¿Los electrones y la luz se mueven a la misma velocidad?
¿Qué es la luz?
Hemos estado debatiendo si la "luz" pertenece a ondas o partículas. Incluso Newton, famoso por su mecánica clásica, también discutió este tema. Desde entonces, la física evolucionó hasta la teoría cuántica (1900) y la mecánica cuántica, y luego Einstein publicó la teoría de fases en 1904, que dio una nueva explicación para la definición de 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 una onda electromagnética y una forma de energía. Viaja a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo en el vacío. Nada puede viajar más rápido que la luz; algunos dicen que no es posible afirmarlo en forma absoluta. En la fotografía en blanco y negro solemos utilizar filtros rojos o verdes. El principio es utilizar un filtro para absorber la luz que es diferente de su propio color, convertir la energía luminosa absorbida en energía térmica y liberarla. Es por esta razón que a menudo sientes que el filtro se calienta al usarlo. 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 es invisible sólo podemos sentirla mirando la fuente de luz y confiando en los reflectores. Algunos insectos usan luz ultravioleta para identificar objetos, las víboras usan luz infrarroja para identificar objetos y los perros, vacas, gatos y caballos no pueden identificar colores.
Tipos de Lámparas
Las fuentes de luz se pueden dividir en tres tipos.
La primera es la luz producida por el efecto térmico. El sol es un buen ejemplo. Más allá de eso, lo mismo ocurre con las velas y otros artículos. Esta luz cambia de color a medida que cambia la temperatura.
La segunda es la luminiscencia de los átomos. La sustancia fluorescente recubierta en la pared interior del tubo fluorescente es excitada por la energía de ondas electromagnéticas para producir luz. El principio de las luces de neón es el mismo. La luminiscencia atómica tiene su propio color básico y debemos hacer las correcciones correspondientes al fotografiar colores.
La tercera es que el sincrotrón emite luz y transporta una poderosa energía al mismo tiempo. Este es el tipo de luz emitida por un horno atómico, y casi no tenemos contacto con este tipo de luz en la vida diaria. Basta recordar los dos primeros.
Impresión de luz
La luz viaja en línea recta. Cuando golpea algo, refleja. Si es un objeto transparente, pasará. Dependiendo de la densidad de la sustancia, habrá giros y vueltas. Así funcionan las lentes. Además, la luz seguirá dispersándose cuando encuentre materiales translúcidos (como placas de luz blandas), es decir, perderá paralelismo y se dispersará en cualquier dirección. Por tanto, la intensidad de la luz disminuye durante la propagación. En cambio, si la luz no se divide, puede recorrer grandes distancias. Sabemos que los láseres tienen tales características. El ejemplo más común que nos rodea son los reflectores, que se analizarán más adelante. La fotografía específica utiliza astigmatismo, luz directa o una combinación de ambos. Conocer estas diferencias te será de gran ayuda a la hora de tomar una fotografía.
Luz directa y luz reflejada
El astigmatismo se refiere a la luz dispersa. Piense en la luz del sol de la tarde que brilla en el interior a través de las cortinas y tendrá una impresión general. El astigmatismo se puede dividir en dos tipos, uno es causado por la luz transmitida y el otro es causado por la luz reflejada (en la fotografía real, utilizamos una placa de luz suave para obtener el astigmatismo y la luz reflejada se refleja en un espejo).
Si la luz del sol pasa a través de un difusor, la luz será dispersada por el difusor. En este momento, la luz en las partes oscuras del sujeto cercano aumenta, mientras que la luz en las partes altas se debilita y las fotografías tomadas aparecerán muy suaves. La principal fuente de luz en este momento es el difusor; para ser precisos, debe ser la parte del difusor que está iluminada por el sol. Si todo el difusor es un cuadrado con una longitud de lado de 10 metros y la parte iluminada es un cuadrado con una longitud de lado de 1 metro, entonces el tamaño de la fuente de luz principal debe estar dentro del rango de 1 metro de longitud de lado.
Cuando el modelo está cerca del difusor, la fuente de luz principal se hace más grande y el efecto de astigmatismo será más brillante que antes. Además, el efecto de utilizar papel blanco y tela blanca es el mismo. El astigmatismo es una forma de alterar el paralelismo de la luz, por lo que es difícil tener partes de sombra obvias en un entorno astigmático, y el contorno de la sombra será borroso o incluso invisible. Sin embargo, a menudo se utiliza la luz directa para conseguir bordes de sombra nítidos.
Hablemos primero de la luz directa. Puedes imaginar el sol brillando directamente sobre el rostro de una persona. 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 es bastante grande, lo que da a las personas la impresión de un claro contraste. Comenzamos con la sombra de un objeto complejo y dibujamos una línea recta hasta el punto opuesto del objeto que provocó la sombra. Una vez extendidas las líneas rectas, se cruzarán en un punto y la fuente de luz existirá 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 (nos resulta difícil demostrar que no son paralelas 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 oscuridad y oscuridad. En pocas palabras, es la diferencia en la cantidad de luz entre luces y sombras. Cuando decimos contraste fuerte, queremos decir que la cantidad de luz que entra en las luces y las sombras es muy diferente; el contraste pequeño es todo lo contrario;
Así podemos saber que cuando otras condiciones son iguales, el contraste de las fotos tomadas con astigmatismo debe ser relativamente bajo, dando la impresión de que la luz es muy suave y suave, creando una atmósfera lujosa. Sin embargo, estas fotografías pueden parecer poco claras debido a la falta de contraste. Por otro lado, la ventaja de las pequeñas diferencias de brillo es que ayudan 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 el papel de enfatizar el sentido tridimensional del sujeto. Al mismo tiempo, los bordes de la imagen de la foto se ven más nítidos. Este tipo de luz dificulta la representación precisa del color del sujeto.
El astigmatismo es más adecuado para las pinturas de estilo japonés, especialmente aquellas que enfatizan las sutiles diferencias de color, las emociones y la subjetividad. La luz directa es adecuada para cuadros occidentales o cuando se quiere dar una impresión objetiva. En la impresión, la luz directa es adecuada para el blanco y negro y el astigmatismo es adecuado para el color. Continuaremos lanzándolo 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 fotografiar 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 te encuentras con sustantivos físicos, puedes consultar el "Diccionario de chino moderno". Si no los entiendes en absoluto, empieza por mirar la explicación literal. (Ver página 468 de la edición revisada)
Luz: generalmente se refiere a la sustancia que brilla sobre un objeto para que las personas puedan verlo, como la luz del sol, las luces, la luz de la luna, etc. La luz visible son ondas electromagnéticas con una longitud de onda de 0,77 a 0,39 micrones. Además, se incluyen luz infrarroja invisible y luz ultravioleta. Debido a que la luz es un tipo de onda electromagnética, también se la llama onda de luz. Generalmente la luz se propaga en línea recta, por eso también se la llama luz.
Conocimiento de la luz
En un sentido estricto, la óptica es una ciencia sobre la luz y la visión. En los primeros tiempos, la palabra óptica se usaba sólo para cosas relacionadas con los ojos y la visión. Hoy en día, la óptica es un término amplio que estudia la generación, propagación, recepción y visualización de la radiación electromagnética y su interacción con la materia en una amplia gama de longitudes de onda, desde microondas, infrarrojos, luz visible, ultravioleta hasta rayos X.
Breve historia del desarrollo de la óptica
La óptica es un tema con una larga historia, que se remonta a hace más de 2.000 años.
Al principio, los humanos intentaban principalmente responder a la pregunta "¿cómo pueden las personas ver los objetos que los rodean?" Preguntas como ésta. Alrededor del 400 a. C. (antes de Qin), China registró el conocimiento óptico más antiguo del mundo en Moqing. Tiene ocho registros ópticos, que describen con palabras rigurosas la definición y generación de sombras, la propagación lineal de la luz y las imágenes estenopeicas, y analiza la relación objeto-imagen en espejos planos, espejos esféricos cóncavos y espejos esféricos convexos.
¿Del Sutra Mohista, Ibn el Árabe en el siglo XI? Heselm inventó la lente; desde 1590 hasta principios del siglo XVII, Janssen y Lipsky inventaron de forma independiente el microscopio al mismo tiempo; no fue hasta la primera mitad del siglo XVII que Snell y Descartes explicaron la reflexión y refracción de la luz. Las observaciones se redujeron a las leyes de reflexión y refracción que se utilizan comúnmente en la actualidad.
En 1665, Newton experimentó con la luz solar y la descompuso en componentes simples. Estos componentes formaron una distribución de luz en la que los colores estaban dispuestos en un orden determinado: un espectro. Puso en contacto por primera vez con las características cuantitativas objetivas de la luz. La separación espacial de la luz monocromática está determinada por las propiedades de la luz.
Newton también descubrió que cuando una lente convexa con un gran radio de curvatura se coloca sobre un vidrio óptico plano y se ilumina con luz blanca, aparece un grupo de franjas anulares concéntricas de colores en el punto de contacto entre la lente y la placa de vidrio cuando se utiliza una sola lente Cuando se ilumina con luz de colores, aparecen un grupo de franjas anulares concéntricas de luz y oscuridad alternadas, que las generaciones posteriores denominaron anillos de Newton. En este fenómeno se puede caracterizar cuantitativamente la luz monocromática correspondiente mediante el espesor del espacio de aire del primer anillo oscuro.
Cuando Newton descubrió estos importantes fenómenos, creía que la luz era un flujo de partículas basado en la propagación lineal de la luz. Las partículas salen volando de la fuente de luz y se mueven en línea recta a una velocidad uniforme en un medio uniforme de acuerdo con las leyes de la mecánica. Newton utilizó esta idea para explicar los fenómenos de refracción y reflexión.
Huygens se opuso a la teoría de las partículas de la luz. Creó la teoría ondulatoria de la luz. Se propone que "la luz, como la luz simultánea, se propaga a través de una superficie de onda esférica". También se señaló 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, la teoría del flujo de partículas de la luz y la teoría ondulatoria de la luz se habían propuesto de manera aproximada, pero ninguna de ellas era muy completa.
A principios del siglo XIX se formó inicialmente la óptica ondulatoria, entre las cuales Thomas? Yang explicó satisfactoriamente el "color de la membrana" y el fenómeno de interferencia de la doble rendija. Fresnel complementó el principio de Huygens con el principio de interferencia de Young en 1818, formando así lo que ahora se conoce como el principio de Huygens-Fresnel. Puede utilizarse para explicar satisfactoriamente la interferencia y difracción de la luz, así como la propagación lineal de la luz.
En estudios posteriores se observó la polarización de la luz y la 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 diferencias en la velocidad de la luz en diferentes medios, es necesario suponer que las propiedades del éter en diferentes sustancias son diferentes; en medios anisotrópicos, se requieren suposiciones más complejas; Además, hay que darle propiedades más especiales para explicar que la luz no es una onda longitudinal. Un éter de esta naturaleza es impensable.
En 1846, Faraday descubrió que el plano 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 las unidades electromagnéticas y las unidades electrostáticas de intensidad de corriente. . Sus hallazgos demostraron que existe una cierta conexión intrínseca entre los fenómenos ópticos y los fenómenos magnéticos y 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. La luz es un fenómeno electromagnético. Esta conclusión fue confirmada experimentalmente por Hertz en 1888.
Pero esta teoría no puede explicar la naturaleza de los osciladores eléctricos que pueden producir luz a una frecuencia tan alta, ni tampoco puede explicar la dispersión de la luz. No fue hasta que Lorentz fundó la teoría del electrón en 1896 que se explicó el fenómeno de emisión 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 Lorenz, el éter es un medio infinito e inamovible, y su única característica es que la vibración de la luz tiene una determinada velocidad de propagación en este medio.
Para una cuestión tan importante como la distribución de energía según la longitud de onda en la radiación térmica del cuerpo negro, la teoría de Lorentz no puede dar una explicación satisfactoria. Además, si el concepto de éter de Lorentz es correcto, se puede elegir un éter fijo como marco de referencia, de modo que se pueda 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 durante el período de la teoría electrónica de Lorentz, la gente todavía tenía muchas interpretaciones unilaterales de la naturaleza de la luz.
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 la energía de su propia composición determinada. Este tipo de partícula de energía se llama cuanto y el cuanto de luz se llama fotón.
La teoría cuántica no sólo explica de forma natural la distribución de la energía radiante 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 proporciona un nuevo concepto no sólo a la óptica, sino también a toda la física, por lo que su nacimiento se considera a menudo como el punto de partida de la física moderna.
En 1905, Einstein utilizó la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico. Hizo una declaración muy clara sobre los fotones, señalando específicamente que cuando la luz interactúa con la materia, la luz también tiene fotones como su unidad más pequeña.
En septiembre de 1905, el Anuario Alemán de Física publicó el artículo de Einstein "Electrodinámica de los medios en movimiento". Se propusieron por primera vez los principios básicos de la relatividad especial. Señalando que el ámbito de aplicación de la física clásica, que había sido dominante desde los días de Galileo y Newton, se limitaba a velocidades mucho menores que la velocidad de la luz, mientras que su nueva teoría podría explicar las características de los procesos asociados con el movimiento en general. velocidades, abandonando por completo el concepto de éter, explicó satisfactoriamente los fenómenos ópticos de los objetos en movimiento.
De esta manera, a principios del siglo XX, por un lado, la interferencia, difracción y polarización de la luz y los fenómenos ópticos de los objetos en movimiento confirmaron que la luz es una onda electromagnética, por otro; Por otro lado, la naturaleza cuántica de la luz, la naturaleza partícula, evolucionada a partir del calor. La radiación, el efecto fotoeléctrico, la presión de la luz, los efectos químicos de la luz, etc., han sido demostrados más allá de toda duda.
El efecto Compton descubierto en 1922, el efecto Raman descubierto en 1928 y la estructura ultrafina del espectro atómico que se pudo obtener experimentalmente en ese momento indican que el desarrollo de la óptica está estrechamente relacionado con física cuántica. 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, convirtiéndola 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 emisión estimulada atómica y molecular, predicha por Einstein en 1916, y la creación de muchas tecnologías específicas para producir emisión estimulada.
Al estudiar la radiación, Einstein señaló que bajo ciertas condiciones, si la radiación estimulada puede continuar excitando otras partículas, causar una reacción en cadena y obtener un efecto de amplificación similar a una avalancha, eventualmente se puede obtener un color monocromático. Radiación fuerte, concretamente láser. En 1960, Maiman fabricó el primer láser de luz visible a partir de rubí; ese mismo año produjo un láser de helio-neón; en 1962 produjo un láser semiconductor; en 1963 produjo un láser de tinte sintonizable; Debido a su buena monocromaticidad, alto brillo y buena direccionalidad, el láser se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente desde su descubrimiento en 1958, provocando grandes cambios en la ciencia y la tecnología.
Otra rama importante de la óptica es la óptica de imágenes, la holografía y el procesamiento óptico de 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 fases y la fábrica Zeiss produjo un microscopio de contraste de fases, por el que ganó el Premio Nobel de Física en 1953. En 1948, Dennis Gabor propuso el principio de reconstrucción del frente de onda, el predecesor de la holografía moderna, por el que Dennis Gabor ganó el Premio Nobel de Física en 1971.
Desde la década de 1950, la gente comenzó a combinar las matemáticas, la tecnología electrónica y la teoría de la comunicación con la óptica, e introdujeron en la óptica conceptos como espectro, filtrado espacial, onda portadora, transformación lineal y operaciones relacionadas, actualizando el clásico. Las ópticas de imagen forman la llamada "óptica Brillouin". Junto con la luz coherente proporcionada por los láseres y la holografía mejorada de Liz y Pattner, se formó una nueva área temática: el procesamiento óptico de información. La comunicación por fibra óptica es un logro importante basado en esta teoría, que proporciona una tecnología completamente nueva para la transmisión y el procesamiento de información.
En la óptica moderna, los fenómenos ópticos no lineales producidos por potentes láseres han atraído cada vez más atención. 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 cambiado en gran medida la espectroscopia tradicional y se han convertido en un estudio en profundidad de la microestructura, las leyes del movimiento y los mecanismos de conversión de energía de importan medios importantes. 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 materia que estudia la propagación de la luz basándose en varios principios básicos obtenidos a partir de experimentos. Utiliza el concepto de luz y la ley de refracción y reflexión para describir el modo de propagación de la luz en diversos medios. Los resultados obtenidos suelen ser la aproximación o el límite de la óptica ondulatoria en determinadas condiciones.
La óptica física es una disciplina que estudia el fenómeno de la propagación de la luz a partir de la onda de luz, por eso también se le llama óptica ondulatoria. Puede estudiar cómodamente la interferencia, difracción y polarización de la luz, así como el fenómeno de la propagación de la luz 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 las reglas de funcionamiento de las ondas luminosas. La óptica ondulatoria puede explicar el fenómeno de la propagación de la luz en medios de dispersión y medios 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, el campo sonoro, el campo eléctrico y; Campo magnético sobre la luz en diversos medios. Influencia del fenómeno.
Óptica Cuántica
En 1900, cuando Planck estudiaba la radiación del cuerpo negro, propuso audazmente que "la energía de los osciladores que componen el cuerpo negro no puede cambiar continuamente y sólo puede tomar valores discretos". uno por uno." Las hipótesis se formulan con el fin de derivar fórmulas empíricas que sean consistentes con la realidad.
En 1905, Einstein impulsó la 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 las llamadas partículas de fotones. En el efecto fotoeléctrico, cuando un fotón choca contra una superficie metálica, todos los electrones del metal son absorbidos todos a la vez, en lugar de tener tiempo para acumular energía como predice la teoría electromagnética. El electrón utiliza esta parte de energía para vencer la fuerza gravitacional de la superficie del metal, es decir, para realizar trabajo, y el resto se convierte en energía cinética del electrón después de abandonar la superficie del metal.
Esta disciplina que estudia la interacción entre la luz y la materia a partir de la naturaleza de los fotones es la óptica cuántica. Se basa principalmente en la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica.
Este fenómeno luminoso se manifiesta como fluctuaciones y partículas, las cuales son la dualidad onda-partícula de la luz. Investigaciones posteriores demostraron irrefutablemente teórica y experimentalmente que no sólo la luz tiene esta dualidad, sino que toda la materia del mundo, incluidos los electrones, protones, neutrones y átomos, así como todas las cosas macroscópicas, también tienen propiedades similares a su propia masa y fluctuación dependiente de la velocidad. características.
Óptica Aplicada
La Óptica está compuesta por muchas subdisciplinas estrechamente relacionadas con la física, debido a su amplia gama de aplicaciones, existen una serie de ramas con fuerte trayectoria de aplicación a las que también pertenecen; al campo de la óptica. Por ejemplo, fotometría y radiometría relacionadas con la medición de cantidades físicas de radiación electromagnética; utilizando el ojo humano normal como receptor para estudiar la visión del color causada por la radiación electromagnética y la cromaticidad de su medición de cantidades psicofísicas. Además de muchas ópticas técnicas: diseño de sistemas ópticos y teoría de instrumentos ópticos, fabricación y pruebas ópticas, interferometría, óptica de película delgada, fibra óptica, óptica integrada, también hay ramas que se cruzan con otras disciplinas, como la óptica astronómica y la óptica oceánica; , óptica de teledetección, óptica atmosférica, óptica fisiológica, óptica de armas, etc.