빛 : 역사, 자연, 행동, 전파 - 물리적 인

광 전자파 시감에 의해 검출 될 수있다. 그것은 가시 광선으로 알려진 전자기 스펙트럼의 일부를 구성합니다. 수년에 걸쳐 그 성격을 설명하기 위해 다양한 이론이 제안되었습니다.

예를 들어, 빛은 물체 나 관찰자의 눈에 의해 방출되는 입자의 흐름으로 구성되어 있다는 믿음은 오랫동안 유지되었습니다. 아랍인과 고대 그리스인에 대한 이러한 믿음은 빛의 현상을 설명하기 위해 Isaac Newton (1642-1727)에 의해 공유되었습니다.

그림 1. 대기 중 햇빛이 산란되어 하늘이 파랗습니다. 출처 : Pixabay.

뉴턴은 빛이 파동의 성질을 가지고 있다고 의심하고 Christian Huygens (1629-1695)는 파동 이론으로 굴절과 반사를 설명했지만 입자로서의 빛에 대한 믿음은 19 세기 초까지 모든 과학자들 사이에서 널리 퍼졌습니다. .

그 세기 초에 영국의 물리학 자 Thomas Young은 기계 파가 줄에서하는 것처럼 광선이 서로 간섭 할 수 있다는 것을 의심 할 여지없이 증명했습니다.

그것은 빛이 입자가 아니라 파동이라는 것을 의미 할 수 있었지만, 1873 년까지 아무도 그것이 어떤 종류의 파동인지 알지 못했지만, James Clerk Maxwell은 빛이 전자기파라고 주장했습니다.

1887 년 하인리히 헤르츠의 실험 결과의 지원으로 빛의 파동 성은 과학적 사실로 확립되었습니다.

그러나 20 세기 초, 빛의 입자성에 대한 새로운 증거가 나타났습니다. 이러한 특성은 빛 에너지가 "광자"라고 불리는 패키지로 전달되는 방출 및 흡수 현상에 존재합니다.

따라서 빛은 파동으로 전파되고 입자와 같은 물질과 상호 작용하기 때문에 현재 빛에서 두 가지 성질, 즉 파동 입자가 인식됩니다.

빛의 본질

빛의 본질은 광자로 에너지가 들어오는 전자기파로 전파되는 이중이라는 것이 분명합니다.

질량이없는 이들은 300,000km / s의 일정한 속도로 진공 상태에서 움직입니다. 진공 상태에서 알려진 빛의 속도이지만 빛은 다른 속도로도 다른 매체를 통과 할 수 있습니다.

광자가 우리 눈에 도달하면 빛의 존재를 감지하는 센서가 활성화됩니다. 정보는 뇌로 전달되어 그곳에서 해석됩니다.

광원이 많은 수의 광자를 방출 할 때 우리는 그것을 밝은 광원으로 봅니다. 반대로 방출량이 적 으면 불투명 소스로 해석됩니다. 각 광자는 특정 에너지를 가지고 있으며 뇌는이를 색상으로 해석합니다. 예를 들어 청색 광자는 적색 광자보다 에너지가 더 많습니다.

모든 소스는 일반적으로 다른 에너지의 광자를 방출하므로 색상이 표시됩니다.

단일 유형의 에너지로 광자를 방출하지 않는 경우 단색광이라고합니다. 레이저는 단색광의 좋은 예입니다. 마지막으로 소스에서 광자의 분포를 스펙트럼이라고합니다.

파동은 또한 특정 파장을 갖는 것이 특징입니다. 우리가 말했듯이 빛은 전파에서 감마선에 이르기까지 매우 넓은 범위의 파장을 포함하는 전자기 스펙트럼에 속합니다. 다음 이미지는 흰색 광선이 삼각 프리즘을 어떻게 산란하는지 보여줍니다. 빛은 장파장 (적색)과 단파장 (파란색)으로 분리됩니다.

가운데에는 400 나노 미터 (nm)에서 700nm에 이르는 가시 스펙트럼으로 알려진 좁은 파장 대역이 있습니다.

그림 2. 가시광 선의 범위를 보여주는 전자기 스펙트럼. 출처 : 출처 : Wikimedia Commons. 저자 : Horst Frank.

빛의 행동

빛은 이중, 파동 및 입자 거동을 가지고 있습니다. 빛은 전자기파와 같은 방식으로 전파되므로 에너지를 전달할 수 있습니다. 그러나 빛이 물질과 상호 작용할 때 그것은 광자라고 불리는 입자들의 빔처럼 행동합니다.

그림 4. 전자기파의 전파. 출처 : Wikimedia Commons. SuperManu.

1802 년 물리학 자 Thomas Young (1773-1829)은 이중 슬릿 실험을 사용하여 빛이 파동 거동을 가짐을 입증했습니다.

이러한 방식으로 그는 화면에 최대 및 최소 간섭을 생성 할 수있었습니다. 이 동작은 파동의 전형적인 현상이므로 Young은 빛이 파동이며 파장을 측정 할 수 있음을 입증 할 수있었습니다.

빛의 다른 측면은 광자라고 불리는 에너지 패킷으로 표현되는 입자의 것인데, 진공 상태에서 속도 c = 3 x 10 ⁸ m / s 로 움직이고 질량이 없습니다. 그러나 그들은 E 에너지를 가지고 있습니다.

또한 규모의 추진력 :

여기서 h는 플랑크 상수이며, 값은 6.63 x 10 ^-34 Joule.second이고 f는 파동의 주파수입니다. 다음 표현식 결합 :

그리고 파장 λ와 주파수는 c = λ.f에 의해 관련되므로 다음과 같이 유지됩니다.

Huygens 원리

그림 5. 웨이브 프런트와 광선이 직선으로 전파됩니다. 출처 : Serway. R. 과학 및 공학 물리학.

빛의 행동을 연구 할 때 고려해야 할 두 가지 중요한 원칙이 있습니다 : Huygens의 원리와 Fermat의 원리. Huygens의 원칙은 다음과 같습니다.

왜 구형파인가? 매체가 균질하다고 가정하면 점 광원에서 방출되는 빛이 모든 방향으로 동일하게 전파됩니다. 우리는 광선이 고르게 분포되어있는 큰 구의 중앙에서 빛이 전파되는 것을 상상할 수 있습니다. 이 빛을 관찰하는 사람은 그것이 그의 눈을 향해 직선으로 이동하고 파면에 수직으로 이동한다는 것을 인식합니다.

광선이 태양과 같이 매우 먼 소스에서 나오는 경우 파면은 평평하고 광선은 평행합니다. 이것이 바로 기하학적 광학 접근 방식입니다.

Fermat의 원리

Fermat의 원칙은 다음과 같습니다.

이 원칙은 1662 년에 처음 설립 한 프랑스의 수학자 Pierre de Fermat (1601-1665)에게 이름이 붙여졌습니다.

이 원리에 따르면 균질 한 매체에서 빛은 일정한 속도로 전파되므로 균일 한 직선 운동을 가지며 그 궤적은 직선입니다.

빛의 전파

빛은 전자파처럼 이동합니다. 전기장과 자기장은 서로를 생성하여 위상이 같고 서로 및 전파 방향에 수직 인 결합 파를 구성합니다.

일반적으로 공간에서 전파되는 파동은 파면으로 설명 할 수 있습니다. 이것은 진폭과 위상이 동일한 포인트 세트입니다. 주어진 순간에 파면의 위치를 알면, 후이 겐스의 원칙에 따라 모든 후속 위치를 알 수 있습니다.

회절

육각형 슬릿에 의해 회절 된 레이저. Lienzocian

빛의 파동 동작은 전파 중에 발생하는 두 가지 중요한 현상 인 회절과 간섭에 의해 분명하게 입증됩니다. 회절에서는 물, 소리 또는 빛의 파도가 구멍을 통과하거나 장애물을 돌거나 모서리를 돌 때 왜곡됩니다.

파장에 비해 조리개가 크면 왜곡이 크지 않지만 조리개가 작 으면 파형의 변화가 더 눈에 띕니다. 회절은 파동의 배타적 인 속성이므로 빛이 회절을 나타낼 때 파동 동작이 있음을 알 수 있습니다.

간섭 및 분극

그 부분에서 빛의 간섭은 빛을 구성하는 전자파가 겹칠 때 발생합니다. 이렇게하면 벡터로 추가되고 두 가지 유형의 간섭이 발생할 수 있습니다.

– 파동의 강도가 구성 요소의 강도보다 클 때 구조적.

– 강도가 구성 요소의 강도보다 낮 으면 파괴적입니다.

광파 간섭은 파도가 단색이고 항상 동일한 위상차를 유지할 때 발생합니다. 이를 일관성이라고합니다. 예를 들어 이와 같은 빛은 레이저에서 나올 수 있습니다. 백열 전구와 같은 일반적인 광원은 필라멘트에있는 수백만 개의 원자에서 방출되는 빛이 지속적으로 위상을 변경하기 때문에 일관된 빛을 생성하지 않습니다.

그러나 서로 가까운 두 개의 작은 구멍이있는 불투명 한 음영이 동일한 전구에 배치되면 각 슬롯에서 나오는 빛이 일관된 광원 역할을합니다.

마지막으로 전자기장의 진동이 모두 같은 방향이면 분극이 발생합니다. 자연광은 각기 다른 방향으로 진동하는 많은 구성 요소로 구성되어 있기 때문에 편광되지 않습니다.

영의 실험

19 세기 초 영국의 물리학 자 Thomas Young은 일반 광원으로 일관된 빛을 얻은 최초의 사람이었습니다.

그의 유명한 이중 슬릿 실험에서 그는 불투명 한 화면의 슬릿을 통해 빛을 통과 시켰습니다. Huygens 원칙에 따르면 두 개의 보조 소스가 생성되고 두 개의 슬릿이있는 두 번째 불투명 스크린을 통과합니다.

그림 6. Young의 이중 슬릿 실험 애니메이션. 출처 : Wikimedia Commons.

이렇게 얻은 빛은 어두운 방의 벽을 비췄습니다. 눈에 보이는 것은 밝은 부분과 어두운 부분이 번갈아 가며 구성된 패턴이었습니다. 이 패턴의 존재는 위에서 설명한 간섭 현상에 의해 설명됩니다.

영의 실험은 빛의 파동 특성을 드러 냈기 때문에 매우 중요했습니다. 그 후 전자, 중성자 및 양성자와 같은 기본 입자를 사용하여 실험을 수행했으며 비슷한 결과를 얻었습니다.

빛의 현상

반사

물 속에서 빛의 반사

광선이 표면에 닿으면 빛의 일부는 반사되고 일부는 흡수 될 수 있습니다. 투명 매체 인 경우 일부 빛이 계속 통과합니다.

또한 표면은 거울처럼 매끄 럽거나 거칠고 고르지 않을 수 있습니다. 매끄러운 표면에서 발생하는 반사를 정반사라고하며 그렇지 않으면 확산 반사 또는 불규칙 반사입니다. 거울과 같이 광택이 높은 표면은 입사광의 최대 95 %를 반사 할 수 있습니다.

정반사

이 그림은 공기 일 수있는 매체에서 이동하는 빛의 광선을 보여줍니다. 평면 반 사면 에서 각도 θ ₁ 에서 떨어지고 각도 θ ₂ 에서 반사됩니다 . 법선으로 표시된 선은 표면에 수직입니다.

입사각은 반사각과 같습니다. 출처 : Serway. R. 과학 및 공학 물리학.

입사 광선과 반사 광선과 반 사면에 대한 법선은 모두 동일한 평면에 있습니다. 고대 그리스인들은 입사각이 반사각과 같다는 것을 이미 관찰했습니다.

이 수학적 표현은 빛의 반사 법칙입니다. 그러나 예를 들어 소리와 같은 다른 파동도 반사 할 수 있습니다.

대부분의 표면은 거칠기 때문에 빛의 반사가 확산됩니다. 이러한 방식으로 반사되는 빛은 모든 방향으로 보내져 어디에서나 물체를 볼 수 있습니다.

일부 파장은 다른 파장보다 더 많이 반사되기 때문에 물체의 색상이 다릅니다.

예를 들어, 나무의 잎은 녹색에 해당하는 가시 스펙트럼의 중간에있는 빛을 반사합니다. 나머지 가시 파장은 흡수됩니다 : 청색에 가까운 자외선 (350-450nm) 및 적색광 (650-700nm).

굴절

굴절 현상. Josell7

빛의 굴절은 빛이 매체에 따라 다른 속도로 이동하기 때문에 발생합니다. 진공 상태에서 빛의 속도는 c = 3 x 10 ⁸ m / s이지만 빛이 물질 매체에 도달하면 흡수 및 방출 과정이 발생하여 에너지가 감소하고 속도와 함께 감소합니다.

예를 들어, 공중에서 이동할 때 빛은 c와 거의 같은 속도로 이동하지만 물에서는 빛이 c의 3/4로 이동하고 유리에서는 빛이 c의 약 2/3로 이동합니다.

굴절률

굴절률은 n으로 표시되고 진공 c에서 빛의 속도와 매체 v에서의 속도 사이의 몫으로 정의됩니다.

굴절률은 항상 1보다 큽니다. 진공 상태에서 빛의 속도는 항상 재료 매질보다 빠르기 때문입니다. n의 몇 가지 일반적인 값은 다음과 같습니다.

-공기 : 1.0003

-물 : 1.33

-유리 : 1.5

-다이아몬드 : 2.42

스넬의 법칙

예를 들어, 빛의 광선이 공기와 유리와 같은 두 매체 사이의 경계에 비스듬히 닿으면 빛의 일부가 반사되고 다른 부분은 계속해서 유리로 들어갑니다.

이 경우 파장과 속도는 한 매체에서 다른 매체로 통과 할 때 변화를 겪지 만 주파수는 그렇지 않습니다. v = c / n = λ.f 및 진공 상태에서도 c = λo. f, 그러면 다음이 있습니다.

즉, 주어진 매질의 파장은 항상 진공의 파장 λo보다 작습니다.

그림 8. Snell의 법칙. 출처 : 왼쪽 그림 : 빛의 굴절 다이어그램. Rex, A. 물리학의 기초. 오른쪽 그림 : Wikimedia Commons. Josell7.

공통 빗변이 빨간색으로 표시된 삼각형에 유의하십시오. 각 매체에서 빗변은 λ ₁ / sin θ ₁ 및 λ ₂ / sin θ _2를 측정합니다. λ와 v는 비례하므로 다음과 같습니다.

λ = λ _o / n 이후 우리는 :

다음과 같이 표현할 수 있습니다.

이것은 공기에서 물과 유리로 전달되는 빛을 관찰하여 실험적으로 도출 한 네덜란드 수학자 Willebrord Snell (1580-1626)을 기리기 위해 Snell의 법칙의 공식입니다.

또는 Snell의 법칙은 굴절률의 정의를 사용하여 각 매체의 빛의 속도로 작성됩니다. n = c / v :

분산

위에서 설명한 것처럼 빛은 서로 다른 에너지를 가진 광자로 구성되며 각 에너지는 색상으로 인식됩니다. 백색광은 모든 에너지의 광자를 포함하므로 서로 다른 색의 빛으로 나눌 수 있습니다. 이것은 이미 뉴턴에 의해 연구 된 빛의 산란입니다.

대기 중의 물방울은 작은 프리즘처럼 행동합니다. 출처 : Pixabay.

뉴턴은 광학 프리즘을 가져다가 흰색 광선을 통과시켜 빨강에서 보라색에 이르는 컬러 줄무늬를 얻었습니다. 이 프린지는 그림 2에서 볼 수있는 가시광 선의 스펙트럼입니다.

빛의 산란은 자연 현상이며 무지개가 형성 될 때 하늘에서 우리가 감탄하는 아름다움입니다. 햇빛은 대기 중의 물방울에 떨어지며, 이는 작은 뉴턴과 같은 프리즘처럼 작용하여 빛을 산란시킵니다.

하늘에 보이는 파란색은 분산의 결과이기도합니다. 질소와 산소가 풍부한 대기는 주로 파란색과 보라색 음영을 분산하지만 인간의 눈은 파란색에 더 민감하므로이 색의 하늘을 봅니다.

태양이 수평선에서 더 낮을 때, 일출 또는 일몰 동안 광선이 더 두꺼운 대기층을 통과해야하기 때문에 하늘이 주황색으로 바뀝니다. 저주파의 붉은 색조는 대기의 요소와 덜 상호 작용하며 표면에 직접 도달하는 데 유리합니다.

일부 대도시와 같이 먼지와 오염이 많은 대기는 저주파의 분산으로 인해 칙칙한 하늘을 보입니다.

빛에 관한 이론

빛은 주로 입자 또는 파동으로 간주되었습니다. 뉴턴이 옹호 한 입자 이론은 빛을 입자의 광선으로 간주했습니다. 반사와 굴절은 빛이 파동이라고 가정함으로써 적절하게 설명 할 수있는 반면, Huygens는 주장했다.

그러나이 뛰어난 과학자들이 있기 훨씬 이전에 사람들은 이미 빛의 본질에 대해 추측했습니다. 그들 중 그리스 철학자 아리스토텔레스는 결석 할 수 없었습니다. 다음은 시간에 따른 빛의 이론에 대한 간략한 요약입니다.

아리스토텔레스 이론

2,500 년 전 아리스토텔레스는 관찰자의 눈에서 빛이 나오고 물체를 비추고 어떤 방식 으로든 사람이 인식 할 수 있도록 이미지와 함께 돌아 왔다고 주장했습니다.

뉴턴의 입자 이론

뉴턴은 빛이 모든 방향으로 직선으로 전파되는 작은 입자들로 구성되어 있다는 믿음을 가지고있었습니다. 눈에 닿으면 감각을 빛으로 등록합니다.

Huygens 파동 이론

Huygens는 빛에 관한 논문이라는 작품을 발표했는데, 그는 이것이 음파와 유사한 매체의 교란이라고 제안했습니다.

Maxwell의 전자기 이론

이중 슬릿 실험은 빛의 파동 특성에 대해 의심의 여지가 없었지만, 19 세기 대부분 동안 Maxwell이 전자기 이론에서 빛이 빛으로 구성되어 있다고 말할 때까지 파동의 유형에 대한 추측이있었습니다. 전자기장의 전파.

전자기파로서의 빛은 이전 섹션에서 설명한 것처럼 빛의 전파 현상을 설명하며 빛의 입자 특성과 마찬가지로 현재 물리학에서 수용되는 개념입니다.

아인슈타인의 입자 이론

현대의 빛 개념에 따르면, 그것은 광자라고 불리는 질량이없고 하전되지 않은 입자로 구성됩니다. 질량이 없음에도 불구하고 위에서 설명한 것처럼 운동량과 에너지가 있습니다. 이 이론은 이산 적 (양자화 된) 양으로 에너지를 교환함으로써 빛이 물질과 상호 작용하는 방식을 성공적으로 설명합니다.

빛의 양자의 존재는 몇 년 전에 Heinrich Hertz가 발견 한 광전 효과를 설명하기 위해 Albert Einstein에 의해 제안되었습니다. 광전 효과는 거의 항상 자외선에서 가시 광선까지의 범위에있는 어떤 유형의 전자기 복사가 충돌 한 물질에 의한 전자 방출로 구성됩니다.

참고 문헌

Figueroa, D. (2005). 시리즈 : 과학 및 공학 물리학. 볼륨 7. 파동과 양자 물리학. Douglas Figueroa (USB) 편집.
약. 빛의 이론. 출처 : fisic.ch.
Giancoli, D. 2006. Physics : Principles with Applications. 6 일. 에드 프렌 티스 홀.
웨이브 모션. 페르마의 원리. 출처 : sc.ehu.es.
Rex, A. 2011. 물리학의 기초. 피어슨.
Romero, O. 2009. 물리학. Santillana Hypertext.
Serway, R. 2019. 과학 및 공학 물리학. 10 일. 판. 볼륨 2. Cengage.
Shipman, J. 2009. 물리 과학 소개. 12 판. Brooks / Cole, Cengage Editions.
Wikipedia. 빛. 출처 : es.wikipedia.org.

빛 : 역사, 자연, 행동, 전파 - 물리적 인 - 2025