光

最熟悉的和最重要的形式之一能源就是光。没有看到人类当光线完全缺席。但光更重要的其他原因。许多科学家认为,数百万年前来自太阳的光引发的化学反应,导致地球上的生命的发展。没有光地球上现在的生物将无法生存。光从太阳为地球上的生命提供了能量。植物把阳光的能量变成食物能量。当光线罢工一个绿色的植物,他们的一些能源转变为化学能,这植物用来使食物的空气和矿物质。这个过程称为光合作用。几乎地球上所有生物直接或间接依赖光合作用的食物能量。

一些地球大气层吸收阳光的能量或者地球本身。这能量转变为热能,帮助地球变暖、使其在生物已经适应了的温度范围。

不同种类的光可见不同的物种。人类看到光在所谓的可见范围。它包括所有的颜色从红色开始并持续至橙色,黄色,绿色,蓝色,紫色。有些人可以看到深入该地区紫色或红色区域比其他的人。一些动物有不同的感官体验。蝰蛇,例如,感觉器官(坑),“看到”射线,人类觉得热。这些射线称为红外辐射。蜜蜂,另一方面,不仅看到的一些颜色,人类看到但也很敏感紫外线辐射,这已经超出了人类可见的范围。所以,尽管人眼无法检测,红外线和紫外线可见光相关。仪器已建成能够检测和拍摄对象通过红外线或紫外线。x射线也可以用来拍摄对象,也与光有关。

科学家们已经了解到所有这些形式的能量和许多其他种类的能源,如无线电波、微波、和伽玛射线,有相同的结构。他们都由电场和磁场一起工作在一个特殊的方式形成电磁辐射。(另请参阅辐射。)

与其他动物不同,人类主要依靠视觉来了解他们周围的世界。早期人类可以看到白天的光来自太阳;但是晚上带来了黑暗和危险。最重要的一个人采取措施控制环境发生时学会征服黑暗通过控制火的光源。

火把、蜡烛、油灯都的光源。他们依靠化学reaction-burning-to释放我们看到光的能量。植物和动物在dark-glowworms发光,萤火虫,一些mushrooms-change化学能储存在光能量的组织。这些生物被称为发光。电动灯泡和霓虹灯改变电能,这可能是由化学、机械、原子能、光能量。

光源对于视觉是必要的。一个对象可以看到只有光从对象的眼睛可以感觉到它。当对象本身就是一个光源,它叫做发光。电灯发光。太阳是一个发光的物体,因为它是一个光源。对象本身并不是一个光源必须被一个发光的对象才可以看到。月亮被太阳。它是可见的只有在太阳光线击中它,反弹向地球或一个观察者在一个宇宙飞船。

在一个完全黑暗的房间里,没有什么是可见的。当打开手电筒,灯泡和对象在其光束成为可见。如果打开一个明亮的开销灯泡,光可以反弹的墙壁,天花板,地板,家具,让他们和其他对象的可见。

加热一些事情使他们发出可见光线以及无形的热射线。这是电灯的细丝,炽热的燃烧器电气炉灶,发光的煤。这样的对象是白炽灯的光。其他光源发出的光能量但没有热能。他们被称为发光、冷光来源。霓虹灯和荧光灯发光。

总额由光源发出的光被称为光通量。它是衡量单位称为流明。例如,一个100瓦的白炽灯泡或26-watt紧凑型荧光灯泡发出大约1600流明。

人们通常更感兴趣的是测量的光落在一个表面的例子,一个桌面或地板和墙壁的空间比测量光的总量,留下灯具。这种方法叫做照明。以英尺距离时,表面表达的照明光距。一个呎烛光每平方英尺= 1流明。国际同行的呎烛光勒克斯,公制单位,测量照明米而不是脚。勒克斯= 1流明每平方米。一呎烛光= 10.76勒克斯。

可以看到清晰的物体在一定程度上取决于如何照亮。的强度,所,光源发出的光线的方向对象是一个因素在决定如何对象将照亮。强度是衡量单位称为烛光。烛光(曾称蜡烛)用于定义所发出的光量精心构造的蜡烛。现在更精确地定义为每球面度一腔。(球面度是一个球体的表面的部分等于球体的半径的平方除以总表面积)。

其他因素影响一个对象将如何照亮的倾斜表面与光源和表面和源之间的距离。作为一个光束从最浅源异常包括激光和向外传播searchlights-the光束传播覆盖更大的区域。距离大大削弱了照明这样的来源。相同数量的光线将覆盖面积较大,如果表面达到走远。这将导致弱照明,遵循平方反比定律。如果来源是翻倍的距离,落在一个特定区域的光量减少到one-fourth-the逆两个平方。如果距离是三倍,收到只有九分之一的面积的原始illumination-the逆三方。

物质的方式看起来很大程度上取决于当光照射到他们会发生什么。可以清楚地看到通过透明的物质或多或少因为光可以通过它们而不被分散或停止。光反射的对象背后的一种透明的物质可以穿过它好像没有。清晰的窗玻璃和干净的水是透明的。

用不透明的物质,只有表面是可见的。光不能通过他们,是不可能的。不透明的物质吸收或反射光线。通常他们吸收的光能量转化为热量,提高温度。汞、钢铁和木材的不透明的物质。

半透明物质允许一些光线通过,但光线散射,不保留背后的物体的图像。通常,如果他们变得透明半透明物质是由薄;如果他们是由厚变得不透明。磨砂灯泡、蜡纸和某些类型的窗帘材料是半透明的。

反射

反射发生在表面,反射光线击中。射线击中表面的角等于它的角反射。如果表面是非常平坦,光滑的抛光,所有的光线反弹在同一个方向。这种类型的反射叫做常规,镜面或镜子反射。镜子表面的反射光线形成图像。这是因为光线保持相同的模式,除了从左向右扭转,他们拥有在反映。镜子通常由光滑的玻璃用一层薄薄的一个闪亮的金属,如银连着后面的一面。

当一个不透明的表面是粗糙的,甚至在微观层面上,触及它的光线分布,导致表面本身成为可见。这是扩散,或不规则的反射。如果一块粗钢粗糙不透明表面打磨光滑,平坦,定期反映光线,需要品质的一面镜子。

折射和色散

光在一条直线,因为它通过一个透明的物质。但是当它移动从一个透明材料不同密度的另一个例子,从空气,水或空气,它弯曲的玻璃界面(两个表面聚集的地方)。这叫做折射弯曲。数量或程度的折射与光速的区别的两种材料不同densities-the大密度的差异,越大越速度变化和弯曲。一个倾斜的对象部分显示折射出来的水。对象出现弯曲界面的空气和水。镜头折射光。那些凹或镂空,表面扩散光线。那些凸或膨胀,表面将光线更紧密地联系在一起。

几个世纪以来,在1600年代之前,科学家们已经知道,当一束白光照耀棱镜,一个包含几个宽带颜色出现了。一些人认为颜色是由光明和黑暗的变化造成的。但在1672年艾萨克·牛顿发表他的实验的结果。他表明,第二个棱镜放置在一束的道路一个梁不能添加更多的颜色。然而,它传播梁之间的距离。牛顿认为第一棱镜打破了白光分解成独立的部分,传播它们分开,他得以建立,白光不是一个纯色,而是所有的颜色的组合光谱。

棱镜利差白光光谱因为每个颜色都有一个稍微不同的棱镜内的速度,所以每个颜色弯曲(折射)略有不同数量一样再次进入和离开棱镜。紫光最慢,所以它是最弯曲;红灯放缓最少,所以它是弯曲的。这种分裂开来的白光光谱称为色散。

物理学家经常分散定义为这样一个事实:不同的颜色在一种物质以不同的速度转动,不一定导致频谱。例如,当白光进入玻璃块,平行的脸,颜色都有不同的速度和弯曲程度不同,因为他们通过玻璃。这也是分散。但是颜色都折弯回去形成白光,因为他们离开第二个平行的脸,所以单独的颜色没有观察到。

不透明的材料吸收所有颜色的白光除了他们自己,他们反映。一块纯红色物质吸收橙色,黄色,绿色,蓝色和紫色,但反映了红色。透明的有色材料吸收所有颜色除了自己的,他们都传输和反映。一块纯蓝色玻璃纸吸收红色,橙色,黄色,绿色和紫色,但传送蓝色(看起来蓝色边光源),反映了蓝色(蓝色看起来同侧光源)。

阴影

对象不透明材料制成的光通过它并创建一个块表面阴影以外的对象。的大小、位置和黑暗的影子取决于三个因素:(1)光源的类型,(2)光源和物体之间的距离,和(3)光源的位置相对于对象。

阴影不同强度取决于光源是一个点光源或扩展源。一个点光源发出光线空间的一个点。点光源通常是小而集中。手电筒和无遮蔽的白炽灯光源点的例子。点光源产生的阴影均匀黑色,夏普,定义良好的边缘。这种类型的影子被称为一个阴影,一词来自拉丁语,意思是“阴影”。

一个扩展源通常是大型和发出光线从许多分。太阳是一个扩展源,荧光灯管。一个影子产生的一段黑暗的来源是不均匀的。相反,它有一个黑暗的中部地区(暗影)包围较轻的地区称为半影,拉丁词的意思是“近阴影。“本影和半影之间的边界模糊和缺乏定义的,半影的外缘也一样。月亮的影子在一个地球上eclipse相同类型的结构的中央本影和半影。

影子的大小取决于光源之间的距离和阻碍它的对象。光源是物体越近,更大的阴影。如果光源远离对象,影子的大小减少。

互动

一个影子的长度和位置取决于光源的相对位置。在一般情况下,光源越高,越短的影子。如果光源是直接在对象,阴影会很短。如果光源是低,影子会更长。一个影子的位置总是相反的光源。如果光源是一个对象的权利,阴影将对象的左边。这可以被下面的大小和位置的变化白天树的影子随着太阳位置的变化。日出时,当太阳很低在东部的天空,那棵树投下了长长的阴影向西方。太阳在早晨升起,树的影子越来越短和向北移动的树(在北半球)或向南的树(在南半球)。当太阳中午头顶,影子是最小的。 In the afternoon the Sun sinks in the western sky. The shadow grows longer but now it is cast to the east. The changing position and size of shadows due to the Sun’s position in the sky can be used to tell time using a日晷。

光可以在真空中传播。明星很容易可见在清晰的夜晚,尽管他们的光必须通过空间旅行多年才到达地球。实验室的实验表明,光可以在真空中传播。当空气被抽出的玻璃真空室包含一个响铃,铃的响声依然可见,逐渐消退。真空不能发射声波,但光线继续通过。

它更容易描述光的相互作用事解释什么是光。原因之一是,光看不见,直到它与重要光束是无形的,除非它罢工一个眼睛或除非有粒子的反映部分梁。同时,光传播非常快,所以快,几个世纪以来人们争议是否需要时间从一个位置移动到另一个。

伽利略建议的第一个实验测量光速,和意大利科学家进行了他的想法。两人驻扎在两个山头。每个阴影灯笼。第一个男人发现他的灯笼。第二个人看到了光,他发现他的灯笼。科学家们试图测量时间,运行时刻之间的第一个灯笼是发现并返回光束被发现的那一刻。光的速度过于迅速以这种方式来衡量,因此科学家们得出结论,光很可能瞬间旅行。

丹麦天文学家Olaus罗默,处理不同的问题时,他遇到了第一个测量光速的可行的方法。他时机日食木星的卫星和注意到日食之间的时间相差几分钟。地球与木星,日食间隔时间越来越短。从木星地球消退,日食之间的时间变得更长。1676年罗默提出,这些差异是用来计算光旅行所需的时间地球轨道的直径。由于地球轨道的精确大小是不清楚,由于木星的不规则表面造成错误的时机日食,他没有到达光速的准确值。但他表明,光花时间去旅游,它的速度是太快与仪器测量地球上可用。

1849年阿尔芒斐索干涉,法国物理学家发明了一种方法来测量光的速度在地球上而不是依赖不确定的天文测量。他的实验仪器包括一束光通过一个等级在一个旋转的磁盘,从一面镜子反映,返回到磁盘。磁盘有720级。当光通过返回一个等级,一个观察者可以探测到;如果它达到级之间,光线黯然失色。光旅行的距离(从打开的缺口和镜子,牙齿可能eclipse光)测量。斐索干涉定时观察日食和磁盘的旋转速度时的日食。与这些信息计算出空气中的光速是每秒194000英里。后来调查人员该方法精制。珍福柯更换磁盘旋转镜和到达的值是每秒186000英里。

其中一个最令人惊讶的发现了关于光和混淆事实阿尔伯特·迈克耳逊和爱德华•莫雷。他们非常精确地测量光速旅行和地球运动方向相同和方向相反的地球的运动。他们将得到不同的价值观,相信地球就会增加或减少的速度从光速。情况,在他们看来,类似于一个人看着窗外的汽车每小时60英里的速度运行。如果另一辆车每小时80英里的速度赶上它,然后第二辆车似乎是20英里每小时的速度移动,或自己的速度-汽车的速度传递。如果一辆车每小时80英里的速度接近一辆车每小时60英里,它似乎以每小时140英里的旅行,或自己的速度+汽车的速度接近。光,两人发现,不表现。它的速度似乎是相同的,无论什么运动的速度和方向的观察者测量。阿尔伯特·爱因斯坦了他的理论的相对论有助于解释这一现象。

公认的价值在真空中光速是2.997924562×10⁸米/秒(约每秒186282英里),一个基本的宇宙常数。根据相对论,时间和距离会改变物体的速度接近光速(其长度收缩和定期进行任何更改需要更长时间才能发生,相对于静止的观察者),但光速的测量值是恒定的。

偏振光

粒子和波理论可以解释光的偏振某些透明晶体。牛顿和惠更斯知道光直接通过某些晶体时,将出现更暗。如果这个类的第二个水晶被放置在一个特定的角度在暗淡光线的路径,光线可以穿过它。然后,作为两个晶体慢慢转过身来,光从第二晶体越来越暗,直到完全阻塞。显然,第一个晶体结构中只允许光通过的一部分。当第二个水晶正确排列第一,它允许相同数量的光通过;在错误的时角第一个水晶,它进行了筛选,光从第一晶体。

牛顿推测极化发生因为光粒子有各种形状,其中一些被拒绝的晶体结构。这不是一个令人满意的解释。然而,惠更斯不得不做出更加复杂的假设来解释晶体极化纵向波。波浪理论和粒子理论充分发展到占所有观察到的光现象,但牛顿的声誉造成了粒子的重量被大多数科学家接受理论。

周围的光线弯曲角

英国在19世纪早期托马斯年轻医生,下一步发展波浪理论。他证明了光波太短,他们弯曲量太小,可见通过一个对象。他表明,虽然阴影从源点的光似乎有锐利的边缘,有薄的光明与黑暗两国边境乐队所引起的弯曲的光线阴影。这种散射的光,称为衍射,可以观察到在一定条件下。薄管来源,如荧光灯,是好的。非常薄的狭缝在一个不透明的材料,甚至两个手指挤压松散一起使光通过它们之间,可能会引起衍射。缝一两脚举行的第一眼,平行光源;另一只眼睛是关闭的。光线穿过狭缝,彩色带的模式,还是彩色的光芒,可以看到列出的狭缝。大纲是彩色的,因为衍射分散白光进入单独的颜色一样,棱镜。 Young observed diffraction and concluded that it occurred because light was a wave.

三个重要描述波速测量、频率和波长。频率的波,通过给定的点的数量在一个指定的时间量。波长的距离一个波峰(最高点)到下一个波峰,或从一个槽(最低点)。如果所有的波具有相同的速度,许多波将传递一个指向同一个时间短,只有少数长波浪通过它。速度等于波长乘以频率。

年轻的建立一个实验来测量光的波长;使用干涉的原则。当两套波相遇时,它们互相干扰,以可预测的方式。水波,例如那些由两艘船的醒来,说明这一点。当两个醒来见到,水变得波涛汹涌。海浪非常高和部分非常低;个人可以彼此相互加强或取消。两个波峰,波变得更高。两个波谷相遇的地方,波变得更深。如果一个波峰和波谷相遇时,它们相互抵消和水水平。

在他年轻的使用单个光源干扰实验,针孔,承认一束阳光。这种光束落在屏幕上有两个小孔接近。当光通过每一个针孔,弯曲和分散(衍射)。由于小孔足够接近在一起,两个光束遇到和互相干扰。他们的干涉图样是看到屏幕上的小孔。这种模式和知道屏幕之间的距离,年轻能够计算出可见光的波长大约是一米的1000000。

随后的测量表明,可见光的波长范围从7.60×10⁵3.85×10厘米⁵厘米(2.99×10⁵1.51×10英寸⁵英寸)。每一种颜色与波长的范围。红色有最长的长度。波长减少从橙色黄色,绿色,蓝色,紫色。

看不见的光

约1800,而年轻的发展中他波theory-three科学家发现颜色光谱是看不见的射线接壤。威廉·赫歇尔英国天文学家,是测量的温度由棱镜颜色分散。当他把温度计频谱从紫色到红色,他观察到温度上升。他搬红色束外的温度计,温度变得更高。赫歇尔发现了一种名叫热,看不见的辐射光谱的延续。这种辐射称为红外辐射,因为它发生在下面红色光谱中,没有可见光。

紫外线是约翰·威廉Ritter和发现的威廉·海德渥拉斯顿,他们独立学习的影响氯化银。氯化银放置在紫光变得黑暗。化学时放置在该地区除了光谱的紫罗兰,它黑暗的更加迅速。他们得出结论,一种化学强大无形的辐射在紫色的。

1864年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦苏格兰物理学家,电和磁的理论发表。他开发了方程,预测电磁波的存在引起的电子干扰。他计算的速度波和发现它是光的速度是一样的。麦克斯韦认为光是一种电磁波。作为一个单一光波穿过空间,其运动由增长和崩溃的电场和磁场。电场在直角的磁场,并且都是成直角的方向移动。

麦克斯韦的理论暗示其他电磁辐射红外波长长于或短于紫外线可能被发现。1887年海因里希。赫兹产生的无线电波,再比红外线波长,从而确认麦克斯韦的理论。(另请参阅辐射。)

1900年,德国物理学家马克斯·普朗克先进的理论来解释黑体的行为。黑体是一种理想的物质与一个完美的黑色表面吸收所有落在它的辐射和辐射出在特定方法依赖于温度。虽然并不存在这样一个理想的材料,有些材料它相似,足以提供黑体理论的实验测试。观察到的行为是黑体不排放等量的所有波长。相反,某些波长发射比其他人更多。随着温度的增加,会降低喷射的波长的长度。换句话说,最大发射波长与温度成反比。普朗克解释这种行为表明物质可以处理能量只有在特定的数量,称为量子,这些量子不能之间能量的吸收或释放。

1905年爱因斯坦扩展这个想法在他的解释光电效应。如果光线落在某些金属,这些金属释放电子,形成电流。爱因斯坦试图解释观察到电子的能量是独立的金属辐射下降。观察电子的最大能量依赖于辐射的波长。爱因斯坦光电效应表明,也可以由假设电磁能量,包括光,总是发生在这些包。这重新引入粒子理论。后来许多实验的结果证实了光能量在广达旅行。一个光粒子具有一个量子能量,称为光子。

问题的方式成为一个光源可以解释量子理论。某些元素被加热时,发光的一个特定的颜色。这可以分为光光谱这是由许多不同的亮线。每个元素都有其独特的光谱,可以准确地测量。由于光谱积极识别每个元素,天体的化学成分是由他们的光谱分析。

科学家想知道为什么每个元素的原子,当提供范围广泛的能量的加热过程中,释放出的特定的能量谱。原子结构的现代理论使这种现象可以理解的。一个原子由一个重,带正电的原子核被光包围,带负电荷的电子。

现代理论认为,一个原子的电子可以假设某些固定能源关系,称为能量水平,和核。这些能量水平对于一个元素的所有原子都是相同的。一个电子必须占领的一个能级;它不能拥有任何能量之间的水平。

当一个原子被加热,足够的能量可能会给一个电子提高到更高的能级。但它通常跳回到一个较低的水平,散发一种电磁波,它是两个层次的能量差。当这种能量在可见光范围内,它的行元素的可见光谱。每个元素都有不同的光谱,因为每个元素都有一个不同的数字电子和不同能级电子。

在20世纪早期原子理论还没有解释为什么一波理论和粒子理论都需要描述光。物理学家使用,取决于在特定情况下更有用。矛盾终于解决1924年路易德布罗意。他推测,这一直是作为粒子的集合,还有一波方面。已经证明了这波自然实验和电子等粒子。(另请参阅能源。)

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(另请参阅参考书目,颜色;激光和微波激射器。)