Pentru alte sensuri vedeți Lumina (dezambiguizare).
Lumina (din ) sau lumina vizibilă este radiația electromagnetică din porțiunea spectrului electromagnetic care poate fi percepută de ochiul uman.International Commission on Illumination (1987). International Lighting Vocabulary . Number 17.4. CIE, 4th edition. .By the International Lighting Vocabulary, the definition of light is: "Any radiation capable of causing a visual sensation directly." Lumina vizibilă este de obicei definită ca având lungimi de undă cuprinse între 400-700 nanometri (nm) sau 4,00 × 10−7 până la 7,00 × 10−7 m, între infraroșu (cu lungimi de undă mai lungi) și ultraviolet (cu lungimi de undă mai scurte). Această lungime de undă înseamnă un interval de frecvență de aproximativ 430–750 terahertz (THz).
Principala sursă de lumină pe Pământ este Soarele. Lumina solară furnizează energia pe care o folosesc plantele verzi pentru a crea zaharuri mai ales sub formă de amidon, care la rândul său eliberează energie în viețuitoarele care digeră plantele. Acest proces de fotosinteză oferă aproape toată energia folosită de ființele vii. Istoric, o altă sursă importantă de lumină pentru oameni a fost focul, de la focuri de tabără antice până la lămpi moderne cu kerosen. Odată cu dezvoltarea luminii electrice și a sistemelor de alimentare, iluminatul electric a înlocuit eficient lumina de foc. Unele specii de animale generează propria lor lumină, un proces numit bioluminiscență. De exemplu, licuricii folosesc lumina pentru a localiza perechea, iar calamarii vampiri o folosesc pentru a se ascunde de pradă.
Proprietățile primare ale luminii vizibile sunt intensitatea, direcția de propagare, frecvența sau spectrul lungimii de undă și polarizarea, în timp ce viteza sa într-un vid, 299.792.458 metri/secundă, este una dintre constantele fundamentale ale naturii. Lumina vizibilă, ca și în cazul tuturor tipurilor de radiații electromagnetice (EMR), s-a găsit experimental că se mișcă mereu cu această viteză în vid.
În fizică, termenul lumină se referă uneori la radiații electromagnetice de orice lungime de undă, indiferent dacă sunt vizibile sau nu. În acest sens, razele gamma, razele-X, microundele și undele radio sunt, de asemenea, lumină. Ca toate tipurile de lumină, lumina vizibilă este emisă și absorbită în mici „pachete” numite fotoni și prezintă proprietăți atât ale undelor cât și ale particulelor.
Când o undă de lumină este transformată și absorbită ca un foton, energia undei se prăbușește instantaneu într-un singur loc, iar acest loc este locul unde fotonul „ajunge”. Aceasta este ceea ce se numește colapsul funcției de undă. Această natură duală a lumină atât ca undă cât și ca particulă este cunoscută sub numele de dualismul undă-particulă. Studiul luminii, cunoscut sub numele de optică, este un domeniu important de cercetare în fizica modernă.
Surse de lumină Surse naturale
Există tipuri diferite de surse de lumină, dar ele pot fi împărțite în două tipuri: naturale și artificiale. Cele naturale includ stele, galaxii, fulgere și altele. Stelele sunt corpuri cerești, reprezentând o sferă mare de gaz care produce energie prin fuziune, în primul rând prin conversia hidrogenului în heliu. Această energie se propagă în spațiu sub formă de radiație electromagnetică. O altă sursă naturală de lumină este aurora boreală.
Pentru Terra, principala sursă de lumină naturală este Soarele. Stelele mai îndepărtate radiază suficient pentru a fi vizibile, dar nu suficient pentru a lumina. Luna reflectă suficientă lumină solară pentru a permite scotopia (adaptarea ochiului la întuneric) fără percepția culorilor.
Există, de asemenea, surse biologice de lumină naturală în natură - animale și plante care emit lumină. Acest fenomen se numește bioluminiscență și este caracteristic, de exemplu, licuricilor, planctonului, unor specii de ciuperci și unor animale marine. Anumite substanțe chimice emit și lumină naturală. Acest fenomen se numește chemiluminescență.
Surse artificiale
Cele mai vechi surse de lumină artificială sunt lumânările și torțele. Torțele au fost folosite din cele mai vechi timpuri, utilizarea lor astăzi este limitată, dar, ca tradiție, flacăra olimpică este purtată cu torțe. Din punct de vedere istoric au urmat: lămpi și felinare de petrol, kerosen și gaz.
Odată cu descoperirea electricității, au fost create o mare varietate de surse de lumină, în special becul electric. Becul cu incandescență utilizează efectul încălzirii unei sârme de înaltă rezistență atunci când un curent electric trece prin ea. Pentru a obține lumină vizibilă, este necesar să se ridice temperatura la câteva mii de grade. Doar o mică parte a luminii emise se află în spectrul vizibil ochiului uman. Pentru a crește așa-numita lumină „albă”, este necesar să se mărească temperatura de încălzire a conductorului, motiv pentru care se folosesc metale cu un punct de topire ridicat - cel mai adesea wolfram (3410 °C) și mai rar osmiu (3045 °C).
O altă sursă de lumină, utilizată pe scară largă în electronică și acasă, este LED-ul - o diodă semiconductoare care emite lumină la polarizarea directă a joncțiunii p-n. LED-ul conține una sau mai multe cristale emițătoare de lumină situate într-o carcasă cu un obiectiv care creează un flux luminos.
Cele mai puternice și mai strălucitoare surse de lumină de astăzi sunt laserele. Sunt surse de lumină monocromatică, coerentă, dirijată. Laserul emite un fascicul bine direcționat, subțire, coerent, cu o lungime de undă constantă (aceeași culoare) și de înaltă luminozitate, spre deosebire de surse incoerente, cum ar fi becurile, care emit unde în aproape întreg spectrul electromagnetic și în toate direcțiile.
Proprietăți și caracteristici Viteza luminii
Viteza luminii în vid este o constantă fizică universală importantă în multe domenii ale fizicii. Valoarea sa exactă este de 299.792.458 metri/secundă (aproximativ 3,00×108 m/s sau 300.000 km/s). Valoarea fixă a vitezei luminii în unitățile SI rezultă din faptul că metrul este acum definit de această constantă. Toate formele de radiații electromagnetice se mișcă în vid exact cu viteza luminii în vid.
Diferiți fizicieni au încercat să măsoare viteza luminii de-a lungul istoriei. Galileo a încercat să măsoare viteza luminii în secolul al XVII-lea. Un experiment timpuriu pentru măsurarea vitezei luminii a fost realizat de Ole Rømer, fizician danez, în 1676. Folosind un telescop, Rømer a observat mișcările lui Jupiter și a unuia dintre sateliții săi, Io. Observând discrepanțele în perioada aparentă a orbitei lui Io, el a calculat că lumina necesită aproximativ 22 de minute pentru a traversa diametrul orbitei Pământului. La acea vreme, această dimensiune nu era cunoscută; dacă Rømer ar fi cunoscut diametrul orbitei Pământului, el ar fi calculat o viteză de 227.000.000 m/s.
O altă măsurare mai precisă a vitezei luminii a fost realizată în Europa de către fizicianul francez Hippolyte Fizeau în 1849. Fizeau a direcționat un fascicul de lumină într-o oglindă aflată la opt kilometri distanță. Raza trecea prin golurile dintre dinții unei roți dințate aflate într-o rotație rapidă. Viteza roții era crescută până când lumina reflectată trecea prin următorul gol și putea fi văzută. Cunoscând distanța până la oglindă, numărul de dinți de pe roată și rata de rotație, Fizeau a fost capabil să calculeze viteza luminii la ca. 313.000.000 m/s.
Léon Foucault a efectuat un experiment care a folosit oglinzi rotative pentru a obține o valoare de 298.000.000 m/s în 1862. Albert A. Michelson a efectuat experimente cu viteza luminii din 1877 până la moartea sa în 1931. El a rafinat metodele lui Foucault în 1926 folosind oglinzi rotative îmbunătățite pentru a măsura timpul necesar pentru a face o călătorie dus-întors de la Muntele Wilson la Muntele San Antonio din California. Măsurătorile precise au dus la o viteză de 299.796.000 m/s.
Viteza efectivă a luminii în diferite substanțe transparente care conțin materie obișnuită este mai mică decât în vid. De exemplu, viteza luminii în apă este de aproximativ 3/4 de cea în vid.
Spectrul electromagnetic
Spectrul electromagnetic este gama de frecvențe (spectrul) radiației electromagnetice și a lungimilor de undă și energiilor fotonice respective.
Spectrul electromagnetic acoperă undele electromagnetice cu frecvențe cuprinse de la mai puțin de un hertz la peste 1025 hertzi, corespunzând lungimilor de undă de la mii de kilometri până la o fracțiune din dimensiunea unui nucleu atomic. Acest interval de frecvențe este împărțit în benzi separate, iar undele electromagnetice din fiecare bandă de frecvență au denumiri diferite; începând cu frecvența joasă (lungime de undă lungă) a spectrului, acestea sunt: unde radio, microunde, infraroșu, lumină vizibilă, ultraviolete, raze X și raze gamma la capătul de frecvență înaltă (lungime de undă scurtă). Undele electromagnetice din fiecare dintre aceste benzi au caracteristici diferite, cum ar fi modul în care sunt produse, cum interacționează cu materia și aplicațiile lor practice. Limita pentru lungimi de undă lungi este dimensiunea Universului în sine, în timp ce se consideră că limita lungimii de undă scurtă se află în vecinătatea lungimii Planck.
Comportamentul radiației electromagnetice depinde de lungimea de undă. Frecvențele mai înalte au lungimi de undă mai scurte, iar cele joase au lungimi de undă mai lungi. Când radiația electromagnetică interacționează cu atomii și moleculele individuale, comportamentul acesteia depinde de cantitatea de energie pe cuantă pe care o transportă.
Refracție și reflexie
Refracția și reflexia luminii sunt două fenomene caracteristice tuturor tipurilor de unde. Reflexia luminii este fenomenul de întoarcere a luminii în mediul din care a provenit, atunci când întâlnește suprafața de separare dintre două medii. Dacă suprafața este netedă, reflexia luminii este speculară (asemănătoare unei oglinzi). Pe o suprafață neuniformă, razele de lumină sunt împrăștiate în multe direcții diferite, reflexia luminii fiind difuză iar imaginea produsă nefiind clară. De fapt, reflectarea luminii poate apărea ori de câte ori lumina se deplasează dintr-un mediu al unui indice de refracție dat într-un mediu cu un indice de refracție diferit. În cel mai general caz, o anumită fracțiune a luminii este reflectată din suprafață, iar restul este refractat.
Refracția este curbarea razelor de lumină când trec printr-o suprafață între un material transparent și altul. Este descrisă de Legea lui Snell:
unde θ1 este unghiul dintre rază și suprafața normală în primul mediu, θ2 este unghiul dintre rază și suprafața normală în al doilea mediu și n1 și n2 sunt indicii de refracție, n = 1 în vid și n > 1 într-o substanță transparentă.
Când un fascicul de lumină trece granița dintre un vid și un alt mediu sau între două medii diferite, lungimea de undă a luminii se schimbă, dar frecvența rămâne constantă. Dacă raza de lumină nu este ortogonală (sau mai degrabă normală) față de graniță, schimbarea lungimii de undă are ca rezultat schimbarea direcției fasciculului. Această schimbare de direcție este cunoscută sub numele de refracție.
Calitatea de refracție a lentilelor este frecvent utilizată pentru a manipula lumina în scopul modificării dimensiunii aparente a imaginilor. Lupa, ochelarii, lentilele de contact, microscoapele și telescoapele de refracție sunt exemple ale acestei manipulări.
Propagare și difracție