Światło

To mój "fantastyczny" referat na temat światła.

1. Wstęp

Światło widzialne, czy promieniowanie optyczne to forma promieniowania elektromagnetycznego podobnego do promieniowania cieplnego, fal radiowych czy promieniowania X. Źródłem światła są bardzo szybko zmieniające się pola elektromagnetyczne. Pewien zakres częstotliwości tych zmian jest dostrzegany przez ludzkie oko jako światło.
Do światła klasyfikujemy oprócz światła widzialnego także podczerwień i nadfiolet, ponieważ mają one zbliżone właściwości i także bada je się metodami optycznymi. Uważa się, że światło czasami zachowuje się jak cząsteczka, a czasami jak fala, jest to tak zwany Dualizm Falowo- Korpuskularny.
Należy zaznaczyć, że światło jest obok wody najważniejszym czynnikiem warunkującym życie gdyż jest największym źródłem energii dla organizmów żywych na ziemi.

2. Natura Światła

2.1 Kolor

Różne barwy światła powodowane są różną częstotliwością zmian pola elektromagnetycznego. Dla barwy czerwonej jest to około 4 x 1014, a dla koloru niebieskiego mniej więcej 7.5 X 1014. Spektrum światła widzialnego jest też często definiowane zakresem długości fal, co dla koloru fioletowego wynosi 35 milionowych centymetra a dla barwnika czerwonego wynosi 75 milionowych centymetra. Ściślej chodzi o długości fal od 350-380nm do 750-760nm.
Wyższe częstotliwości, posiadające krótsze fale nazywane są nadfioletem, tak zwanym, UV ( Ultra Violet), częstotliwości jeszcze wyższe to fale X. Częstotliwości niższe to podczerwień, a promieniowanie o jeszcze mniejszej częstotliwości jest charakterystyczne dla fal radiowych. Większość tego światła pochodzi od rozgrzanych, drgających elektronów, im wyższa temperatura tym większa częstotliwość drgań.
Kiedy światło zderza się z obiektem rozprasza się lub odbija w zależności od materiału, z którego ciało jest zrobione. Niektóre częstotliwości są pochłaniane bardziej od innych, co nadaje obiektom charakterystyczną barwę. Powierzchnie białe odbijają promieniowanie w całości a czarne całe pochłaniają.
Pierwszego rozszczepienia światła na poszczególne barwy składowe dokonał Isaak Newton posługując się zwyczajnym kryształem i własnościami światła, chodzi tu konkretnie o różne długości fal dla poszczególnych kolorów.

2.2 Budowa

Natura światła zawsze była fundamentalnym problemem nauki. Matematyk i fizyk Isaak Newton opisał światło jako strumień cząsteczek, a astronom, fizyk i matematyk holenderski Christiaan Huygens stworzył teorię falową światła. W oddziaływaniu z materia ujawniają się właściwości korpuskularne jak również falowe światła.

2.2.1 Właściwości Falowe

Właściwości falowe obserwujemy w czasie odbijania i załamywania światła, dyfrakcji, interferencji, czy polaryzacji. Powierzchnie szorstkie odbijają światło rozpraszając je a płaszczyzny gładkie odbijają fale pod określonym kątem, który jest równy kątowi padania promieni. Zjawisko to wykorzystuje się w teleskopach, i lustrach wszelkiego rodzaju.
Światło rozchodzi się po prostych liniach i rozszerza proporcjonalnie do odległości. Kiedy przechodzi z jednego przezroczystego ośrodka w drugi promienie uginają się, czyli występuje zjawisko refrakcji fal, które powoduje, że słomka zanurzona w wodzie zdaje się zginać w miejscu zetknięcia z powierzchnią wody.
Zjawisko to po raz pierwszy zbadał matematyk holenderski Willebrord Snell w roku 1621. Wiązka laserowa padająca na szkło pod kątem zwanym kątem padania załamuje się w szkle, ponieważ prędkość światła w szkle jest mniejsza od prędkości światła w powietrzu. Stosunek tych prędkości nazywany współczynnikiem załamania. Miarą załamania wiązki światła zwana jest współczynnikiem załamania. Względem powietrza wynosi ona 1 - dla powietrza, 1,3 - dla wody, 1,5 - dla szkła.
Kąt załamania jest proporcjonalny do kąta padania. Przy kącie padania zwanym granicznym, kąt załamania jest tak duży, że światło nie opuszcza szkła i ulega odbiciu wewnętrznemu. Zasadę odbicia wewnętrznego wykorzystują między innymi włókna światłowodowe.
Jeśli dwie fale mechaniczne o tej samej częstotliwości poruszają się w przybliżeniu w tym samym kierunku i mają różnicę faz stałą w czasie ( fala jest "równomierna"), to mogą one tak się na siebie nakładać, że ich energia nie jest rozłożona równomiernie, lecz jest maksymalna w pewnych punktach i minimalna w innych. Należy dodać, że nie dotyczy do tylko fal świetlnych, lecz jest to ogólna cecha zjawisk falowych, nie tylko promieniowania.
Dyfrakcja to zjawisko polegające na uginaniu się promieni słonecznych przechodzących w pobliżu przeszkody, takiej jak brzeg szczeliny. Zjawisko to możemy obserwować patrząc przez szparkę między dwoma palcami na odległe źródło światła takie jak uliczny neon czy latarnia.
Zwykle efekty dyfrakcyjne są niewielkie i trzeba ich uważnie szukać, poza tym większość źródeł światła to przedmioty rozciągłe i dlatego obraz dyfrakcyjny wytworzony przez jeden punkt źródła jest zakrywany przez drugi. Wreszcie, zwykłe źródła światła nie są monochromatyczne ( jednokolorowe), więc obrazy dla różnych długości fal nakładają się, przez co zjawisko jest mało widoczne.
Zjawisko polaryzacji jest tak rozległe, że jego opisanie jest tematem na inną książkę. Wyjaśnię pokrótce, że chodzi płaszczyznę drgań wiązki światła i o kierunki wektorów w promieniowaniu porzecznym, który światło jest zgodnie z elektromagnetyczna teoria promieniotwórczości.

2.2.2 Właściwości Korpuskularne

Właściwości korpuskularne światła potwierdzają zjawiska luminescencji, fotoelektryczności, jonizacji oraz ciśnienie wywierane przez światło. Cząsteczki światła nazywamy fotonami.
Luminescencja jest zjawiskiem emisji promieniowania elektromagnetycznego przez atomy i cząsteczki podczas przechodzenia ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego lub stanu wzbudzonego o niższej energii. Promieniowanie to stanowi nadwyżkę na promieniowaniem cieplnym. Wyróżnia się wiele rodzajów luminescencji w zależności o czynnika, który powoduje zmianę stanu substancji.
Zjawisko fotoelektryczne występuje w ciałach pod wpływem światła i jest związane z przekazaniem energii fotonu do wolnych elektronów w substancji, powoduje to w zależności od materiału zwiększenie przewodnictwa dialektyka, lub powstanie siły elektromotorycznej. Zjawisko jest wykorzystywane przy budowie ogniw fotoelektrycznych, popularnych baterii słonecznych.
Jonizacja a właściwie fotojonizacja, jest to oderwanie elektronu od obojętnego atomu lub cząsteczki. Aby nastąpiło atomowi musi być dostarczona energia, której ilość zależy od atomu i stanu elektronu w atomie. W wypadku fotojonizacji energia ta jest dostarczana przez promieniowanie elektromagnetyczne a w naszym przypadku światło. Umożliwia to między innymi ogrzanie gazów do bardzo wysokich temperatur.
Ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego wywoływane przez padającą na płaską powierzchnię falę elektromagnetyczną jest równe gęstości energii tej fali. Występowanie ciśnienia światła wskazuje, że strumień promieniowanie niesie nie tylko energię, ale także pęd. Z punktu widzenia teorii kwantowej ciśnienie promieniowania jest rezultatem przekazania pędu między fotonami a ciałem pochłaniającym lub odbijającym. Ciśnienie promieniowania słonecznego jest równe około 10-5 Pa a ciśnienie bardzo silnych laserów wynosi mniej więcej 105.
3. Prędkość Światła
Wynosi w próżni c = 2,99792458 x 108 m/s w innych środowiskach porusza się wolniej, z prędkością równa iloczynowi c i współczynnikowi załamania danego ośrodka. Prędkość światła po raz pierwszy została zmierzona w laboratorium przez francuskiego fizyka Armand Hippolyte Louis Fizeau'a. Dzisiaj prędkość, którą oznaczamy jako c jest używana do wyznaczania czasów odbicia się od powierzchni i powrotu fal radiowych, co jest podstawą działania radarów czy sonarów.
Prędkość światła jest stała w próżni a w powietrzu wynosi mniej więcej 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 Względności

Mówi nam o szczególnym znaczeniu prędkości światła. Teoria względności lub niezmienników Alberta Einsteina ogłoszona w 1905r. Przyjmuje prędkość światła jako wartość bezwzględną i nadaje jej literę c. Uznaje ona prędkość światła za stałą i nie przekraczalną, podważając przy tym teorię Newtona.
Albert Einstein wyprowadza słynne równanie, E = mc2, dotyczące równości pomiędzy energią a iloczynowi masy i prędkości światła podniesionej do kwadratu.
4. Światło widzialne
Olbrzymi wpływ na kształtowanie życia i jego rozwój. Jest podstawowym źródłem energii na ziemi i jedynym w przestrzenni kosmicznej. Umożliwia powstanie wspaniałych cywilizacji zależnych od Słońca. Na nim opiera się nasz główny zmysł - wzrok. Nadal pozostaje jedną z największych zagadek naszych czasów.

4.1 Natężenie światła

Jednostką natężenia światła jest Q, którą oznaczamy energię promieniowania optycznego ocenianą na podstawie przez nie wrażenie wzrokowego. Q jest równe iloczynowi I, czyli strumieniowi świetlnemu wysłanemu przez źródło i czasu padania t, czyli Q = I x t
5. Światło niewidzialne

5.1 Promieniowanie Podczerwone

Promieniowanie podczerwone inaczej IF, czyli Infra Red to część spektrum promieniowania elektromagnetycznego o długości fali 0,76 ľm - 2000 ľm nie wykrywana przez oko ludzkie. Zostało odkryte w 1800 przez brytyjskiego astronoma pochodzenia niemieckiego F.W. Herschel'a. Istnieje umowny podział na podczerwień bliską 0,76 ľm - 2,5 ľm, średnią 2,5 ľm - 50 ľm i daleką 50 ľm - 2000 ľm. Promieniowanie podczerwone emitowane jest przez wszystkie ciała.
Długość fali zależy od temperatury ciała, przy czym im niższa temperatura tym większa długość fali, dla ciała o temperaturze 20C długość fali wynosi 19 ľm. Najpowszechniejszymi źródłami są promienniki podczerwieni i lampy wyładowywawcze.
Do wykrywania promieniowania podczerwonego służą detektory termiczne takie jak: termopary, radiacyjne, bolometry, detektory; piroelektryczne, fotonowe, półprzewodnikowe, i pneumatyczne. Badanie widma promieniowania podczerwonego znajduje zastosowanie przy badaniu struktur cząsteczek i analizie chemicznej.
Promieniowanie podczerwone wykorzystywane jest w wielu dziedzinach takich jak biologia, czy medycyna. Umożliwia konstrukcję 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 się na cztery części: A o długościach 315 - 400nm, B 280 - 315nm, C 200 - 280nm, i nadfiolet próżniowy 10 - 200nm, lub też na trzy części: nadfiolet bliski 200 - 400nm, nadfiolet daleki i próżniowy 10 - 200nm. Określenie nadfiolet próżniowy bierze się z tą faktu, iż fale o tym zakresie są bardzo silnie pochłaniane przez powietrze, dlatego należy je badać w próżni.
Do wykrywania promieniowania nadfioletowego wykorzystywane są fotoogniwa, fotopowielacze, przetworniki promieniowania. Dzięki dużej energii fotonów promieniowanie nadfioletowe, szczególnie w zakresie B i C pochłaniane przez substancje może wyraźnie wpłynąć na jej właściwości fizyczne i chemiczne. To jest może wywołać fotoluminescencję, zjawisko fotoelektryczne lub reakcje fotochemiczne takie jak: utlenianie, redukcję, rozkład, polimeryzację.
Promieniowanie nadfioletowe odznacza się duża reaktywnością biologiczną, dlatego jest ważnym elementem potrzebnym do życia organizmów. Pod jego wpływem zachodzi przemiana ergosterolu w witaminę D2, wyzwala produkcję pigmentu w skórze, działa wyraźnie mutagennie i bakteriobójczo.
W zakresie C promieniowanie nadfioletowe jest silnie absorbowane przez kwasy nukleinowe, zaburza przemianę materii w komórce i może spowodować jej zniszczenie.
Najsilniejszym naturalnym źródłem jest Słońce, do ziemi dociera tylko niewielka część promieniowania, albowiem większość jest pochłaniana przez ozon zawarty w atmosferze. Procentowa zawartość promieniowania nadfioletowego zależy od wysokości nad poziom morza i szerokości geograficzne, stopnia czystości powietrza, ilości promieniowania odbitego przez takie czynniki jak, śnieg, powierzchnie wody, piasek czy chmury typu cumulus.
Promieniowanie nadfioletowe emitują także ciała ogrzane, do co najmniej 3000C. Najpowszechniejszymi źródłami są lampy wyładowywawcze.
Dzięki swoim właściwościom jest wykorzystywane w technice oświetleniowej, w analizie luminescencyjnej, do sterylizacji pomieszczeń, w badaniach tkanek, w kryminalistyce i przemyśle do przyspieszania procesów polimeryzacji tworzyw sztucznych.
6. Podsumowanie
Światło widzialne to nic innego jak promieniowanie elektro magnetyczne widziane przez człowieka. Poza światłem widzialnym do światła zaliczamy także promieniowanie podczerwowe i nadfioletowe.
Głównym źródłem światła jest Słońce, bez którego życie na ziemi nie było by możliwe. Jednostką promieniowania świetlnego jest Q. Barwa światła zależy od długości fal
Promieniowanie podczerwone jak nadfioletowe mają dużo zastosowań w dzisiejszej technice. Prędkość światła jest stała i nie przekraczalna, oznaczamy ją literą c. Światło czasami zachowuje się jak korpuskuła a czasami jak fala.

"Beware of the city. It's hungry and cold can't be controlled. It is mad. Those who are fools are swallowed up whole."