SVĚTLO

Historie světla

V pátém století př. n. l. Empedoklés postuloval, že vše je složeno ze čtyř elementů: ohně, vzduchu, země a vody. Věřil, že Afrodité vytvořila lidské oko ze čtyř elementů a že zapálila oheň v oku, který z oka vyzařoval a umožňoval vidění. Kdyby to bylo pravda, pak by člověk mohl vidět v noci stejně dobře jako ve dne, takže Empedoklés postuloval interakci mezi paprsky z očí a paprsky ze zdroje, jako je slunce.
Asi v roce 300 př. n. l. Eukleidés napsal Optiku, v níž studoval vlastnosti světla. Eukleidés postuloval, že světlo se šíří přímými čarami, a popsal zákony odrazu a studoval je matematicky. Zpochybnil, že vidění je výsledkem paprsku z oka, neboť se ptá, jak člověk vidí hvězdy okamžitě, když zavře oči a pak je v noci otevře. Samozřejmě, kdyby paprsek z oka cestoval nekonečně rychle, nebyl by to problém.

Částicová teorie

Pierre Gassendi (1592–1655), atomista, navrhl částicovou teorii světla, která byla posmrtně publikována v 60. letech 17. století. Isaac Newton studoval Gassendiho práci v raném věku a upřednostňoval jeho názor před Descartesovou teorií pléna. V Hypotéze o světle z roku 1675 uvedl, že světlo se skládá z korpuskulí (částic hmoty), které jsou vyzařovány ve všech směrech ze zdroje. Jedním z Newtonových argumentů proti vlnové povaze světla bylo, že je známo, že vlny se ohýbají kolem překážek, zatímco světlo se šíří pouze přímými čarami. Vysvětlil však jev difrakce světla (který pozoroval Francesco Grimaldi) tím, že připustil, že částice světla mohou vytvářet lokalizovanou vlnu v éteru.
Newtonova teorie mohla předpovídat odraz světla, ale mohla vysvětlit lom pouze tím, že nesprávně předpokládala, že světlo zrychluje při vstupu do hustšího prostředí, protože je gravitační přitažlivost větší. Newton publikoval finální verzi své teorie v Optice z roku 1704. Jeho pověst pomohla částicové teorii světla udržet převahu v 18. století.

Vlnová teorie

V 60. letech 17. století publikoval Robert Hooke vlnovou teorii světla. Christiaan Huygens vypracoval vlastní vlnovou teorii světla v roce 1678 a publikoval ji v roce 1690 v Pojednání o světle. Navrhl, že světlo je vyzařováno ve všech směrech jako série vln v médiu nazývaném světelný éter. Předpokládalo se, že vlny nejsou ovlivněny gravitací, a proto se předpokládalo, že se při vstupu do hustšího prostředí zpomalí.

Náčrt Thomase Younga z experimentu s dvěma štěrbinami, který ukazuje difrakci světla. Youngovy experimenty podporovaly teorii, že světlo se skládá z vln.

Vlnová teorie předpovídala, že světelné vlny mohou interferovat navzájem jako zvukové vlny (jak poznamenal kolem roku 1800 Thomas Young), a že světlo může být polarizováno, pokud by se jednalo o příčnou vlnu. Young ukázal pomocí experimentu s dvojitou štěrbinou, že světlo se chová jako vlny. Navrhl také, že různé barvy jsou způsobeny různými vlnovými délkami světla, a vysvětlil barevné vidění pomocí tří barevných receptorů v oku.

 

 

Elektromagnetická teorie

James Clerk Maxwell studoval elektromagnetické záření a světlo. Maxwell objevil, že se samošířící elektromagnetické vlny budou šířit prostorem konstantní rychlostí, která se náhodou rovnala dříve naměřené rychlosti světla. Z toho Maxwell usoudil, že světlo je formou elektromagnetického záření: poprvé tento výsledek uvedl v roce 1862.

Kvantová teorie

V roce 1900 Max Planck, který se pokoušel vysvětlit záření černého tělesa, navrhl, že i když je světlo vlna, tyto vlny mohou získávat nebo ztrácet energii pouze v konečných množstvích souvisejících s jejich frekvencí. Tyto „hroudy“ světelné energie Planck nazval „kvanty“ (z latinského slova pro „kolik“). V roce 1905 Albert Einstein použil myšlenku světelných kvant k vysvětlení fotoelektrického jevu a navrhl, že tyto světelné kvanta mají „reálnou“ existenci. Tyto částice světla byly pojmenovány fotony.

V kvantové teorii jsou fotony vnímány jako vlnové balíčky vln popsaných v klasické teorii Maxwella. Kvantová teorie byla potřeba k vysvětlení jevů i s viditelným světlem, které Maxwellova klasická teorie vysvětlit nemohla (jako jsou spektrální čáry).

VIDITELNÉ SVĚTLO

Viditelné světlo (často označované jednoduše jako světlo) je elektromagnetické záření, které je viditelné lidským okem a je zodpovědné za smysl zraku. Viditelné světlo má vlnovou délku v rozsahu od asi 380 nanometrů do asi 740 nm. Rozsah viditelného světla se nachází mezi neviditelným infračerveným zářením, které se nachází na delších vlnových délkách, a neviditelným ultrafialovým zářením, které se nachází na kratších vlnových délkách.

Primární vlastnosti viditelného světla jsou intenzita, směr šíření, frekvence nebo vlnová délka spektra a polarizace, zatímco jeho rychlost ve vakuu, 299 792 458 metrů za sekundu (asi 300 000 kilometrů za sekundu), je jednou z fundamentálních konstant přírody.

 

Vlnová délka

Vlnová délka, vzdálenost mezi odpovídajícími body dvou po sobě jdoucích vln. „Odpovídající body“ se vztahují ke dvěma bodům nebo částicím ve stejné fázi, tj. body, které dokončily identické zlomky svého periodického pohybu. Obvykle se u příčných vln (vln s body oscilujícími v pravých úhlech ke směru jejich postupu) měří vlnová délka od hřebene k hřebeni nebo od údolí k údolí.
Vlnová délka se obvykle označuje řeckým písmenem lambda (λ); je rovna rychlosti (v) vlny v médiu vydělené její frekvencí (f):

λ = v/f.

 

Hranol

Světlo mění rychlost, když se pohybuje z jednoho prostředí do druhého (například z vzduchu do skla hranolu). Tato změna rychlosti způsobuje, že světlo je lomeno a vstupuje do nového prostředí pod jiným úhlem (Huygensův princip). Stupeň ohybu cesty světla závisí na úhlu, který dopadající paprsek světla svírá s povrchem, a na poměru indexů lomu obou prostředí (Snellův zákon). Index lomu mnoha materiálů (jako je sklo) se mění s vlnovou délkou nebo barvou použitého světla, jev známý jako disperze. To způsobuje, že světlo různých barev je lomeno odlišně a opouští hranol pod různými úhly, čímž vzniká efekt podobný duze. Toho lze využít k rozkladu paprsku bílého světla na jeho spektrum základních barev.

 

Rychlost světla

Rychlost světla ve vakuu je definována přesně na 299 792 458 m/s (asi 186 282 mil za sekundu). Pevná hodnota rychlosti světla v jednotkách SI vyplývá z toho, že metr je nyní definován pomocí rychlosti světla. Předpokládá se, že všechny formy elektromagnetického záření se ve vakuu pohybují přesně touto rychlostí.

Různí fyzici se v průběhu historie pokoušeli změřit rychlost světla. Galileo se pokusil změřit rychlost světla v sedmnáctém století. Raný experiment k měření rychlosti světla provedl v roce 1676 dánský fyzik Ole Rømer. Pomocí dalekohledu pozoroval pohyby Jupiteru a jednoho z jeho měsíců Io. Poznamenal si rozdíly v zdánlivé periodě oběhu Io a vypočítal, že světlo potřebuje asi 22 minut k překonání průměru oběžné dráhy Země. Bohužel, tehdy nebyla známa její velikost. Kdyby Rømer znal průměr oběžné dráhy Země, vypočítal by rychlost 227 000 000 m/s.

Další, přesnější měření rychlosti světla provedl v Evropě v roce 1849 Hippolyte Fizeau. Fizeau namířil paprsek světla na zrcadlo vzdálené několik kilometrů. Do cesty paprsku světla od zdroje k zrcadlu a zpět byl umístěn rotační ozubený kotouč. Fizeau zjistil, že při určité rychlosti otáčení paprsek projde jednou mezerou v kole při cestě ven a další mezerou při cestě zpět. Známa vzdálenost ke zrcadlu, počet zubů na kole a rychlost otáčení umožnily Fizeauovi vypočítat rychlost světla na 313 000 000 m/s.

 

Léon Foucault použil experiment s rotačními zrcadly k získání hodnoty 298 000 000 m/s v roce 1862

Rychlost vlny závisí na prostředí, ve kterém se šíří. Zejména rychlost světla v prostředí je nižší než ve vakuu, což znamená, že stejná frekvence bude odpovídat kratší vlnové délce v prostředí než ve vakuu.

Tato změna rychlosti při vstupu do prostředí způsobuje lom, tj. změnu směru vln, které narazí na rozhraní mezi prostředími pod úhlem.[10] Pro elektromagnetické vlny je tato změna úhlu šíření řízena Snellovým zákonem.
Rychlost vlny v jednom prostředí se nejen může lišit od rychlosti v jiném prostředí, ale typicky se mění s vlnovou délkou. V důsledku toho se změna směru při vstupu do jiného prostředí mění s vlnovou délkou vlny.
Pro elektromagnetické vlny je rychlost v prostředí určena jeho indexem lomu podle vztahu

kde c je rychlost světla ve vakuu a n(λ0) je index lomu prostředí při vlnové délce λ0, přičemž poslední jmenovaný se měří ve vakuu nikoli v prostředí