Conocimientos sobre la "Luz"

La luz es una onda electromagnética, y la luz visible es una onda electromagnética con una longitud de onda de 400-700 nanómetros. Las ondas electromagnéticas de menos de 400 nanómetros son rayos ultravioleta, como los rayos X; las ondas electromagnéticas de más de 700 nanómetros son rayos infrarrojos, como las microondas y las ondas de radio. La unidad de longitud de onda son los nanómetros.

¿Qué es la luz?

Hemos estado debatiendo si la "luz" pertenece a ondas o partículas. Incluso Newton, que es mundialmente famoso por la mecánica clásica. , también discutió este tema. La física luego desarrolló la teoría cuántica (1900) y la mecánica cuántica, y luego Einstein publicó la teoría de la reciprocidad en 1904, que dio una nueva explicación a la definición de la luz: la luz es a la vez una onda y una partícula. En otras palabras, ninguno de los lados del argumento está equivocado.

La luz es un tipo de onda electromagnética y una manifestación de energía. Su velocidad de propagación en el vacío alcanza los 300.000 kilómetros por segundo y ninguna materia puede viajar más rápido que la luz; algunos dicen que esto no se puede decir en absoluto. Al tomar fotografías en blanco y negro, generalmente usamos filtros rojos o verdes. El principio es usar el filtro para absorber la luz que es diferente de su propio color y convertir la energía luminosa absorbida en energía térmica y liberarla. Por eso a menudo siento que el filtro se calienta cuando lo uso. En el caso de las ondas electromagnéticas, lo que el ojo humano puede reconocer se llama luz visible, que es lo que solemos llamar "luz". La luz en sí no se puede ver. Sólo podemos sentirla mirando la fuente de luz y confiando en los reflejos. Algunos insectos usan luz ultravioleta para identificar objetos, las víboras usan luz infrarroja y los perros, vacas, gatos y caballos no pueden identificar colores.

Tipos de luz

Las fuentes de luz se pueden dividir en tres tipos.

La primera es la luz producida por efecto térmico. La luz del sol es un buen ejemplo. Además, las velas y otros elementos son iguales. Este tipo de luz cambia de color según cambia la temperatura.

El segundo tipo es la luminiscencia atómica. La sustancia fluorescente recubierta en la pared interior del tubo de la lámpara fluorescente se excita mediante la energía de ondas electromagnéticas para producir luz. Además, el principio de las luces de neón es el mismo. La luminiscencia atómica tiene su propio color básico, por lo que debemos realizar las correcciones correspondientes al fotografiar en color.

El tercer tipo es el sincrotrón que emite luz y transporta energía poderosa. Esta es la luz emitida por el horno atómico, pero casi no tenemos posibilidad de entrar en contacto con este tipo de luz en nuestra vida diaria. , así que recuerda que los dos anteriores son suficientes.

Impresión de la luz

La luz viaja en línea recta. Cuando incide en algo, se reflejará. Si es un objeto transparente, seguirá pasando. densidad del material, habrá giros y vueltas. Este es el principio de la lente. Además, cuando la luz encuentra un material semitransparente (como una placa de luz suave), todavía hay un fenómeno de dispersión, es decir, pierde su paralelismo y se dispersa en cualquier dirección. El resultado que vemos es que la intensidad de la luz. La luz disminuye durante el proceso de propagación. Por otro lado, si la luz permanece en un estado no disperso, puede viajar muy lejos. Sabemos que los láseres tienen esas características, y el ejemplo más común que nos rodea son los reflectores, de los que hablaremos más adelante. Los tipos específicos de luz que se utilizan en la fotografía incluyen el astigmatismo, la luz directa o una combinación de ambas. Conocer estas diferencias será de gran ayuda a la hora de tomar fotografías.

Luz directa y luz reflejada

El astigmatismo se refiere a la luz dispersa. Piensa en la luz del sol que se esparce por la habitación a través de las cortinas después de una tarde y tendrás una impresión aproximada. Hay dos tipos de astigmatismo, uno se forma por luz transmitida y el otro se forma por luz reflejada (en la fotografía real, utilizamos una placa de luz suave para obtener astigmatismo y la luz reflejada es reflejada por el reflector).

Si se permite que la luz del sol pase a través del difusor, la luz será dispersada en todas direcciones por el papel difusor. En este momento, la luz en las partes oscuras del sujeto cercano aumenta, mientras que la luz en las partes iluminadas se debilita y las fotografías tomadas aparecerán muy suaves. En este momento, la fuente de luz principal es la placa de luz suave; para ser precisos, debe ser la parte de la placa de luz suave que está iluminada por el sol. Si todo el panel de luz suave es un cuadrado con una longitud lateral de 10 metros y la parte iluminada por la luz es un cuadrado de 1 metro cuadrado, entonces el tamaño de la fuente de luz principal debe estar dentro del rango de 1 metro de longitud lateral. .

Cuando el modelo está cerca del tablero de luz suave, la fuente de luz principal se vuelve relativamente más grande y el efecto de astigmatismo será más brillante que antes. Además, utilizar papel y tela blancos tiene el mismo efecto. El astigmatismo es un método para alterar el paralelismo de la luz. Por lo tanto, en un entorno astigmático, es difícil tener una parte de sombra obvia y el contorno de la sombra será borroso o incluso invisible. Si quieres conseguir bordes de sombra claros, normalmente utilizas luz directa.

Hablemos de la luz directa. Puedes imaginar lo que sucede cuando la luz del sol incide directamente en la cara de un personaje. En comparación con la luz reflejada circundante, la luz del sol en este momento es muy fuerte y la diferencia entre la luz y la oscuridad también es bastante grande, lo que da a las personas una impresión clara y contrastante. Partimos de la sombra de una pluralidad de objetos y dibujamos líneas rectas hacia los puntos opuestos de los objetos que causan la sombra. Después de extender las líneas rectas, se cruzarán en un punto. La fuente de luz existe en el punto de intersección. El número de puntos de intersección y el número de fuentes de luz deben ser iguales. La luz del sol y la luna son paralelas (difícilmente podemos probar que no lo sean por medios físicos), por lo que no habrá intersección. Este fenómeno se puede demostrar utilizando la geometría.

Contraste

El contraste se refiere a la diferencia entre luz y oscuridad. En pocas palabras, es la diferencia en la cantidad de luz entre luces y sombras. Cuando decimos contraste fuerte nos referimos a que hay una gran diferencia en la cantidad de luz entre las luces y las sombras, cuando el contraste es pequeño, es todo lo contrario;

Se puede observar que, en las mismas condiciones, el contraste de las fotografías tomadas con astigmatismo debe ser relativamente bajo, dando la impresión de que la luz es muy suave y tersa, creando una atmósfera lujosa. Sin embargo, debido a un contraste insuficiente, este tipo de fotografía puede parecer poco clara. Por otro lado, la ventaja de una pequeña diferencia de brillo es que ayuda a que la película en color reproduzca varios colores.

A diferencia del astigmatismo, las imágenes tomadas bajo luz directa dan a las personas una sensación vívida. Si la proporción de luz y oscuridad es moderada, también puede desempeñar un papel a la hora de enfatizar la sensación tridimensional del sujeto. Al mismo tiempo, los bordes de la imagen de la foto se ven más claros. Este tipo de luz dificulta la visualización correcta del color del sujeto.

El astigmatismo es más adecuado para las pinturas japonesas, especialmente aquellas que enfatizan sutiles diferencias de color, emociones y subjetividad. La luz directa es adecuada para la pintura occidental o cuando se quiere dar la impresión de objetividad. En términos de impresión, la luz directa es adecuada para el blanco y negro y el astigmatismo es adecuado para el color. Continuaremos presentándolo en el futuro.

La combinación de teleobjetivo y astigmatismo es más adecuada para pinturas japonesas y fotografía decorativa; la combinación de luz directa y teleobjetivo es adecuada para expresar imágenes potentes, como escenas deportivas. La combinación de lente gran angular y luz directa es muy objetiva y da una impresión occidental; la combinación de astigmatismo y lente gran angular está en el medio y es la más difícil de controlar. No existe el concepto de luces y sombras en las técnicas de pintura orientales.

A veces, cuando encuentres sustantivos físicos, puedes buscarlos en el Diccionario de chino moderno. Si no los conoces en absoluto, también puedes leer primero las explicaciones en el texto (consulta el Capítulo 1). de la versión revisada del Diccionario Chino Moderno Página 468)

Luz: generalmente se refiere a la sustancia que brilla sobre un objeto para que las personas puedan verlo, como la luz del sol, la luz de una lámpara, la luz de la luna, etc. la luz es una onda electromagnética con una longitud de onda de 0,77 a 0,39 micras. Además, incluye la luz infrarroja invisible y la luz ultravioleta. Debido a que la luz es un tipo de onda electromagnética, también se la llama onda de luz, en general, la luz se propaga en línea recta; por eso también se le llama luz.

Conocimiento de la luz

En un sentido estricto, la óptica es la ciencia de la luz y la visión. En los primeros días, la palabra óptica solo se usaba. para cosas relacionadas con los ojos y la visión. Hoy en día se suele hacer referencia a la óptica en un sentido amplio: es la ciencia que estudia la generación, propagación, recepción y visualización de la radiación electromagnética, así como la interacción con la materia, en una amplia gama de longitudes de onda desde microondas, infrarroja, visible. luz, ultravioleta a rayos X.

Una breve historia del desarrollo de la óptica

La óptica es un tema con una larga historia, y su historia de desarrollo se remonta a hace más de 2.000 años.

La investigación humana sobre la luz se centró inicialmente en intentar responder preguntas como "¿Cómo pueden las personas ver los objetos que las rodean?" Alrededor del año 400 a. C. (antes de la dinastía Qin), el "Mo Jing" de China registró el conocimiento óptico más antiguo del mundo. Contiene ocho registros sobre óptica, que describen la definición y generación de sombras, la propagación lineal de la luz y las imágenes estenopeicas, y analiza la relación entre objetos e imágenes en espejos planos, espejos esféricos cóncavos y espejos esféricos convexos en una escritura rigurosa.

A partir del "Mo Jing", el árabe Ibn al-Hasham inventó la lente en el siglo XI d.C., desde 1590 d.C. hasta principios del siglo XVII, Jensen y Lipsch inventaron de forma independiente el microscopio en el siglo XI; al mismo tiempo; hasta el siglo XVII En la primera mitad del siglo, Snell y Descartes resumieron las observaciones de la reflexión y refracción de la luz en las leyes de reflexión y refracción que se utilizan comúnmente en la actualidad.

En 1665, Newton realizó experimentos con la luz solar, que descompuso la luz solar en componentes simples. Estos componentes formaron una distribución de luz con colores dispuestos en un orden determinado: un espectro. Puso por primera vez en contacto a las personas con las características objetivas y cuantitativas de la luz. La separación espacial de cada luz monocromática está determinada por la naturaleza de la luz.

Newton también descubrió que una lente convexa con un gran radio de curvatura se colocaba sobre una placa óptica de vidrio plano. Cuando se iluminaba con luz blanca, aparecía un grupo de franjas anulares concéntricas de colores en el punto de contacto entre la lente. y la placa de vidrio; cuando se ilumina con una determinada luz monocromática, aparecen un grupo de franjas anulares concéntricas de luz y oscuridad alternadas. Las generaciones posteriores llamaron a este fenómeno anillos de Newton. Con este fenómeno, el espesor del espacio de aire del primer anillo oscuro se puede utilizar para caracterizar cuantitativamente la luz monocromática correspondiente.

Mientras descubría estos importantes fenómenos, Newton creía que la luz es un flujo de partículas basado en la propagación lineal de la luz. Las partículas salen volando de la fuente de luz y siguen las leyes de la mecánica para moverse en línea recta a velocidad constante en un medio uniforme. Newton utilizó este punto de vista para explicar los fenómenos de refracción y reflexión.

Huygens se opuso a la teoría de las partículas de la luz. Fundó la teoría ondulatoria de la luz. Se propone que "la luz, como el sonido, se propaga en una superficie de onda esférica". Y se señala que cada punto alcanzado por la vibración de la luz puede considerarse como el centro de vibración de la onda secundaria, y la superficie envolvente de la onda secundaria es el frente de onda (frente de onda) de la onda que se propaga. A lo largo del siglo XVIII, se propusieron de manera aproximada la teoría del flujo de partículas de la luz y la teoría ondulatoria de la luz, pero ninguna de ellas estaba completa.

A principios del siglo XIX se formó la óptica ondulatoria, en la que Thomas Young explicó con éxito el "color de película delgada" y los fenómenos de interferencia de doble rendija. Fresnel complementó el principio de Huygens con el principio de interferencia de Young en 1818, formando así el principio de Huygens-Fresnel que es bien conocido hoy en día, que puede explicar perfectamente los fenómenos de interferencia y difracción de la luz. También puede explicar la propagación lineal de la luz.

En estudios posteriores se observó polarización de la luz e interferencia de la luz polarizada.

Para explicar estos fenómenos, Fresnel supuso que la luz es una onda transversal que se propaga en un medio continuo (éter). Para explicar las diferentes velocidades de la luz en diferentes medios, se debe suponer que las propiedades del éter son diferentes en diferentes materiales; en medios anisotrópicos se requieren supuestos más complejos; Además, hay que darle propiedades más especiales al éter para explicar que la luz no es una onda longitudinal. Un éter de esta naturaleza es inimaginable.

En 1846, Faraday descubrió que la superficie de vibración de la luz gira en un campo magnético; en 1856, Weber descubrió que la velocidad de la luz en el vacío es igual a la relación entre la unidad electromagnética y la unidad electrostática. de intensidad de corriente. Sus hallazgos indican que existe una cierta relación intrínseca entre los fenómenos ópticos, el magnetismo y los fenómenos eléctricos.

Hacia 1860, Maxwell señaló que los cambios en los campos eléctricos y magnéticos no pueden limitarse a una determinada parte del espacio, sino que se propagan a una velocidad igual a la relación entre la unidad electromagnética de la corriente y la unidad electrostática. Este es el caso de la luz. Un fenómeno electromagnético. Esta conclusión fue confirmada experimentalmente por Hertz en 1888.

Sin embargo, tal teoría no puede explicar las propiedades de los osciladores eléctricos que pueden producir altas frecuencias como la luz, ni puede explicar el fenómeno de dispersión de la luz. No fue hasta que Lorentz fundó la teoría del electrón en 1896 que explicó los fenómenos de luminiscencia y absorción de luz por la materia, así como las diversas características de la propagación de la luz en la materia, incluida la explicación de la dispersión. En la teoría de Lorentz, el éter es un medio inamovible vasto e infinito, y su única característica es que las vibraciones de la luz en este medio tienen una determinada velocidad de propagación.

Para cuestiones importantes como la distribución de la longitud de onda de la energía en la radiación de un cuerpo negro caliente, la teoría de Lorentz aún no puede dar una explicación satisfactoria. Además, si el concepto de éter de Lorentz se considera correcto, se puede elegir el éter estacionario como marco de referencia, lo que permitirá distinguir el movimiento absoluto. De hecho, en 1887, Michelson utilizó un interferómetro para medir el "viento de éter" y obtuvo resultados negativos. Esto demuestra que en la época de la teoría del electrón de Lorentz, la comprensión de la naturaleza de la luz todavía era muy unilateral.

En 1900, Planck tomó prestado el concepto de discontinuidad de la teoría de la estructura molecular de la materia y propuso la teoría cuántica de la radiación. Creía que las ondas electromagnéticas de diversas frecuencias, incluida la luz, sólo pueden emitirse desde el oscilador con sus propios componentes de energía determinados. Estas partículas de energía se denominan cuantos y los cuantos de luz, fotones.

La teoría cuántica no sólo explica de forma natural la distribución de la energía irradiada por los cuerpos calientes según la longitud de onda, sino que también plantea de una manera completamente nueva toda la cuestión de la interacción entre la luz y la materia. La teoría cuántica aporta nuevos conceptos no sólo a la óptica, sino también a toda la física, por lo que su nacimiento suele considerarse como el punto de partida de la física moderna.

En 1905, Einstein utilizó la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico. Dio una expresión muy clara a los fotones, señalando específicamente que cuando la luz interactúa con la materia, la luz también interactúa con los fotones como la unidad más pequeña.

En septiembre de 1905, los "Anales de Física" alemanes publicaron el artículo de Einstein "Sobre la electrodinámica de los medios en movimiento". Los principios básicos de la relatividad especial se propusieron por primera vez. El artículo señaló que el ámbito de aplicación de la física clásica, que ha dominado desde la era de Galileo y Newton, se limita a situaciones en las que la velocidad es mucho menor que la velocidad. de la luz, mientras que su nueva teoría puede explicar una gran cantidad de Las características del proceso relacionadas con la velocidad del movimiento abandonó por completo el concepto de éter y explicó satisfactoriamente los fenómenos ópticos de los objetos en movimiento.

De esta forma, a principios del siglo XX, por un lado, se confirmó que la luz es una onda electromagnética a partir de los fenómenos ópticos de interferencia de la luz, difracción, polarización y movimiento de los objetos en la superficie; Por otra parte, se confirmó a partir de la radiación térmica, el efecto fotoeléctrico, la presión de la luz, así como los efectos químicos de la luz, etc., que no hay duda de que la naturaleza cuántica de la luz es la naturaleza particulada de la luz.

El efecto Compton descubierto en 1922, el efecto Raman descubierto en 1928 y la estructura ultrafina de los espectros atómicos que se pudieron obtener experimentalmente en ese momento muestran que el desarrollo de la óptica está estrechamente relacionado con la cuántica. Física estrechamente relacionada. La historia del desarrollo de la óptica muestra que las dos teorías básicas más importantes de la física moderna, la mecánica cuántica y la relatividad especial, nacieron y se desarrollaron en el estudio de la luz.

Desde entonces, la óptica ha entrado en una nueva era, convirtiéndose en una parte importante de la física moderna y en la frontera de la ciencia y la tecnología modernas. Uno de los logros más importantes es el descubrimiento de la radiación estimulada de átomos y moléculas predicha por Einstein en 1916, y la creación de muchas técnicas específicas para generar radiación estimulada.

Cuando Einstein estudió la radiación, señaló que bajo ciertas condiciones, si la radiación estimulada puede continuar excitando otras partículas, provocando una reacción en cadena y una avalancha de efectos de amplificación, finalmente se puede obtener la monocromaticidad. , a saber, láser. En 1960, Maiman fabricó el primer láser de luz visible a partir de rubí; ese mismo año, un láser de helio-neón; en 1963, un láser semiconductor; Dado que el láser tiene una excelente monocromaticidad, alto brillo y buena direccionalidad, se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente desde su descubrimiento en 1958, lo que ha provocado importantes cambios en la ciencia y la tecnología.

Otra rama importante de la óptica está compuesta por la óptica de imágenes, la holografía y el procesamiento óptico de la información.

Esta rama se remonta a la teoría de imágenes microscópicas propuesta por Abbe en 1873, y la verificación experimental completada por Porter en 1906 en 1935, Zelnick propuso el método de observación de contraste de fase, y con base en esto, el contraste de fase fue realizado por el; Microscopio Zeiss, por el que ganó el Premio Nobel de Física en 1953; en 1948, Gabor propuso el principio de reproducción del frente de onda, predecesor de la holografía moderna, por el que Gabor ganó el Premio Nobel de Física en 1971.

Desde la década de 1950, la gente ha comenzado a combinar las matemáticas, la tecnología electrónica y la teoría de la comunicación con la óptica, introduciendo conceptos como espectro, filtrado espacial, onda portadora, transformación lineal y operaciones relacionadas con la óptica, actualizando la óptica de imagen clásica. formó la llamada "óptica Boulier". Junto con la luz coherente proporcionada por los láseres y la holografía mejorada por Leith y Apatnex, se formó un nuevo campo temático: el procesamiento de información óptica. La comunicación por fibra óptica es un logro importante basado en esta teoría. Proporciona una nueva tecnología para la transmisión y el procesamiento de información.

En la óptica moderna, cada vez más personas prestan atención a los fenómenos ópticos no lineales producidos por potentes láseres. La espectroscopia láser, incluida la espectroscopia láser Raman, la espectroscopia de alta resolución y los pulsos ultracortos de picosegundos, así como la aparición de la tecnología láser sintonizable, han provocado grandes cambios en la espectroscopia tradicional y se han convertido en un estudio en profundidad de la microestructura de la materia. de reglas de movimiento y mecanismo de conversión de energía. Proporciona tecnología sin precedentes para el estudio de procesos dinámicos en física de la materia condensada, biología molecular y química.

Contenidos de investigación en óptica

Solemos dividir la óptica en óptica geométrica, óptica física y óptica cuántica.

La óptica geométrica es una disciplina que estudia la propagación de la luz basándose en varios principios básicos obtenidos a partir de experimentos. Utiliza el concepto de luz, las leyes de refracción y reflexión para describir la trayectoria de propagación de la luz en diversos medios, y los resultados que obtiene suelen ser siempre aproximaciones o límites de la óptica ondulatoria en determinadas condiciones.

La óptica física es una disciplina que estudia los fenómenos que se producen durante la propagación de la luz basándose en la naturaleza ondulatoria de la luz, por eso también se le llama óptica ondulatoria. Puede estudiar más cómodamente la interferencia de la luz, la difracción de la luz, la polarización de la luz y los fenómenos que se muestran cuando la luz se propaga y se inserta en medios anisotrópicos.

La base de la óptica ondulatoria son las ecuaciones de la electrodinámica clásica de Maxwell. La óptica ondulatoria no analiza la relación entre la constante dieléctrica, la permeabilidad magnética y la estructura del material, sino que se centra en explicar el comportamiento de las ondas luminosas. La óptica ondulatoria puede explicar el fenómeno de la propagación de la luz en medios dispersos y anisotrópicos, así como el comportamiento de la luz cerca de la interfaz del medio; también puede explicar el fenómeno de dispersión y los efectos de la presión, la temperatura, los campos sonoros, los campos eléctricos y los medios anisotrópicos; Influencia de los campos magnéticos sobre la luz en diversos medios.

Óptica Cuántica

Cuando Planck estaba estudiando la radiación del cuerpo negro en 1900, para derivar teóricamente una fórmula empírica que fuera muy consistente con la realidad, propuso audazmente la Una suposición completamente diferente de la concepto clásico, es decir, "la energía de los osciladores que componen el cuerpo negro no puede cambiar continuamente y sólo puede tomar un valor discreto".

En 1905, Einstein promovió la mencionada teoría cuántica de Planck al estudiar el efecto fotoeléctrico, y luego propuso el concepto de fotones. Creía que la energía luminosa no se distribuía en el frente de onda como se describe en la teoría de las ondas electromagnéticas, sino que se concentraba en partículas llamadas fotones. En el efecto fotoeléctrico, cuando los fotones golpean la superficie del metal, son absorbidos por los electrones del metal a la vez, sin el tiempo necesario para acumular energía como predice la teoría electromagnética. Los electrones utilizan parte de esta energía para superar el impacto del metal. superficie del metal sobre ella. La fuerza de succión es la función de trabajo, y el resto se convierte en la energía cinética de los electrones después de que abandonan la superficie del metal.

Esta disciplina que estudia la interacción entre la luz y la materia a partir de las propiedades de los fotones es la óptica cuántica. Se basa principalmente en la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica.

El fenómeno por el que la luz exhibe propiedades tanto ondulatorias como partícula es la dualidad onda-partícula de la luz. Investigaciones posteriores demostraron de manera indiscutible teórica y experimentalmente que no sólo la luz tiene esta dualidad, sino que toda la materia del mundo, incluidos los electrones, los protones, los neutrones y los átomos, así como todas las cosas macroscópicas, también tienen sus propias características de onda asociadas. .

Óptica Aplicada

La óptica está compuesta por muchas subdisciplinas muy relacionadas con la física porque tiene una amplia gama de aplicaciones, también existen una serie de subdisciplinas con fuerte aplicación; Fondos que también pertenecen a la gama Óptica. Por ejemplo, la fotometría y la radiometría están relacionadas con la medición de cantidades físicas de radiación electromagnética; la colorimetría, que utiliza el ojo humano normal como receptor para estudiar la visión del color causada por la radiación electromagnética y la medición de cantidades psicofísicas y numerosas ópticas técnicas: diseño de sistemas ópticos y teoría de instrumentos ópticos, fabricación y pruebas ópticas, interferometría, óptica de película delgada, fibra óptica y óptica integrada, etc., también hay ramas que se cruzan con otras disciplinas, como la óptica astronómica, la óptica oceánica y la óptica de teledetección; , Óptica atmosférica, óptica fisiológica y óptica de armas, etc.