Licht

Ein dreieckiges Prisma zerstreuen Ein Strahl aus weißem Licht. Die längeren Wellenlängen (rot) und die kürzeren Wellenlängen (blau) werden getrennt.

Licht oder sichtbares Licht ist elektromagnetische Strahlung innerhalb des Teils der elektromagnetisches Spektrum das ist wahrgenommen bis zum menschliches Auge.^[1] Sichtbares Licht wird normalerweise definiert als haben Wellenlängen im Bereich von 400–700 Nanometer (nm), entsprechend Frequenzen von 750–420 Terahertz, zwischen den Infrarot (mit längeren Wellenlängen) und die Ultraviolett (mit kürzeren Wellenlängen).^[2][3]

Im Physik, Der Begriff "Licht" kann sich allgemeiner auf elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge beziehen, ob sichtbar oder nicht.^[4][5] In diesem Sinne, gamma Strahlen, Röntgenaufnahmen, Mikrowellen und Radiowellen sind auch leicht. Die Haupteigenschaften von Licht sind Intensität, Ausbreitungsrichtung, Frequenz oder Wellenlänge Spektrum und Polarisation. Es ist Geschwindigkeit in einem Vakuum, 299 792 458 Meter pro Sekunde (m/s), ist eines der grundlegenden Konstanten von Natur.^[6] Wie alle Arten von elektromagnetischer Strahlung propagiert sichtbares Licht durch massenlose Elementarpartikel, die genannt werden Photonen das repräsentiert die Quanta von elektromagnetischem Feld und kann als beides analysiert werden Wellen und Partikel. Die Untersuchung des Lichts, bekannt als Optik, ist ein wichtiger Forschungsgebiet in Moderne Physik.

Die Hauptquelle für natürliches Licht auf der Erde ist die Sonne. Historisch gesehen war eine weitere wichtige Lichtquelle für den Menschen Feuer, von alten Lagerfeuern bis modern Kerosinlampen. Mit der Entwicklung von elektrische Lichter und EnergiesystemeDie elektrische Beleuchtung hat das Feuerlicht effektiv ersetzt.

Elektromagnetisches Spektrum und sichtbares Licht

Das elektromagnetisches Spektrum, mit dem sichtbarer Teil hervorgehoben

Allgemein, elektromagnetische Strahlung (EMR) wird durch Wellenlänge in klassifiziert in Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, das sichtbares Spektrum dass wir als Licht empfinden, Ultraviolett, Röntgenaufnahmen und gamma Strahlen. Die Bezeichnung "Strahlung"Ausgeschlossen statische elektrische, magnetisch und in der Nähe von Feldern.

Das Verhalten von EMR hängt von seiner Wellenlänge ab. Höhere Frequenzen haben kürzere Wellenlängen und niedrigere Frequenzen haben längere Wellenlängen. Wenn EMR mit einzelnen Atomen und Molekülen interagiert, hängt sein Verhalten von der Menge an Energie pro Quantum ab, die sie trägt.

EMR in der sichtbaren Lichtregion besteht aus Quanta (genannt Photonen) die am unteren Ende der Energien liegen, die in der Lage sind, in Molekülen eine elektronische Anregung zu verursachen, was zu Veränderungen in der Bindung oder Chemie des Moleküls führt. Am unteren Ende des sichtbaren Lichtspektrums wird EMR für den Menschen (Infrarot) unsichtbar, da seine Photonen nicht mehr genügend individuelle Energie haben, um eine dauerhafte molekulare Veränderung (eine Veränderung der Konformation) im visuellen Molekül zu verursachen Netzhaut In der menschlichen Netzhaut löst die Veränderung das Gefühl des Sehens aus.

Es gibt Tiere, die für verschiedene Arten von Infrarotempfindungen empfindlich sind, jedoch nicht mittels Quantenabsorption. Infrared sensing in snakes hängt von einer Art natürlich ab Wärmebildgebung, in denen winzige Pakete zellulärer Wasser durch die Infrarotstrahlung bei Temperatur erhöht werden. EMR in diesem Bereich verursacht molekulare Schwingungs- und Erwärmungseffekte, so wie diese Tiere sie nachweisen.

Über dem Bereich des sichtbaren Lichts wird ultraviolettes Licht für den Menschen unsichtbar, vor allem, weil es von der Hornhaut unter 360 absorbiert wird nm und die interne Linse unter 400 nm. Außerdem die Stangen und Zapfen liegt in den Retina des menschlichen Auges kann die sehr kurzen (unter 360 nm) Ultraviolettenwellenlängen nicht nachweisen und werden tatsächlich durch Ultraviolett beschädigt. Viele Tiere mit Augen, die keine Linsen benötigen (wie Insekten und Garnelen), können Ultraviolett durch Quantenphoton-Absorptionsmechanismen nachweisen, in ähnlicher Weise chemisch, wie Menschen sichtbares Licht nachweisen.

Verschiedene Quellen definieren sichtbares Licht so eng wie 420–680 nm^[7][8] bis 380–800 nm.^[9][10] Unter idealen Laborbedingungen können Menschen infrarot bis zu mindestens 1.050 nm sehen.^[11] Kinder und junge Erwachsene können ultraviolette Wellenlängen auf etwa 310–313 nm wahrnehmen.^[12][13][14]

Das Pflanzenwachstum wird auch durch das Farbspektrum von Licht beeinflusst, ein Prozess, der als bekannt ist Photomorphogenese.

Lichtgeschwindigkeit

Sonnenlichtstrahl im Hohlraum von Rocca Ill'abissu bei Fondachelli-Fantina, Sizilien

Die Lichtgeschwindigkeit in a Vakuum ist definiert als genau 299 792 458Frau (ca. 186.282 Meilen pro Sekunde). Der feste Wert der Lichtgeschwindigkeit in Si -Einheiten ergibt sich aus der Tatsache, dass das Messgerät jetzt in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit definiert ist. Alle Formen der elektromagnetischen Strahlung bewegen sich mit genau derselben Geschwindigkeit im Vakuum.

Anders Physiker haben versucht, die Lichtgeschwindigkeit im Laufe der Geschichte zu messen. Galileo versuchte, die Lichtgeschwindigkeit im 17. Jahrhundert zu messen. Ein frühes Experiment zur Messung der Lichtgeschwindigkeit wurde durch durchgeführt von Ole Rømer, ein dänischer Physiker, 1676. Verwenden a TeleskopRømer beobachtete die Bewegungen von Jupiter und einer von seinen Monde, Io. Als er in der scheinbaren Zeit von IOs Umlaufbahn die Unstimmigkeiten feststellte, berechnete er, dass das Licht etwa 22 Minuten dauert, um den Durchmesser der Erdumlaufbahn zu durchqueren.^[15] Die Größe war zu dieser Zeit jedoch nicht bekannt. Wenn Rømer den Durchmesser der Erdumlaufbahn gewusst hätte, hätte er eine Geschwindigkeit von 227 000 m/s berechnet.

Eine weitere genauere Messung der Lichtgeschwindigkeit wurde in Europa von durchgeführt Hippolyte Fizeau 1849.^[16] Fizeau leitete einen Lichtstrahl auf einen Spiegel, der mehrere Kilometer entfernt ist. Ein rotierendes Zahnrad Rad wurde in den Pfad des Lichtstrahls platziert, als er von der Quelle zum Spiegel reiste und dann zu seinem Ursprung zurückkehrte. Fizeau stellte fest, dass der Strahl bei einer bestimmten Rotationsrate auf dem Weg nach außen und der nächsten Lücke auf dem Rückweg durch eine Lücke im Rad verlaufen würde. Fizeau kenne den Abstand zum Spiegel, die Anzahl der Zähne am Rad und die Rotationsrate und konnte die Lichtgeschwindigkeit als 313 000 m/s berechnen.

Léon Foucault führte ein Experiment durch, bei dem rotierende Spiegel verwendet wurden, um einen Wert von 298 000 m/s zu erhalten^[16] 1862. Albert A. Michelson führte Experimente über die Lichtgeschwindigkeit von 1877 bis zu seinem Tod im Jahr 1931 durch Mount Wilson zu Mount San Antonio in Kalifornien. Die genauen Messungen ergab eine Geschwindigkeit von 299 796 000 m/s.^[17]

Die effektive Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen transparenten Substanzen, die gewöhnlich enthalten Angelegenheit, ist weniger als im Vakuum. Zum Beispiel beträgt die Lichtgeschwindigkeit im Wasser etwa 3/4 davon im Vakuum.

Zwei unabhängige Physikerteams sollen Licht in einen "vollständigen Stand" bringen Bose -Einstein -Kondensat des Elements Rubidium, ein Team bei Harvard Universität und die Rowland Institute for Science in Cambridge, Massachusetts und dem anderen am anderen Harvard -Smithsonian Center für Astrophysikauch in Cambridge.^[18] Die beliebte Beschreibung des Lichts, das in diesen Experimenten "gestoppt" wird, bezieht sich jedoch nur auf das Licht, das in den angeregten Atomenzuständen gespeichert und dann zu einem willkürlichen späteren Zeitpunkt wieder aufgenommen wird, wie durch einen zweiten Laserpuls stimuliert. Während der Zeit hatte es aufgehört, leicht zu sein.

Optik

Die Untersuchung des Lichts und die Wechselwirkung von Licht und Angelegenheit wird bezeichnet Optik. Die Beobachtung und Untersuchung von Optische Phänomene wie zum Beispiel Regenbögen und die Nordlicht Bieten Sie viele Hinweise auf die Natur des Lichts.

Brechung

Aufgrund der Brechung erscheint der in Wasser getauchte Strohhalm gebogen und die Lineal -Skala, die aus einem flachen Winkel betrachtet wird.

Brechung ist das Biegen von Lichtstrahlen, wenn sie durch eine Oberfläche zwischen einem transparenten und einem anderen durchquert wird. Es wird beschrieben von Snells Gesetz:

${\ displayStyle n_ {1} \ sin \ theta _ {1} = n_ {2} \ sin \ theta _ {2} \.}$

wo θ₁ ist der Winkel zwischen Strahl und Oberfläche normal Im ersten Medium θ₂ ist der Winkel zwischen dem Strahl und der Oberfläche normal im zweiten Medium und n₁ und n₂ sind die Brechungsindizes, n = 1 in a Vakuum und n > 1 in a transparent Substanz.

Wenn ein Lichtstrahl die Grenze zwischen einem Vakuum und einem anderen Medium oder zwischen zwei verschiedenen Medien überschreitet, ändert sich die Wellenlänge des Lichts, aber die Frequenz bleibt konstant. Wenn der Lichtstrahl nicht ist senkrecht (oder eher normal) zur Grenze führt die Änderung der Wellenlänge zu einer Änderung der Richtung des Strahls. Diese Richtungsänderung ist bekannt als Brechung.

Die Brechungsqualität von Linsen wird häufig verwendet, um Licht zu manipulieren, um die scheinbare Größe der Bilder zu ändern. Vergrößerungsgläser, Brille, Kontaktlinsen, Mikroskope und Teleskope brechen sind alle Beispiele für diese Manipulation.

Lichtquellen

Es gibt viele Lichtquellen. Ein Körper bei einer bestimmten Temperatur emittiert ein charakteristisches Spektrum von Schwarzkörper Strahlung. Eine einfache thermische Quelle ist Sonnenlicht, die von der Strahlung emittierte Strahlung Chromosphäre des Sonne Bei rund 6.000 Kelvins (5.730 Grad Celsius; 10.340 Grad Fahrenheit) Peaks im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, wenn sie in Wellenlängeneinheiten dargestellt werden^[19] und ungefähr 44% der Sonnenlichtergie, die den Boden erreicht, sind sichtbar.^[20] Ein anderes Beispiel ist Glühbirnenlampen, die nur etwa 10% ihrer Energie als sichtbares Licht und den Rest als Infrarot ausgeben. Eine häufige thermische Lichtquelle in der Geschichte ist die leuchtenden festen Partikel in Flammenaber diese emittieren auch den größten Teil ihrer Strahlung im Infrarot und nur einen Bruchteil des sichtbaren Spektrums.

Der Peak des Schwarzkörperspektrums befindet sich im tiefen Infrarot mit etwa 10 Mikrometer Wellenlänge für relativ coole Objekte wie Menschen. Mit zunehmender Temperatur verlagert sich der Peak zu kürzeren Wellenlängen und erzeugt zuerst einen roten Glanz, dann eine weiße und schließlich eine blau-weiße Farbe, wenn sich der Peak aus dem sichtbaren Teil des Spektrums und in das Ultraviolett herausbringt. Diese Farben sind zu sehen, wenn Metall auf "Red Hot" oder "White Hot" erhitzt wird. Blau Weiss Wärmeemission wird nicht oft gesehen, außer in Sternen (die allgemein gesehene reine blaue Farbe in a Gas Flamme oder a Schweißer'S -Taschenlampe ist tatsächlich auf molekulare Emissionen zurückzuführen, insbesondere durch CH -Radikale (emittiert ein Wellenlängenband um 425 nm und ist nicht in Sternen oder reiner Wärmelstrahlung zu sehen).

Atome emittieren und absorbieren Licht bei charakteristischen Energien. Dies produziert ""Emissionslinien"Im Spektrum jedes Atoms. Emission kann sein spontan, wie in Leuchtdioden, Gasentladung Lampen (wie z. Neonlampen und Leuchtreklamen, Quecksilber-Dampf-Lampenusw.) und Flammen (Licht aus dem heißen Gas selbst - so, zum Beispiel, Natrium in einer Gasflamme emittiert charakteristisches gelbes Licht). Emission kann auch sein stimuliertwie in a Laser- oder eine Mikrowelle Maser.

Verzögerung eines frei geladenen Teilchens wie eins Elektron, kann sichtbare Strahlung erzeugen: Zyklotronstrahlung, Synchrotronstrahlung und Bremsstrahlung Strahlung sind alle Beispiele dafür. Partikel, die sich schneller durch ein Medium bewegen als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium sich sichtbar erzeugen können Cherenkov radiation. Bestimmte Chemikalien erzeugen sichtbare Strahlung durch Chemolumineszenz. In Lebewesen wird dieser Prozess genannt Biolumineszenz. Zum Beispiel, Glühwürmchen Erzeugen Sie auf diese Weise Licht und Boote, die sich durch Wasser bewegen, können Plankton stören, die zu einem leuchtenden Kader führen.

Bestimmte Substanzen erzeugen Licht, wenn sie durch energetischere Strahlung beleuchtet werden, ein Prozess, der als bekannt ist Fluoreszenz. Einige Substanzen emittieren nach der Anregung durch energetischere Strahlung langsam Licht. Dies ist bekannt als als Phosphoreszenz. Phosphoreszierende Materialien können auch angeregt werden, indem sie mit subatomaren Partikeln bombardieren. Cathodolumineszenz ist ein Beispiel. Dieser Mechanismus wird in verwendet Kathodenstrahlröhre Fernseher und Computermonitore.

Hongkong Beleuchtet durch farbenfrohe künstliche Beleuchtung.

Bestimmte andere Mechanismen können Licht erzeugen:

• Biolumineszenz
• Cherenkov radiation
• Elektrolumineszenz
• Szintillation
• Sonolumineszenz
• Tribolumineszenz

Wenn das Lichtkonzept für Photonen mit sehr hohen Energien (Gammastrahlen) enthalten ist, umfassen zusätzliche Erzeugungsmechanismen:

• Partikel-Antipartikel Vernichtung
• Radioaktiver Zerfall

Messung

Das Licht wird mit zwei wichtigsten alternativen Einheiten gemessen: Radiometrie besteht aus Messungen der Lichtkraft bei allen Wellenlängen, während Photometrie misst Licht mit der Wellenlänge, die in Bezug auf ein standardisiertes Modell der Wahrnehmung der menschlichen Helligkeit gewichtet wurde. Die Photometrie ist zum Beispiel nützlich, um zu quantifizieren Beleuchtung (Beleuchtung) für den menschlichen Gebrauch bestimmt.

Die Photometrieeinheiten unterscheiden sich von den meisten Systemen physischer Einheiten, da sie berücksichtigen, wie das menschliche Auge auf Licht reagiert. Das Kegelzellen Im menschlichen Auge sind drei Typen, die über das sichtbare Spektrum unterschiedlich reagieren, und die kumulativen Reaktionspeaks bei einer Wellenlänge von etwa 555 nm. Daher zwei Lichtquellen, die die gleiche Intensität erzeugen (w/m)²) von sichtbarem Licht erscheinen nicht unbedingt gleich hell. Die Photometrieeinheiten sind so konzipiert, dass sie dies berücksichtigen, und sind daher eine bessere Darstellung, wie "hell" ein Licht zu sein scheint als intensiv. Sie beziehen sich auf Raw Energie durch eine Menge genannt Lichtausbeute und werden für Zwecke wie die Bestimmung verwendet, wie ausreichend eine ausreichende Beleuchtung für verschiedene Aufgaben in Innen- und Außenumgebungen erzielt werden kann. Die von a gemessene Beleuchtung Fotozelle Der Sensor entspricht nicht unbedingt dem, was vom menschlichen Auge und ohne Filter wahrgenommen wird, die kostspielig sein können, Fotozellen und Geräte für Ladeberechnen (CCD) neigen dazu, auf einige zu reagieren Infrarot, Ultraviolett oder beides.

Lichtdruck

Licht übt physikalischen Druck auf Objekte in seinem Weg aus, ein Phänomen, das durch Maxwells Gleichungen abgeleitet werden kann, kann aber durch die Partikel Natur des Lichts leichter erklärt werden: Photonen schlagen und übertragen ihren Impuls. Lichtdruck ist gleich der Leistung des Lichtstrahls geteilt durch c, die Lichtgeschwindigkeit.  Aufgrund der Größe von cDie Auswirkung des Lichtdrucks ist für alltägliche Objekte vernachlässigbar.  Zum Beispiel ein Ein-Milliwatt Laserpointer übt eine Kraft von ca. 3,3 aus piconewtons auf das beleuchtete Objekt; So könnte man a heben US -Penny Bei Laserzeigern, aber dies würde etwa 30 Milliarden 1-MW-Laserzeiger erfordern.^[21]  Allerdings in Nanometer-Skale Anwendungen wie z. nanoelektromechanische Systeme (NEMS) ist der Effekt des Lichtdrucks signifikanter und die Ausbeutung des Lichtdrucks zum Antrieb von NEMS-Mechanismen und zum Umdrehen von Nanometre-Skala-physikalischen Schalter in integrierten Schaltkreisen ist ein aktiver Forschungsbereich.^[22] Auf größeren Maßstäben kann Lichtdruck verursachen Asteroiden schneller drehen,^[23] auf ihre unregelmäßigen Formen wie auf den Flüchen von a wirken Windmühle.  Die Möglichkeit des Erstellens Solarsegel Dies würde auch untersucht, was Raumschiffe im Weltraum beschleunigen würden.^[24][25]

Obwohl die Bewegung der Crookes Radiometer wurde ursprünglich auf Lichtdruck zugeschrieben, diese Interpretation ist falsch; Die charakteristische Rotation von Crookes ist das Ergebnis eines partiellen Vakuums.^[26] Dies sollte nicht mit dem verwechselt werden Nichols Radiometer, in der die (leichte) Bewegung durch Drehmoment verursacht wird (obwohl nicht genug für die volle Rotation gegen Reibung) ist direkt durch Lichtdruck verursacht.^[27] Infolge des Lichtdrucks, Einstein 1909 prognostizierte die Existenz von "Strahlungsreibung", die sich der Bewegung der Materie widersetzen würde.^[28] Er schrieb: "Strahlung wird auf beiden Seiten der Platte Druck ausüben. Die auf den beiden Seiten ausgeübten Druckkräfte sind gleich, wenn die Platte in Ruhe ist. Wenn sie jedoch in Bewegung ist ist während der Bewegung (vordere Oberfläche) als auf der hinteren Oberfläche vor. Eine Kraft, die der Bewegung der Platte entgegenwirkt und mit der Geschwindigkeit der Platte zunimmt. Wir werden diese resultierende "Strahlungsreibung" kurz "nennen".

Normalerweise ist leichtes Impuls mit seiner Bewegungsrichtung ausgerichtet. Zum Beispiel in jedoch in Evaneszierwellen Impuls ist die Ausbreitungsrichtung wandern.^[29]

Historische Theorien über Licht in chronologischer Reihenfolge

Klassisches Griechenland und Hellenismus

Im fünften Jahrhundert v. Chr., Empedokles postuliert, dass alles aus zusammengesetzte vier Elemente; Feuer, Luft, Erde und Wasser. Er glaubte das Aphrodite machte das menschliche Auge aus den vier Elementen und sie zündete das Feuer in das Auge an, das aus dem Auge schien, und ermöglichte. Wenn dies wahr wäre, konnte man nachts wie tagsüber genauso sehen, sodass Empedokles eine Wechselwirkung zwischen Strahlen aus den Augen und Strahlen von einer Quelle wie der Sonne postulierten.^[30]

In ca. 300 v. Chr., Euklid schrieb Optica, in dem er die Eigenschaften des Lichts studierte. Euklid postulierte, dass Licht in geraden Linien gereist war, und er beschrieb die Gesetze der Reflexion und studierte sie mathematisch. Er fragte, dass der Anblick das Ergebnis eines Strahls aus dem Auge ist, denn er fragt, wie man die Sterne sofort sieht, wenn man die Augen schließt, und öffnet sie nachts. Wenn der Strahl aus dem Auge unendlich schnell ist, ist dies kein Problem.^[31]

In 55 v. Chr., Lukrez, ein Roman, der die Ideen des früheren Griechischen fortsetzte Atomisten, schrieb, dass "das Licht und die Hitze der Sonne; diese aus winzigen Atomen bestehen, die, wenn sie abgeschoben werden, keine Zeit beim Schießen über den Schnittbereich der Luft in die von der Reihe vermittelte Richtung verlieren". (aus Auf die Natur des Universums). Obwohl sie späteren Partikelheorien ähnlich waren, wurden Lucretius 'Ansichten nicht allgemein akzeptiert. Ptolemäus (ca. zweites Jahrhundert) schrieb über die Brechung von Licht in seinem Buch Optik.^[32]

Klassisches Indien

Im Altes Indien, das Hindu- Schulen von Samkhya und Vaisheshikaab den frühen Jahrhunderten entwickelte Anzeige Theorien am Licht. Laut der Samkhya -Schule ist Licht eines der fünf grundlegenden "subtilen" Elemente (Tanmatra) aus denen die groben Elemente entstehen. Das Atomizität Von diesen Elementen wird nicht ausdrücklich erwähnt und es scheint, dass sie tatsächlich als kontinuierlich angesehen wurden.^[33] Andererseits gibt die Vaisheshika -Schule eine Atomtheorie der physischen Welt auf dem nichtatomarischen Grund von Äther, Raum und Zeit. (Sehen Indischer Atomismus.) Die grundlegenden Atome sind die der Erde (prthivi), Wasser (Pani), Feuer (Agni) und Luft (Vayu) Lichtstrahlen werden als Strom mit hoher Geschwindigkeit von angesehen Tejas (Feuer) Atome. Die Lichtpartikel können je nach Geschwindigkeit und Anordnungen der unterschiedlichen Eigenschaften unterschiedliche Eigenschaften aufweisen Tejas Atome. Das Vishnu Purana bezeichnet Sonnenlicht als "die sieben Strahlen der Sonne".^[33]

Der Inder Buddhisten, wie zum Beispiel Dignāga im fünften Jahrhundert und Dharmakirti Im siebten Jahrhundert entwickelte eine Art Atomismus eine Philosophie über die Realität, die aus atomaren Entitäten besteht, die momentane Licht- oder Energieblitze sind. Sie betrachteten Licht als eine atomare Einheit, die Energie entspricht.^[33]

Descartes

René Descartes (1596–1650) hielten, dass Licht a war mechanisch Eigenschaft des leuchtenden Körpers, die die "Formen" von Ablehnung Ibn al-Haytham und Witzel sowie die "Spezies" von Speck, Grosseteste und Kepler.^[34] 1637 veröffentlichte er eine Theorie der Theorie Brechung von Licht, das fälschlicherweise annahm, dass das Licht in einem dichteren Medium schneller als in einem weniger dichten Medium fuhr. Descartes kam zu dieser Schlussfolgerung durch Analogie mit dem Verhalten von Schallwellen. Obwohl Descartes über die relativen Geschwindigkeiten falsch war, war er Recht, dass sich das Licht wie eine Welle verhält und zu dem Schluss kam, dass die Brechung durch die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien erklärt werden konnte.

Descartes ist nicht der erste, der die mechanischen Analogien verwendet, sondern weil er eindeutig behauptet, dass Licht nur eine mechanische Eigenschaft des leuchtenden Körpers und des Sendungsmediums ist, wird Descartes 'Lichttheorie als Beginn der modernen physikalischen Optik angesehen.^[34]

Partikeltheorie

Pierre Gassendi.

Pierre Gassendi (1592–1655), ein Atomiker, schlug eine Partikel -Theorie des Lichts vor, die in den 1660er Jahren posthum veröffentlicht wurde. Isaac Newton studierte Gassendis Arbeit in jungen Jahren und zog seine Sicht auf Descartes 'Theorie der Plenum. Er erklärte in seinem Lichthypothese von 1675, aus dem Licht bestand Korpuskeln (Partikel der Materie), die in alle Richtungen einer Quelle emittiert wurden. Eines von Newtons Argumenten gegen die Wellen Natur des Lichts war, dass Wellen bekannt waren, um sich um Hindernisse zu biegen, während Licht nur in geraden Linien fuhr. Er erklärte jedoch das Phänomen der Beugung von Licht (die von beobachtet worden war von Francesco Grimaldi) Indem Sie zulassen, dass ein Lichtteilchen eine lokalisierte Welle in der erzeugen kann Äther.

Newtons Theorie könnte verwendet werden, um die vorherzusagen Betrachtung des Lichts, konnte aber nur erklären Brechung Indem Sie falsch angenommen werden, dass das Licht beim Eintritt in einen dichteren Licht beschleunigt hat Mittel weil die Gravitation Pull war größer. Newton veröffentlichte die endgültige Version seiner Theorie in seiner Optik von 1704. Sein Ruf half der Partikeltheorie des Lichts Im 18. Jahrhundert schwanken. Die Partikeltheorie des Lichts führte Laplace um zu argumentieren, dass ein Körper so massiv sein könnte, dass Licht nicht entkommen konnte. Mit anderen Worten, es würde das werden, was jetzt genannt wird schwarzes Loch. Laplace zog seinen Vorschlag später zurück, nachdem eine Lichttheorie des Lichts als Lichtmodell fest etabliert wurde (wie erklärt wurde, ist weder eine Partikel- noch eine Wellentheorie vollständig korrekt). Eine Übersetzung von Newtons Aufsatz über Licht erscheint in Die große Struktur der Raumzeit, durch Stephen Hawking und George F. R. Ellis.

Die Tatsache, dass Licht sein könnte polarisiert wurde zum ersten Mal qualitativ von Newton unter Verwendung der Partikeltheorie erklärt. Étienne-Louis Malus 1810 schuf eine mathematische Partikelentheorie der Polarisation. Jean-Baptiste Biot 1812 zeigte diese Theorie alle bekannten Phänomene der Lichtpolarisation. Zu dieser Zeit wurde die Polarisation als Beweis der Partikeltheorie angesehen.

Wellenentheorie

Den Ursprung von zu erklären Farben, Robert Hooke (1635–1703) entwickelte eine "Pulstheorie" und verglich die Lichtverteilung mit der von Wellen in Wasser in seiner Arbeit von 1665 Mikrographien ("Beobachtung ix"). 1672 schlug Hooke vor, dass Lichts Schwingungen sein könnten aufrecht zur Ausbreitungsrichtung. Christiaan Huygens (1629–1695) arbeitete 1678 eine mathematische Wellentheorie des Lichts aus und veröffentlichte sie in seinem Abhandlung am Licht 1690. Er schlug vor, dass Licht in alle Richtungen als eine Reihe von Wellen in einem Medium genannt wurde Luminiferous Äther. Da Wellen nicht von der Schwerkraft beeinflusst werden, wurde angenommen, dass sie sich beim Eintritt in ein dichteres Medium verlangsamten.^[35]

Christiaan Huygens.

Thomas Youngskizze von a Doppel-Slit-Experiment zeigen Beugung. Youngs Experimente stützten die Theorie, dass Licht aus Wellen besteht.

Die Wellenentheorie sagte voraus, dass Lichtwellen sich wie Schallwellen stören können Thomas Young). Jung zeigten sich mit a Beugungsexperiment Dieses Licht verhielt sich als Wellen. Er schlug auch vor, dass verschiedene Farben durch verschiedene verursacht wurden Wellenlängen von Licht und erklärtem Farbsehen in Bezug auf dreifarbige Rezeptoren im Auge. Ein weiterer Unterstützer der Wellentheorie war Leonhard Euler. Er stritt sich an Nova Theoria Lucis et Colorum (1746) das Beugung könnte leichter durch eine Wellentheorie erklärt werden. 1816 André-Marie Ampère gab Augustin-Jean Fresnel Eine Idee, dass die Polarisation des Lichts durch die Wellenentheorie erklärt werden kann, wenn Licht a wäre Querwelle.^[36]

Später arbeitete Fresnel unabhängig seine eigene Wellentheorie des Lichts aus und präsentierte sie dem Académie des Sciences 1817. Siméon Denis Poisson Zu Fresnels mathematischer Arbeit hinzugefügt, um ein überzeugendes Argument zugunsten der Wellentheorie zu erzeugen und die Korpuskulärtheorie von Newton aufzuheben.^{[zweifelhaft – diskutieren]} Bis zum Jahr 1821 konnte Fresnel durch mathematische Methoden zeigen, dass die Polarisation durch die Wellentheorie des Lichts erklärt werden könnte, wenn nur dann Licht transversal war, ohne dass die Längsschnittvibration anwesend war.

Die Schwäche der Wellenentheorie war, dass Lichtwellen wie Schallwellen ein Medium für die Übertragung benötigen würden. Die Existenz der von Huygens 1678 vorgeschlagenen hypothetischen Substanz -Luminifer -Äther wurde im späten 19. Jahrhundert von den Michelson -Morley -Experiment.

Newtons korpuskuläre Theorie implizierte, dass sich das Licht in einem dichteren Medium schneller wandern würde, während die Wellenentheorie von Huygenen und anderen das Gegenteil implizierte. Zu dieser Zeit die Lichtgeschwindigkeit konnte nicht genau genug gemessen werden, um zu entscheiden, welche Theorie korrekt war. Die erste, die eine ausreichend genaue Messung durchführte, war Léon Foucaultim Jahr 1850.^[37] Sein Ergebnis unterstützte die Wellentheorie und die klassische Partikeltheorie wurde schließlich aufgegeben, nur um sich im 20. Jahrhundert teilweise wieder aufzunehmen.

Elektromagnetische Theorie

A linear polarisiert elektromagnetische Welle in der x-Achse, wobei E die Bezeichnung der elektrisches Feld und senkrechter B -Kennzeichnung Magnetfeld

1845, Michael Faraday entdeckte, dass die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht gedreht wird, wenn sich die Lichtstrahlen entlang des Magnetfeld Richtung in Gegenwart eines transparenten Dielektrikum, ein Effekt, der jetzt als bekannt als Faraday -Rotation.^[38] Dies war der erste Beweis dafür, dass Licht zusammenhängt Elektromagnetismus. 1846 spekulierte er, dass Licht eine Form von Störungen sein könnte, die sich entlang der Magnetfeldlinien ausbreiten.^[38] Faraday schlug 1847 vor, dass Licht eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung war, die sich auch in Abwesenheit eines Mediums wie dem Äther ausbreiten könnte.^[39]

Faradays Arbeit inspirierte James Clerk Maxwell elektromagnetische Strahlung und Licht zu untersuchen. Maxwell entdeckte, dass sich selbst zu propagierende elektromagnetische Wellen mit konstanter Geschwindigkeit durch den Weltraum wandern würde, was zufällig der zuvor gemessenen Lichtgeschwindigkeit entsprach. Daraus kam Maxwell zu dem Schluss, dass Licht eine Form der elektromagnetischen Strahlung war: Er stellte dieses Ergebnis zuerst in 1862 in an On Physical Lines of Force. 1873 veröffentlichte er Eine Abhandlung über Strom und Magnetismus, die eine vollständige mathematische Beschreibung des Verhaltens von elektrischen und magnetischen Feldern enthielt, die noch als bekannt als Maxwells Gleichungen. Bald darauf, Heinrich Hertz Bestätigte Maxwells Theorie experimentell durch Erzeugung und Erkennung von Funkwellen im Labor und demonstrierten, dass diese Wellen genau wie sichtbares Licht verhalten haben, was Eigenschaften wie Reflexion, Brechung, Beugung und Beugung und aufwiesen Interferenz. Maxwells Theorie und Hertz 'Experimente führten direkt zur Entwicklung moderner Radio, Radar, Fernsehen, elektromagnetischer Bildgebung und drahtloser Kommunikation.

In der Quantentheorie werden Photonen als gesehen als Wellenpakete der Wellen, die in der klassischen Theorie von Maxwell beschrieben wurden. Die Quantentheorie war erforderlich, um Effekte auch mit visuellem Licht zu erklären, die Maxwells klassische Theorie nicht konnte (wie z. Spektrallinien).

Quantentheorie

In 1900 Max Planck, versuchen zu erklären Schwarzkörperstrahlungschlug vor, dass diese Wellen zwar eine Welle waren, obwohl sie nur in endlichen Mengen im Zusammenhang mit ihrer Frequenz Energie gewinnen oder verlieren konnten. Planck nannte diese "Klumpen" der Lichtergie ""Quanta"(Aus einem lateinischen Wort für" wie viel "). 1905 verwendete Albert Einstein die Idee von Lichtquanta, um das zu erklären photoelektrischer Effekt und schlug vor, dass diese leichten Quanten eine "echte" Existenz hatten. 1923 Arthur Holly Compton zeigte, dass die Wellenlängenverschiebung beobachtet wurde, wenn Röntgenstrahlen mit geringer Intensität aus Elektronen gestreut wurden (so genannt Compton Streuung) könnte durch eine Partikelheorie von Röntgenstrahlen erklärt werden, aber keine Wellentheorie. 1926 Gilbert N. Lewis genannt diese leichten Quantenpartikel Photonen.^[40]

Schließlich die moderne Theorie von Quantenmechanik kam zu Bildlicht als (in gewissem Sinne) beide ein Teilchen und eine Welle und (in einem anderen Sinne) als Phänomen, das ist weder ein Teilchen oder eine Welle (die tatsächlich makroskopische Phänomene wie Baseball oder Meereswellen sind). Stattdessen sieht die moderne Physik Licht als etwas, das manchmal mit Mathematik beschrieben werden kann, die einer Art makroskopischer Metapher (Partikel) und manchmal einer anderen makroskopischen Metapher (Wasserwellen) geeignet sind, aber tatsächlich etwas, das nicht vollständig vorgestellt werden kann. Wie im Fall von Funkwellen und der Röntgenstrahlen, die an der Compton-Streuung beteiligt sind Eigenschaften des einen oder anderen. Sichtbares Licht, das in der Frequenz einen Mittelweg einnimmt, kann in Experimenten leicht gezeigt werden, um entweder mit einem Wellen- oder einem Partikelmodell oder manchmal beides zu beschreiben.

Im Februar 2018 berichteten Wissenschaftler erstmals die Entdeckung einer neuen Lichtform, die möglicherweise beinhalten könnte Polaritonen, das könnte bei der Entwicklung von nützlich sein Quantencomputer.^[41][42]

Verwenden Sie für Licht auf der Erde

Sonnenlicht Bietet die Energie das grüne Pflanzen zum Erstellen verwendet Zucker meistens in Form von Stärken, die Energie in die Lebewesen setzt, die sie verdauen. Dieser Prozess von Photosynthese Bietet praktisch die gesamte Energie, die von Lebewesen verwendet wird. Einige Tierarten erzeugen ihr eigenes Licht, ein Prozess genannt Biolumineszenz. Zum Beispiel, Glühwürmchen Verwenden Sie Licht, um Freunde zu lokalisieren und Vampir -Tintenfisch Verwenden Sie es, um sich vor Beute zu verstecken.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links

• Medien im Zusammenhang mit Licht bei Wikimedia Commons
• Die Wörterbuchdefinition von hell bei wiktionary
• Zitate im Zusammenhang mit Licht bei Wikiquote