Hoe Licht Werkt

{h1}

Licht wordt in dit artikel uitgelegd. Meer informatie over licht.

Licht is tegelijk zowel voor de hand liggend als mysterieus. We baden elke dag in gele warmte en verhinderen de duisternis met gloeiende en fluorescerende lampen. Maar wat is precies licht? We vangen een glimp op van de aard ervan wanneer een zonnestraal door een met stof gevulde kamer schuift, wanneer een regenboog verschijnt na een storm of wanneer een rietje in een glas water er onsamenhangend uitziet. Deze glimpen leiden echter alleen maar tot meer vragen. Leidt licht als een golf, een straal of een stroom deeltjes? Is het een enkele kleur of veel kleuren met elkaar vermengd? Heeft het een frequentie zoals geluid? En wat zijn enkele van de gemeenschappelijke eigenschappen van licht, zoals absorptie, reflectie, breking en diffractie?

Je zou kunnen denken dat wetenschappers alle antwoorden kennen, maar het licht blijft hen verrassen. Hier is een voorbeeld: we hebben altijd als vanzelfsprekend beschouwd dat licht sneller reist dan alles in het universum. In 1999 konden onderzoekers van de universiteit van Harvard een lichtstraal afremmen tot 38 mijl per uur (61 kilometer per uur) door deze door een stoftoestand te leiden die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat. Dat is bijna 18 miljoen keer langzamer dan normaal! Niemand zou zo'n prestatie zo'n paar jaar geleden al hebben gedacht, maar toch is dit de wispelturige manier van licht. Net als je denkt dat je het hebt bedacht, tart het je inspanningen en lijkt het zijn aard te veranderen.

Toch hebben we een lange weg afgelegd in ons begrip. Enkele van de slimste geesten in de geschiedenis van de wetenschap hebben hun krachtige intellect op het onderwerp gericht. Albert Einstein probeerde zich voor te stellen hoe het zou zijn om op een lichtstraal te rijden. "Wat als iemand achter een lichtstraal aan zou rennen?" hij vroeg. "Wat als iemand op de balk zou rijden?... Als iemand snel genoeg zou rennen, zou het dan helemaal niet meer bewegen?"

Einstein loopt echter voorop. Om te waarderen hoe licht werkt, moeten we het in de juiste historische context plaatsen. Onze eerste stop is de antieke wereld, waar enkele van de vroegste wetenschappers en filosofen de ware aard van deze mysterieuze substantie bedachten die het zicht stimuleert en dingen zichtbaar maakt.

Wat is licht?

Oude Grieken discussieerden over de vraag of lichtstralen uit het oog van een persoon of het object dat werd bekeken, kwamen.

Oude Grieken discussieerden over de vraag of lichtstralen uit het oog van een persoon of het object dat werd bekeken, kwamen.

Door de eeuwen heen is onze kijk op licht dramatisch veranderd. De eerste echte theorieën over het licht kwamen van de oude Grieken. Veel van deze theorieën probeerden het licht te beschrijven als een straal - een rechte lijn die van het ene punt naar het andere gaat. Pythagoras, het best bekend voor de stelling van de rechthoekige driehoek, stelde voor dat het gezichtsvermogen het gevolg was van lichtstralen die uit het oog van een persoon kwamen en een voorwerp troffen. Epicurus betoogde het tegenovergestelde: objecten produceren lichtstralen, die vervolgens naar het oog reizen. Andere Griekse filosofen - met name Euclides en Ptolemaeus - hebben heel goed gebruikgemaakt van straaldiagrammen om te laten zien hoe licht van een glad oppervlak botst of buigt wanneer het van het ene transparante medium naar het andere gaat.

Arabische geleerden namen deze ideeën en verbeterden ze nog verder, en ontwikkelden wat nu bekend staat als geometrische optica - toepassen van geometrische methoden op de optica van lenzen, spiegels en prisma's. De beroemdste beoefenaar van geometrische optica was Ibn al-Haytham, die leefde in het huidige Irak tussen AD 965 en 1039. Ibn al-Haytham identificeerde de optische componenten van het menselijk oog en correct beschreven visie als een proces waarbij lichtstralen opsprongen van een object voor het oog van een persoon. De Arabische wetenschapper heeft ook de pinhole-camera uitgevonden, de wetten van de breking ontdekt en een aantal op licht gebaseerde verschijnselen bestudeerd, zoals regenbogen en verduisteringen.

Tegen de 17e eeuw begonnen enkele vooraanstaande Europese wetenschappers anders over licht te denken. Een sleutelfiguur was de Nederlandse wiskundig-astronoom Christiaan Huygens. In 1690 publiceerde Huygens zijn 'Verhandeling over het Licht', waarin hij de undulatory theorie. In deze theorie speculeerde hij over het bestaan ​​van een onzichtbaar medium - een ether - die de lege ruimte tussen objecten vulde. Hij speculeerde verder dat licht zich vormt wanneer een stralend lichaam een ​​reeks golven of trillingen in deze ether veroorzaakt. Die golven gaan dan verder naar voren totdat ze een object tegenkomen. Als dat object een oog is, stimuleren de golven het gezichtsvermogen.

Dit stond als een van de vroegste en meest welbespraakte golftheorieën van het licht. Niet iedereen heeft het omarmd. Isaac Newton was een van die mensen. In 1704 stelde Newton een andere take-one voor die licht beschrijft als bloedlichaampjes of deeltjes. Licht reist immers in rechte lijnen en weerkaatst een spiegel zoals een bal die tegen een muur stuitert. Niemand had deeltjes van het licht gezien, maar zelfs nu is het gemakkelijk uit te leggen waarom dat zo is. De deeltjes kunnen te klein zijn, of te snel bewegen, om gezien te worden, of misschien zien onze ogen dwars door ze heen.

Het blijkt dat al deze theorieën zowel goed als fout tegelijk zijn. En ze zijn allemaal nuttig bij het beschrijven van bepaald gedrag van licht.

Licht als stralen

Hoe licht werkt: fotonen

Door licht te beschouwen als een straal, kunnen we met gemak drie bekende verschijnselen beschrijven: reflectie, breking en verstrooiing. Laten we er even over doen om erover te praten.

In reflectie, een lichtstraal raakt een glad oppervlak, zoals een spiegel, en weerkaatst. Een gereflecteerde straal komt altijd van het oppervlak van een materiaal af onder een hoek die gelijk is aan de hoek waaronder de binnenkomende straal het oppervlak raakt. In de natuurkunde, hoor je dit de wet van bezinning. Je hebt deze wet waarschijnlijk wel eens horen zeggen als 'de invalshoek is gelijk aan de invalshoek'.

Natuurlijk leven we in een onvolmaakte wereld en zijn niet alle oppervlakken glad.Wanneer licht een ruw oppervlak raakt, reflecteren invallende lichtstralen in allerlei hoeken omdat het oppervlak ongelijk is. Deze verstrooiing komt voor in veel van de objecten die we dagelijks tegenkomen. Het oppervlak van papier is een goed voorbeeld. Je kunt zien hoe moeilijk het is als je er onder de microscoop naar kijkt. Wanneer licht op papier valt, worden de golven in alle richtingen gereflecteerd. Dit is wat papier zo ongelooflijk nuttig maakt - u kunt de woorden op een afgedrukte pagina lezen, ongeacht de hoek waaronder uw ogen het oppervlak bekijken.

Hoe licht werkt: werkt

straalbreking treedt op wanneer een lichtstraal van een transparant medium (bijvoorbeeld lucht) naar een tweede transparant medium (water) gaat. Wanneer dit gebeurt, verandert het licht van snelheid en buigt het lichtstraal, in de richting van of weg van wat wij het noemen normale lijn, een denkbeeldige rechte lijn die loodrecht op het oppervlak van het object loopt. De hoeveelheid buiging, of hoek van breking, van de lichtgolf hangt af van hoeveel het materiaal het licht vertraagt. Diamanten zouden niet zo glitterachtig zijn als ze het binnenkomende licht niet veel meer vertragen dan bijvoorbeeld water. Diamanten hebben een hogere brekingsindex dan water, wat wil zeggen dat die sprankelende, kostbare lichtvallen het licht in grotere mate vertragen.

Lenzen, zoals die in een telescoop of in een bril, profiteren van breking. Een lens is een stuk glas of een andere transparante substantie met gebogen zijden voor het concentreren of verspreiden van lichtstralen. Lenzen dienen om het licht op elke grens te breken. Als een lichtstraal het transparante materiaal binnendringt, wordt deze gebroken. Als dezelfde straal wordt verlaten, wordt deze weer gebroken. Het netto effect van de breking bij deze twee grenzen is dat de lichtstraal van richting is veranderd. We maken gebruik van dit effect om het gezichtsvermogen van een persoon te corrigeren of te verbeteren door verre objecten dichterbij te laten lijken of kleine objecten groter lijken.

Helaas kan een straaltheorie niet alle gedragingen van licht verklaren. We hebben nog een paar andere verklaringen nodig, zoals we hierna zullen bespreken.

Licht als golven

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

In tegenstelling tot watergolven volgen lichtgolven gecompliceerdere paden en hebben ze geen medium nodig om door te reizen.

Toen de 19e eeuw aanbrak, was er geen echt bewijs verzameld om de golftheorie van het licht te bewijzen. Dat veranderde in 1801 toen Thomas Young, een Engelse arts en natuurkundige, een van de beroemdste experimenten in de geschiedenis van de wetenschap ontwierp en uitvoerde. Het staat vandaag bekend als de dubbel gespleten experiment en vereist eenvoudige apparatuur - een lichtbron, een dunne kaart met twee gaten naast elkaar en een scherm.

Om het experiment uit te voeren, liet Young een lichtstraal door een gaatje gaan en de kaart raken. Als licht deeltjes of eenvoudige rechte stralen bevatte, redeneerde hij, licht dat niet werd geblokkeerd door de ondoorzichtige kaart zou door de sleuven gaan en in een rechte lijn naar het scherm reizen, waar het twee lichtpuntjes zou vormen. Dit is niet wat Young opmerkte. In plaats daarvan zag hij een streepjescodepatroon van afwisselend lichte en donkere banden op het scherm. Om dit onverwachte patroon te verklaren, stelde hij zich voor dat licht door de ruimte reist als een watergolf, met toppen en troggen. Op deze manier denkend concludeerde hij dat lichtgolven door elk van de spleten trokken, waardoor twee afzonderlijke golffronten ontstonden. Toen deze golffronten bij het scherm aankwamen, interfereerden ze met elkaar. Er ontstonden heldere banden waar twee golftoppen elkaar overlappen en bij elkaar optelden. Er ontstonden donkere banden waar de toppen en dalen elkaar aflegden en elkaar volledig ophefden.

Het werk van Young leidde tot een nieuwe manier van denken over licht. Wetenschappers begonnen te verwijzen naar lichtgolven en veranderden dienovereenkomstig hun beschrijvingen van reflectie en breking, waarbij ze opmerkten dat lichtgolven nog steeds de wetten van reflectie en breking naleven. Overigens is het buigen van een lichtgolf verantwoordelijk voor enkele van de visuele verschijnselen die we vaak tegenkomen, zoals luchtspiegelingen. EEN luchtspiegeling is een optische illusie die wordt veroorzaakt wanneer lichtgolven die van de hemel naar de grond bewegen worden gebogen door de verwarmde lucht.

In de jaren 1860 legde de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell de kers op de top van het lichtgolfmodel toen hij de theorie van electromagnetisme. Maxwell beschreef licht als een heel speciaal soort golf - één samengesteld uit elektrische en magnetische velden. De velden trillen haaks op de bewegingsrichting van de golf en staan ​​loodrecht op elkaar. Omdat licht zowel elektrische als magnetische velden heeft, wordt het ook wel aangeduid als electromagnetische straling. Elektromagnetische straling heeft geen medium nodig om door te reizen, en wanneer het in een vacuüm rijdt, beweegt het met 186.000 mijl per seconde (300.000 kilometer per seconde). Wetenschappers noemen dit het lichtsnelheid, een van de belangrijkste cijfers in de natuurkunde.

Lichte frequenties

Lichtgolven hebben een continue verscheidenheid aan grootten, frequenties en energieën, een continuüm dat bekendstaat als het elektromagnetische spectrum.

Lichtgolven hebben een continue verscheidenheid aan grootten, frequenties en energieën, een continuüm dat bekendstaat als het elektromagnetische spectrum.

Nadat Maxwell het concept van elektromagnetische golven had geïntroduceerd, klikte alles op zijn plaats. Wetenschappers kunnen nu een volledig werkend model van licht ontwikkelen met termen en concepten, zoals golflengte en frequentie, gebaseerd op de structuur en functie van golven. Volgens dat model zijn lichtgolven in vele maten verkrijgbaar. De grootte van een golf wordt gemeten als de golf golflengte, wat de afstand is tussen twee overeenkomende punten op opeenvolgende golven, gewoonlijk van piek tot piek of dal tot dal. De golflengten van het licht dat we kunnen zien variëren van 400 tot 700 nanometer (of miljardsten van een meter). Maar het volledige bereik van de golflengten in de definitie van elektromagnetische straling strekt zich uit van 0,1 nanometer, zoals in gammastraling, tot centimeters en meters, zoals in radiogolven.

Lichtgolven komen ook in vele frequenties. De frequentie is het aantal golven dat een punt in de ruimte passeert gedurende elk tijdsinterval, meestal één seconde. We meten het in eenheden van cycli (golven) per seconde, of hertz. De frequentie van zichtbaar licht wordt kleur genoemd en varieert van 430 triljoen hertz, gezien als rood, tot 750 triljoen hertz, gezien als violet. Nogmaals, het volledige bereik van frequenties reikt verder dan het zichtbare gedeelte, van minder dan 3 miljard hertz, zoals in radiogolven, tot meer dan 3 miljard miljard hertz (3 x 1019), zoals in gammastraling.

De hoeveelheid energie in een lichtgolf is proportioneel gerelateerd aan de frequentie: hoogfrequent licht heeft een hoge energie; laagfrequent licht heeft een lage energie. Dus, gammastralen hebben de meeste energie (een deel van wat hen zo gevaarlijk maakt voor mensen), en radiogolven hebben het minste. Van zichtbaar licht heeft violet het minste energie en rood. Het hele bereik van frequenties en energieën, getoond in de bijgaande figuur, staat bekend als de elektromagnetisch spectrum. Merk op dat de figuur niet op schaal is getekend en dat zichtbaar licht slechts een duizendste van een procent van het spectrum beslaat.

Dit zou het einde van de discussie kunnen zijn, behalve dat Albert Einstein geen snelle lichtgolven kon laten liggen. Zijn werk in het begin van de 20e eeuw deed het oude idee herleven dat licht, misschien, toch een deeltje was.

Licht als deeltjes

Zonnepanelen maken gebruik van het foto-elektrische effect om onze huizen en bedrijven van stroom te voorzien.

Zonnepanelen maken gebruik van het foto-elektrische effect om onze huizen en bedrijven van stroom te voorzien.

Maxwell's theoretische behandeling van elektromagnetische straling, inclusief de beschrijving van lichtgolven, was zo elegant en voorspelbaar dat veel natuurkundigen in de jaren 1890 dachten dat er niets meer te zeggen viel over licht en hoe het werkte. Toen, op 14 december 1900, kwam Max Planck langs en introduceerde een verbluffend eenvoudig, maar toch vreemd verontrustend concept: dat licht energie in discrete hoeveelheden moet dragen. Die hoeveelheden, zo stelde hij, moeten eenheden van de basisenergietoename zijn, hf, waar h is een universele constante die nu bekend staat als De constante van Planck en f is de frequentie van de straling.

Albert Einstein bracht de theorie van Planck vooruit in 1905 toen hij de fotoëlektrisch effect. Eerst begon hij met het schijnen van ultraviolet licht op het oppervlak van een metaal. Toen hij dit deed, was hij in staat om elektronen te detecteren die vanaf het oppervlak worden geëmitteerd. Dit was Einsteins verklaring: als de energie in licht in bundels komt, dan kan men denken dat licht kleine klontjes bevat, of fotonen. Wanneer deze fotonen op een metalen oppervlak slaan, gedragen ze zich als biljartballen, die hun energie overbrengen naar elektronen, die losraken van hun "ouder" -atomen. Eenmaal bevrijd bewegen de elektronen zich langs het metaal of worden ze van het oppervlak uitgeworpen.

De deeltjestheorie van het licht was teruggekeerd - met een wraak. Vervolgens paste Niels Bohr de ideeën van Planck toe om het model van een atoom te verfijnen. Eerdere wetenschappers hadden aangetoond dat atomen bestaan ​​uit positief geladen kernen omgeven door elektronen die rondeten als planeten, maar ze konden niet verklaren waarom elektronen niet eenvoudig in de kern spiraalsgewijs zijn. In 1913 stelde Bohr voor dat elektronen in discrete banen bestaan ​​op basis van hun energie. Wanneer een elektron van een baan naar een lagere baan springt, geeft het energie af in de vorm van een foton.

De kwantumtheorie van licht - het idee dat licht bestaat als minuscule pakketten, of deeltjes, fotonen genaamd - begon langzaam op te duiken. Ons begrip van de fysieke wereld zou niet langer hetzelfde zijn.

Wave-deeltje dualiteit

In het begin waren natuurkundigen terughoudend om de dubbele aard van licht te accepteren. Immers, velen van ons mensen willen graag een juist antwoord. Maar Einstein maakte in 1905 de weg vrij door te omarmen golf-deeltjes dualiteit. We hebben het foto-elektrische effect al besproken, waardoor Einstein licht als een foton beschreef. Later dat jaar voegde hij echter een draai aan het verhaal toe in een paper met een speciale relativiteit. In dit artikel behandelde Einstein licht als een continu veld van golven - een schijnbare tegenstrijdigheid met zijn beschrijving van licht als een stroom deeltjes. Toch was dat een deel van zijn genialiteit. Hij aanvaardde gewillig de vreemde aard van het licht en koos welk kenmerk het beste was voor het probleem dat hij probeerde op te lossen.

Vandaag accepteren fysici de dubbele aard van licht. In deze moderne visie definiëren ze licht als een verzameling van een of meer fotonen die zich als elektromagnetische golven door de ruimte voortplanten. Deze definitie, die de golf van het licht en de aard van het licht combineert, maakt het mogelijk om het dubbelsleufexperiment van Thomas Young op deze manier te heroverwegen: Licht reist weg van een bron als een elektromagnetische golf. Wanneer het de spleten ontmoet, gaat het door en verdeelt het zich in twee golffronten. Deze golffronten overlappen elkaar en naderen het scherm. Op het moment van de botsing verdwijnt echter het hele golfveld en verschijnt een foton. Kwantumfysici beschrijven dit vaak door te zeggen dat de uitgespreide golf in een klein punt "inzakt".

Op dezelfde manier maken fotonen het voor ons mogelijk om de wereld om ons heen te zien. In totale duisternis zijn onze ogen eigenlijk in staat om afzonderlijke fotonen te voelen, maar over het algemeen komt wat we zien in ons dagelijks leven tot ons in de vorm van ontelbare fotonen geproduceerd door lichtbronnen en gereflecteerd van objecten. Als je nu om je heen kijkt, is er waarschijnlijk een lichtbron in de kamer die fotonen produceert en objecten in de kamer die die fotonen weerspiegelen. Je ogen absorberen een deel van de fotonen die door de kamer stromen en zo zie je.

Maar wacht. Wat maakt een lichtbron fotonen? Daar komen we aan. Next.

Een foton maken

Hoe licht werkt: fotonen

Er zijn veel verschillende manieren om fotonen te produceren, maar ze gebruiken allemaal hetzelfde mechanisme in een atoom om het te doen.Dit mechanisme omvat het activeren van elektronen rond de kern van elk atoom. Hoe Nuclear Radiation Works protonen, neutronen en elektronen in enig detail beschrijft. Waterstofatomen hebben bijvoorbeeld één elektron in een baan rond de kern. Helium-atomen hebben twee elektronen in een baan om de kern. Aluminiumatomen hebben 13 elektronen die de kern omcirkelen. Elk atoom heeft een voorkeursaantal elektronen dat rond de kern ervan zipt.

Elektronen omcirkelen de kern in vaste banen - een vereenvoudigde manier om erover na te denken, is je voorstellen hoe satellieten rond de aarde cirkelen. Er is een enorme hoeveelheid theorie rond elektronorbitalen, maar om licht te begrijpen, is er maar één belangrijk feit om te begrijpen: een elektron heeft een natuurlijke baan die het inneemt, maar als je een atoom van energie voorziet, kun je de elektronen naar hogere orbitalen verplaatsen. Een foton wordt geproduceerd wanneer een elektron in een hoger dan normale baan terugvalt naar zijn normale baan. Tijdens de val van hoge energie naar normale energie, straalt het elektron een foton uit - een pakket energie - met zeer specifieke kenmerken. Het foton heeft een frequentie of kleur die exact overeenkomt met de afstand die het elektron valt.

Je kunt dit verschijnsel heel goed zien in gasontladingslampen. Fluorescentielampen, neonreclames en natriumdamplampen zijn veelvoorkomende voorbeelden van dit soort elektrische verlichting, die een elektrische stroom door een gas voert om het gas licht te laten afgeven. De kleuren van gasontladingslampen variëren sterk afhankelijk van de identiteit van het gas en de constructie van de lamp.

Op snelwegen en op parkeerterreinen zie je bijvoorbeeld natriumdamplampen. Je kunt het natriumdamplampje zien omdat het echt geel is als je ernaar kijkt. Een natriumdamplicht activeert natriumatomen om fotonen te genereren. Een natriumatoom heeft 11 elektronen en vanwege de manier waarop ze in orbitalen worden gestapeld, zal een van die elektronen waarschijnlijk energie accepteren en uitzenden. De energiepakketten die dit elektron waarschijnlijk zal uitstoten vallen precies rond een golflengte van 590 nanometer. Deze golflengte komt overeen met geel licht. Als je natriumlicht door een prisma laat lopen, zie je geen regenboog - je ziet een paar gele lijnen.

Bioluminescentie: hoe organismen dingen oplichten

Waar denk je nog meer aan als je denkt aan bioluminescentie? Onze vriend de vuurvlieg natuurlijk. Hier is Photinus pyralis die op een sojabooninstallatie stelt.

Waar denk je nog meer aan als je denkt aan bioluminescentie? Onze vriend de vuurvlieg natuurlijk. hier is Photinus pyralis poseren op een sojaboonplant.

Een andere manier om fotonen te maken, bekend als chemiluminescentie, gaat om chemische reacties. Wanneer deze reacties optreden in levende organismen zoals bacteriën, vuurvliegjes, inktvis en diepzeevissen, staat het proces bekend als bioluminescentie. Ten minste twee chemicaliën zijn nodig om licht te maken. Chemici gebruiken de generieke term luciferine om degene te beschrijven die het licht produceert. Ze gebruiken de term luciferase om het enzym te beschrijven dat de reactie aandrijft, of katalyseert.

De basisreactie volgt een eenvoudige volgorde. Eerst katalyseert de luciferase de oxidatie van luciferine. Met andere woorden, luciferine combineert chemisch met zuurstof om oxyluciferine te produceren. De reactie produceert ook licht, meestal in het blauwe of groene gebied van het spectrum. Soms bindt het luciferine zich aan met een katalyserend eiwit en zuurstof in een grote structuur die bekend staat als a fotoproteïne. Wanneer een ion - typisch calcium - wordt toegevoegd aan het fotoproteïne, oxideert het de luciferine, resulterend in licht en inactief oxyluciferine.

In mariene organismen is het blauwe licht geproduceerd door bioluminescentie zeer nuttig omdat de golflengte van het licht, ongeveer 470 nanometer, veel verder in water doorlaat. Bovendien hebben de meeste organismen geen pigmenten in hun visuele organen waardoor ze langere (gele, rode) of kortere (indigo, ultraviolette) golflengten kunnen zien. Een uitzondering is te vinden in de vissenfamilie Malacosteid, ook bekend als losse kaken. Deze dieren kunnen zowel rood licht produceren en detecteren als andere organismen dat niet kunnen.

Wilt u meer weten over hoe en waarom levende wezens licht maken? Bekijk hoe Bioluminescence werkt voor een diepe duik.

We zullen de volgende dingen opwarmen met gloeien.

Gloei: Licht creëren met warmte

Een sampler van gloeilampen, waarvan sommige efficiënter zijn dan andere

Een sampler van gloeilampen, waarvan sommige efficiënter zijn dan andere

Waarschijnlijk de meest gebruikelijke manier om atomen te activeren is met warmte, en dit is de basis van gloeilamp. Als je een hoefijzer met een brander opwarmt, wordt het uiteindelijk gloeiend heet en als je je innerlijke pyromaan verwarmt en nog meer verwarmt, wordt het witheet. Rood is het zichtbare licht met de laagste energie, dus in een gloeiend voorwerp krijgen de atomen net genoeg energie om licht uit te zenden dat we kunnen zien. Zodra je voldoende warmte toepast om wit licht te veroorzaken, activeer je zoveel verschillende elektronen op zoveel verschillende manieren dat alle kleuren worden gegenereerd - ze vermengen zich allemaal om er wit uit te zien.

Warmte is de meest voorkomende manier waarop licht wordt gegenereerd - een normale gloeilamp van 75 watt genereert licht door elektriciteit te gebruiken om warmte te creëren. Elektriciteit stroomt door een wolfraam gloeidraad gehuisvest in een glazen bol. Omdat de gloeidraad zo dun is, biedt hij een goede weerstand tegen de elektriciteit, en deze weerstand zet elektrische energie om in warmte. De hitte is voldoende om de gloeidraad witheet te doen gloeien. Helaas is dit niet erg efficiënt. Het grootste deel van de energie die in een gloeilamp gaat, gaat verloren als warmte. In feite produceert een typische gloeilamp misschien 15 lumen per watt ingangsvermogen in vergelijking met een fluorescentielamp, die tussen de 50 en 100 lumen per watt produceert.

Verbranding biedt een andere manier om fotonen te produceren. Verbranding treedt op wanneer een stof - de brandstof - snel combineert met zuurstof en warmte en licht produceert.Als je een kampvuur of zelfs een kaarsvlam aandachtig bestudeert, zie je een kleine kleurloze opening tussen het hout of de pit en de vlammen. In deze opening stijgen gassen en worden ze gassen. Wanneer ze eindelijk warm genoeg worden, combineren de gassen zich met zuurstof en kunnen ze licht uitstralen. De vlam is dus niets anders dan een mengsel van reagerende gassen die zichtbaar, infrarood en wat ultraviolet licht uitstralen.

Vervolgens zullen we een licht op lasers schijnen.

lasers

Een illustratie van een laser

Een illustratie van een laser

Een interessante toepassing van de kwantumaard van licht is de laser. Je kunt het hele verhaal over lasers in How Lasers Work krijgen, maar we gaan enkele van de belangrijkste concepten hier behandelen. Laser is een acroniem voor "lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling", wat een manier is om licht te verbinden waarbij de fotonen allemaal op dezelfde golflengte liggen en hun toppen en dalen in fase hebben. Onderzoeksfysicus Theodore H. Maiman ontwikkelde 's werelds eerste werkende laser, de robijnlaser, in 1960. De robijnrode laser bevatte een robijnrood kristal, een kwartsflitsbuis, reflecterende spiegels en een voeding.

Laten we eens kijken hoe Maiman deze componenten gebruikte om laserlicht te creëren, te beginnen met de eigenschappen van robijn. Ruby is een aluminiumoxide-kristal waarin enkele van de aluminiumatomen zijn vervangen door chroomatomen. Chroom geeft robijn zijn karakteristieke rode kleur door groen en blauw licht te absorberen en alleen rood licht uit te stralen of te reflecteren. Natuurlijk kon Maiman geen robijn gebruiken in zijn natuurlijk voorkomende kristallijne staat. Eerst moest hij het robijnkristal in een cilinder vormen. Vervolgens wikkelde hij een kwartslamp met een hoge intensiteit rond de robijnrode cilinder om een ​​flits van wit licht te verkrijgen. De groene en blauwe golflengten in de flits wekken elektronen in de chroomatomen op tot een hoger energieniveau. Toen deze elektronen in hun normale toestand terugkeerden, gaven ze hun karakteristieke robijnrood licht af.

Hier werd het interessant. Maiman plaatste een volledig reflecterende spiegel op het ene uiteinde van het kristal en een gedeeltelijk reflecterende spiegel op het andere. De spiegels reflecteerden een deel van de rode golflengtefotonen heen en weer in het robijnrode kristal. Dit, op zijn beurt, stimuleerde andere geëxciteerde chroomatomen om meer fotonen te produceren, totdat een stroom van precies uitgelijnde fotonen heen en weer kaatste binnen de laser. Bij elke sprong ontsnapten een deel van de fotonen, waardoor waarnemers de straal zelf konden waarnemen.

Tegenwoordig maken wetenschappers lasers van veel verschillende materialen. Sommige, zoals de robijnlaser, zenden korte lichtpulsen uit. Anderen, zoals helium-neon gaslasers of vloeibare kleurstoflasers, zenden een continue lichtstraal uit.

We gaan nu ergens over de regenboog heen.

Kleuren maken

Wit licht is een mengeling van kleuren.

Wit licht is een mengeling van kleuren.

Zichtbaar licht is licht dat het menselijk oog kan waarnemen. Wanneer je naar het zichtbare licht van de zon kijkt, lijkt het kleurloos te zijn, wat we wit noemen. Hoewel we dit licht kunnen zien, wordt wit niet beschouwd als onderdeel van het zichtbare spectrum. Dat komt omdat wit licht niet het licht van een enkele kleur is, maar in plaats daarvan veel kleuren.

Wanneer zonlicht door een glas water gaat om op een muur te landen, zien we een regenboog op de muur. Dit zou niet gebeuren tenzij wit licht een mengsel was van alle kleuren van het zichtbare spectrum. Isaac Newton was de eerste die dit demonstreerde. Newton passeerde zonlicht door een glazen prisma om de kleuren te scheiden in een regenboogspectrum. Vervolgens passeerde hij zonlicht door een tweede glazen prisma en combineerde de twee regenbogen. De combinatie produceerde wit licht. Zijn eenvoudige experiment bewees overtuigend dat wit licht een mengsel van kleuren is.

U kunt een vergelijkbaar experiment doen met drie zaklampen en drie verschillende kleuren cellofaan - rood, groen en blauw (gewoonlijk RGB genoemd). Bedek één zaklamp met één tot twee lagen rode cellofaan en bevestig de cellofaan met een


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com