶wietleniowej, w analizie luminescencyjnej, do sterylizacji pomieszczeñ, w badaniach tkanek, w kryminalistyce i przemy¶le do przyspieszania procesów polimeryzacji tworzyw sztucznych.
6. Podsumowanie
¦wiat³o widzialne to nic innego jak promieniowanie elektro magnetyczne widziane przez cz³owieka. Poza ¶wiat³em widzialnym do ¶wiat³a zaliczamy tak¿e promieniowanie podczerwowe i nadfioletowe.
G³ównym ¼ród³em ¶wiat³a jest S³oñce, bez którego ¿ycie na ziemi nie by³o by mo¿liwe. Jednostk± promieniowania ¶wietlnego jest Q. Barwa ¶wiat³a zale¿y od d³ugo¶ci fal
Promieniowanie podczerwone jak nadfioletowe maj± du¿o zastosowañ w dzisiejszej technice. Prêdko¶æ ¶wiat³a jest sta³a i nie przekraczalna, oznaczamy j± liter± c. ¦wiat³o czasami zachowuje siê jak korpusku³a a czasami jak fala.

"The strangest development of the 21st century is the romantization of peasant life and the idea that industrial societies are the destroyers of the world."

Last update: Wednesday, 11th October, 2023
Copyright © 2001-2024 by Lukasz Tomicki