¿Cómo funciona la luz

luz que brilla a través del bosque

Como ciudadano de la soleada Tierra, es difícil no tener luz por sentado. En este artículo, nos saludamos, luz, por un mundo sin luz sería un lugar sombrío de hecho.

Introducción a cómo la luz de Obras

La luz es a la vez evidente y misterioso. Estamos bañamos en el calor amarillo todos los días y evitar la oscuridad con lámparas incandescentes y fluorescentes bombillas. Pero, ¿qué es exactamente la luz? Cogemos atisbos de su naturaleza cuando un rayo de sol a través de los ángulos de una habitación llena de polvo, cuando un arco iris aparece después de un tormenta o cuando una pajita en un vaso de agua parece inconexo. Estos destellos, sin embargo, sólo llevan a más preguntas. ¿El viaje de la luz como una onda, un rayo o una corriente de partículas? Se trata de un solo color o varios colores mezclados entre sí? ¿Tiene una frecuencia como el sonido? Y ¿cuáles son algunas de las características comunes de la luz, como la absorción, reflexión, refracción y difracción?

Se podría pensar que los científicos saben todas las respuestas, pero la luz sigue sorprendiendo ellos. He aquí un ejemplo: Nosotros siempre hemos dado por sentado que la luz viaja más rápido que nada en el universo. Luego, en 1999, los investigadores de la Universidad de Harvard fueron capaces de ralentizar un haz de luz hasta 38 millas por hora (61 kilómetros por hora) haciéndolo pasar a través de un estado de la materia conocido como un condensado de Bose-Einstein. Eso es casi 18 millones de veces más lento de lo normal! Nadie hubiera pensado que tal hazaña posible hace tan sólo unos años, sin embargo, esta es la forma caprichosa de la luz. Justo cuando crees que lo tienes resuelto, que desafía sus esfuerzos y parece cambiar su naturaleza.

Aún así, hemos recorrido un largo camino en nuestra comprensión. Algunas de las mentes más brillantes de la historia de la ciencia se han centrado sus poderosos intelectos sobre el tema. Albert Einstein tratado de imaginar lo que sería como montar en un rayo de luz. "¿Qué pasa si uno fuera a correr detrás de un rayo de luz?" preguntó. "¿Qué pasa si uno estuviera montado en la viga? ... Si hubiera que correr lo suficientemente rápido, podría ya no moverse en absoluto?"

Einstein, sin embargo, se está poniendo por delante de la historia. Para apreciar cómo funciona la luz, tenemos que ponerlo en su contexto histórico. Nuestra primera parada es en el mundo antiguo, donde algunos de los primeros científicos y filósofos reflexionó sobre la verdadera naturaleza de esta misteriosa sustancia que estimula la vista y hace que las cosas visibles.

ojo humano

Los antiguos griegos argumentaron sobre si los rayos de luz emanaba de los ojos de una persona o el objeto que se vieron.

¿Qué es la luz?

A través de los siglos, nuestra visión de la luz ha cambiado drásticamente. Las primeras teorías reales acerca de la luz vinieron de los antiguos griegos. Muchas de estas teorías trató de describir la luz como rayo -- una línea recta que se mueve de un punto a otro. Pitágoras, el más conocido para el teorema del derecho; triángulo rectángulo, propuso que la visión fue resultado de los rayos de luz que salen de los ojos de una persona y en huelga de un objeto. Epicuro argumentaba lo contrario: Objetos producen los rayos de luz, que luego viajan a la vista. Otros filósofos griegos - más notablemente Euclides y Tolomeo - utilizan diagramas de rayos con bastante éxito para mostrar cómo rebota la luz en una superficie lisa o curvas, ya que pasa de un medio transparente a otro.

Eruditos árabes tomaron estas ideas y las perfeccionó aún más, el desarrollo de lo que hoy se conoce como óptica geométrica -- la aplicación de métodos geométricos a la óptica de lentes, espejos y prismas. El más famoso practicante de la óptica geométrica fue Ibn al-Haytham, que vivió en la actual Irak entre los años 965 y 1039. Ibn al-Haytham identificó los componentes ópticos del ojo humano y la visión descrito correctamente como un proceso que implica rayos de luz que rebotan desde un objeto al ojo de una persona. El científico árabe también inventó la cámara estenopeica, descubrió las leyes de la refracción y estudió una serie de fenómenos a base de luz, tales como arco iris y eclipses.

En el siglo 17, algunos científicos europeos prominentes comenzaron a pensar de forma diferente sobre la luz. Una figura clave fue el matemático-astrónomo holandés Christiaan Huygens. En 1690, Huygens publicó su "Tratado de la Luz", en el que describía la la teoría ondulatoria. En esta teoría, especuló sobre la existencia de algún medio invisible - un éter - llenando todo el espacio vacío entre los objetos. Se especula además que las formas de luz cuando un cuerpo luminoso provoca una serie de ondas o vibraciones en este éter. Entonces esas olas avanzan hacia adelante hasta que se encuentran con un objeto. Si ese objeto es un ojo, las olas estimulan la visión.

Este se presentó como uno de los primeros y más elocuente, las teorías de onda de la luz. No todo el mundo lo abrazó. Isaac Newton fue una de esas personas. En 1704, Newton propuso una opinión diferente - un solo describir la luz como corpúsculos o partículas. Después de todo, la luz viaja en línea recta y rebota en un espejo muy similar a una pelota que rebota en una pared. Nadie había visto en realidad partículas de luz, pero incluso ahora, es fácil de explicar por qué podría ser. Las partículas podrían ser demasiado pequeño, o moviendo demasiado rápido, para ser visto, o tal vez nuestros ojos ver a través de ellos.

Como resultado, todas estas teorías son a la vez bueno y lo malo a la vez. Y todos son útiles para describir ciertos comportamientos de la luz.

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La luz como los rayos

Imaginando la luz como un rayo hace que sea fácil de describir, con gran precisión, tres fenómenos bien conocidos: la reflexión, la refracción y dispersión. Echemos un segundo para hablar de cada uno de ellos.

En reflexión, un rayo de luz golpea una superficie lisa, como una espejo, y rebota. Un rayo reflejado siempre sale de la superficie de un material en un ángulo igual al ángulo en el que el rayo entrante golpeado la superficie. En física, se escucha este llamado ley de la reflexión. Usted probablemente ha escuchado esta ley establece como "el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión."

Por supuesto, vivimos en un mundo imperfecto y no todas las superficies son lisas. Cuando la luz incide sobre una superficie rugosa, los rayos de luz entrantes reflejan en todo tipo de ángulos porque la superficie es desigual. Esta dispersión ocurre en muchos de los objetos que nos encontramos cada día. La superficie del papel es un buen ejemplo. Se puede ver cuán áspero es si usted mira con fijeza a través del microscopio. Cuando la luz golpea el papel, las ondas se reflejan en todas las direcciones. Esto es lo que hace el papel tan increíblemente útil - se puede leer las palabras en una página impresa, independientemente del ángulo en el que los ojos ven la superficie.

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Refracción ocurre cuando un rayo de luz pasa de un medio transparente (aire, digamos) a un segundo medio transparente (agua). Cuando esto sucede, la luz cambia la velocidad y las curvas de rayos de luz, ya sea hacia o lejos de lo que llaman el linea normal, una línea recta imaginaria que corre perpendicular a la superficie del objeto. La cantidad de flexión, o ángulo de refracción, de la onda de la luz depende de cuánto material se ralentiza la luz. Diamantes no sería tan brillante si no ralentizan la luz entrante mucho más que, por ejemplo, el agua hace. Los diamantes tienen un mayor índice de refracción que el agua, es decir que esas trampas de luz brillante, costosos ralentizan la luz en un mayor grado.

Las lentes, como los de una telescopio o en un par de gafas, se aprovechan de la refracción. Una lente es una pieza de vidrio o de otra sustancia transparente con lados curvos para concentrar o dispersar los rayos de luz. Objetivos, sirven para refractar la luz en cada límite. Como un rayo de luz entra en el material transparente, se refracta. A medida que las mismas salidas de rayos, se refracta de nuevo. El efecto neto de la refracción en estos dos límites es que el rayo de luz ha cambiado las direcciones. Aprovechamos este efecto para corregir la visión de una persona o mejorarla haciendo objetos distantes aparezcan más cercanos o de objetos pequeños parezcan más grandes.

Por desgracia, una teoría rayo no puede explicar todas las conductas exhibidas por la luz. Necesitaremos algunas otras explicaciones, como el que vamos a cubrir siguiente.

La luz como ondas

A diferencia de las ondas de agua, las ondas de luz siguen caminos más complicados, y que no necesitan un medio para viajar a través.


Cuando el siglo 19 amaneció, no hay evidencia real había acumulado para demostrar la teoría ondulatoria de la luz. Eso cambió en 1801 cuando Thomas Young, un médico Inglés y físico, diseñó y dirigió uno de los experimentos más famosos de la historia de la ciencia. Se le conoce hoy como el experimento de la doble rendija y requiere equipo simple - una fuente de luz, una tarjeta delgada con dos agujeros de lado a lado y una pantalla.

Para ejecutar el experimento, joven permitió que un rayo de luz pase a través de un agujero de alfiler y golpeó la tarjeta. Si la luz contenía partículas o rayos de líneas rectas simples, razonó, la luz no bloqueado por la tarjeta opaca pasaría a través de las ranuras y los viajes en línea recta a la pantalla, donde se formaría dos puntos brillantes. Esto no es lo observó joven. En su lugar, vio a un patrón de código de barras de alternar bandas claras y oscuras en la pantalla. Para explicar este patrón inesperado, se imaginaba la luz que viaja a través del espacio como una onda de agua, con crestas y valles. Pensando de esta manera, se llegó a la conclusión de que las ondas de luz viajaron a través de cada una de las ranuras, la creación de dos frentes de onda diferentes. Como llegaron estos frentes de onda en la pantalla, interferían entre sí. Bandas brillantes forman cuando dos crestas de las ondas se superponen y se suman. Bandas oscuras formadas en crestas y valles alineados y cancelan el uno al otro por completo.

El trabajo de Young desató una nueva forma de pensar acerca de la luz. Los científicos comenzaron a referirse a las ondas de luz y reformados sus descripciones de la reflexión y refracción de acuerdo, señalando que las ondas de luz todavía obedecen a las leyes de la reflexión y la refracción. Por cierto, la flexión de una onda de luz representa algunos de los fenómenos visuales a menudo nos encontramos, por ejemplo, espejismos. LA espejismo es una ilusión óptica causada cuando las ondas de luz que se mueven desde el cielo hacia la tierra se doblan por el aire caliente.

En la década de 1860, el físico escocés James Clerk Maxwell puso la guinda del pastel del modelo de onda de luz cuando formuló la teoría de la electromagnetismo. Maxwell describió la luz como un tipo muy especial de la onda - uno compuesto de electricidad y magnético campos. Los campos vibran en ángulo recto a la dirección del movimiento de la ola, y en ángulo recto entre sí. Debido a que la luz tiene dos campos eléctricos y magnéticos, también se conoce como radiación electromagnética. La radiación electromagnética no necesita un medio para viajar a través, y, cuando está viajando en el vacío, se mueve a 186.000 millas por segundo (300.000 kilómetros por segundo). Los científicos se refieren a esto como el velocidad de la luz, uno de los números más importantes de la física.

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Las ondas de luz vienen en una variedad continua de tamaños, de frecuencias y energías, un continuo conocido como el espectro electromagnético.

Frecuencias de luz

Una vez Maxwell introdujo el concepto de ondas electromagnéticas, todo encajó en su lugar. Ahora, los científicos podrían desarrollar un modelo de trabajo completa de la luz utilizando términos y conceptos, tales como la longitud de onda y la frecuencia, sobre la base de la estructura y función de las olas. Según ese modelo, las ondas de luz vienen en muchos tamaños. El tamaño de una onda se mide como su longitud de onda, que es la distancia entre dos puntos correspondientes en oleadas sucesivas, por lo general pico a pico o abrevadero a valle. Las longitudes de onda de la luz podemos ver intervalo de 400 a 700 nanómetros (o mil millonésimas de metro). Pero toda la gama de longitudes de onda incluido en la definición de electromagnético radiación se extiende desde 0,1 nanómetros, como en rayos gamma, a centímetros y metros, como en radio olas.

Las ondas de luz también vienen en muchas frecuencias. los frecuencia es el número de ondas que pasan por un punto en el espacio durante cualquier intervalo de tiempo, generalmente un segundo. Lo medimos en unidades de ciclos (ondas) por segundo, o hertz. La frecuencia de la luz visible se conoce como color, y oscila entre 430 hertz trillón, visto como el rojo, a 750 trillón hertz, visto como violeta. Una vez más, la gama completa de frecuencias se extiende más allá de la parte visible, de menos de 3 millones de hercios, como en ondas de radio, a más de 3 billones de billones de hertz (3 x 1019), Como en rayos gamma.

La cantidad de energía en una onda de luz está proporcionalmente relacionado con su frecuencia: luz de alta frecuencia tiene una alta luz de baja frecuencia energética tiene bajo consumo de energía. Por lo tanto, los rayos gamma tienen la mayor cantidad de energía (parte de lo que los hace tan peligrosos para los seres humanos), y las ondas de radio tienen la menor. De la luz visible, violeta tiene la mayor cantidad de energía y rojo lo menos. Toda la gama de frecuencias y energías, que se muestra en la figura adjunta, se conoce como el espectro electromagnético. Tenga en cuenta que la figura no está dibujada a escala y que la luz visible ocupa sólo una milésima de un por ciento del espectro.

Este podría ser el final de la discusión, excepto que Albert Einstein no podía dejar de exceso de velocidad ondas de luz mienten. Su trabajo en el siglo 20 resucitado la vieja idea de que la luz, sólo tal vez, era una partícula después de todo.

granja de paneles solares en el desierto

Los paneles solares aprovechan el efecto fotoeléctrico para alimentar nuestros hogares y negocios.

La luz como partículas

Tratamiento teórico de Maxwell del electromagnética radiación, incluyendo su descripción de las ondas de luz, era tan elegante y predictivo que muchos físicos en la década de 1890 pensaban que no había nada más que decir acerca de la luz y la forma en que trabajaban. Luego, el 14 de diciembre de 1900, Max Planck llegó y presentó una impresionante y simple, pero extrañamente inquietante, concepto: que la luz debe llevar la energía en cantidades discretas. Esas cantidades, propuso, deben ser unidades de la energía básica de la subasta, hf, donde marido es una constante universal ahora se conoce como constante de Planck y F es la frecuencia de la radiación.

Albert Einstein avanzó la teoría de Planck en 1905 cuando estudió la efecto fotoeléctrico. En primer lugar, comenzó por el resplandor luz ultravioleta en la superficie de un metal. Cuando lo hizo, fue capaz de detectar electrones siendo emitidos desde la superficie. Esta fue la explicación de Einstein: Si la energía de la luz viene en paquetes, a continuación, se puede pensar en la luz como que contiene pequeñas masas, o fotones. Cuando estos fotones golpean una superficie de metal, actúan como bolas de billar, transfiriendo su energía a los electrones, que se convierten desalojada de sus átomos "padre". Una vez liberado, los electrones se mueven a lo largo del metal o consiguen expulsados ​​de la superficie.

La teoría corpuscular de la luz había vuelto - con una venganza. A continuación, Niels Bohr aplicó las ideas de Planck para refinar el modelo de un átomo. Científicos anteriores habían demostrado que los átomos consisten de núcleos con carga positiva rodeado de electrones que orbitan como planetas, pero no podían explicar por qué los electrones no se limitaron a una espiral en el núcleo. En 1913, Bohr propuso que existen electrones en órbitas discretas en función de su energía. Cuando un electrón salta de una órbita a una órbita más baja, emite energía en forma de un fotón.

La teoría cuántica de la luz - la idea de que la luz existe paquetes tan pequeños, o partículas, llamadas fotones - poco a poco comenzó a surgir. Nuestra comprensión del mundo físico ya no sería la misma.

Dualidad onda-partícula

Al principio, los físicos eran reacios a aceptar la naturaleza dual de la luz. Después de todo, muchos de nosotros los seres humanos les gusta tener una respuesta correcta. Pero Einstein allanado el camino en 1905 al adoptar dualidad onda-partícula. Ya hemos discutido el efecto fotoeléctrico, lo que llevó a Einstein para describir la luz como un fotón. Más tarde ese año, sin embargo, añadió una vuelta de tuerca a la historia en un documento de introducción relatividad especial. En este trabajo, Einstein trató la luz como un campo continuo de las olas - una aparente contradicción con su descripción de la luz como una corriente de partículas. Sin embargo, eso era parte de su genio. De buena gana aceptó la extraña naturaleza de la luz y eligió lo mejor atributo abordó el problema que estaba tratando de resolver.

Hoy en día, los físicos aceptan la doble naturaleza de la luz. En este punto de vista moderno, definen la luz como una colección de uno o más fotones que se propagan a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas. Esta definición, que combina la onda y partícula naturaleza de la luz, permite repensar el experimento de la doble rendija de Thomas Young de esta manera: La luz viaja lejos de una fuente como una onda electromagnética. Cuando se encuentra con las hendiduras, que pasa a través y se divide en dos frentes de onda. Estos frentes de onda se superponen y se acercan a la pantalla. En el momento del impacto, sin embargo, todo el campo de la onda desaparece y aparece un fotón. Los físicos cuánticos describen a menudo esto diciendo la onda "colapsos" spread de salida a un pequeño punto.

Del mismo modo, los fotones hacen posible que podamos ver el mundo que nos rodea. En la oscuridad total, nuestros ojos son realmente capaces de detectar fotones individuales, pero en general lo que vemos en nuestra vida cotidiana nos llega en forma de millones y millones de fotones producidos por fuentes de luz y se reflejan en los objetos. Si miras a tu alrededor en este momento, es probable que haya una fuente de luz en los fotones produciendo habitaciones y objetos de la habitación que reflejan esos fotones. Sus ojos absorben algunos de los fotones que fluyen a través de la habitación, y así es como se ve.

Pero espera. ¿Qué hace que una fuente de luz producen fotones? Vamos a llegar a eso. Próximo.

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La producción de un fotón

Hay muchas maneras diferentes para producir fotones, pero todos ellos utilizan el mismo mecanismo dentro de un átomo para hacerlo. Este mecanismo implica la excitación de electrones en órbita alrededor del núcleo de cada átomo. Cómo la radiación Obras Nucleares describe los protones, neutrones y electrones con algún detalle. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen un electrón en órbita alrededor del núcleo. Los átomos de helio tienen dos electrones que orbitan alrededor del núcleo. Átomos de aluminio tienen 13 electrones giran alrededor del núcleo. Cada átomo tiene un número preferido de electrones zumbando alrededor de su núcleo.

Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas fijas - una forma simplificada de pensar en ello es imaginar cómo satélites orbitar la Tierra. Hay una enorme cantidad de la teoría en torno orbitales de electrones, pero para entender la luz sólo hay un hecho clave para comprender: Un electrón tiene una órbita natural que ocupa, pero si energizar un átomo, puede mover sus electrones orbitales superiores. Un fotón se produce siempre que un electrón en una órbita más alta de lo normal cae de nuevo a su órbita normal. Durante el otoño de alta energía a la energía normal, el electrón emite un fotón - un paquete de energía - con características muy específicas. El fotón tiene una frecuencia, o el color, que coincide exactamente con la distancia del electrón cae.

Usted puede ver este fenómeno con toda claridad en las lámparas de descarga de gas. Las lámparas fluorescentes, letreros de neón y las lámparas de vapor de sodio son ejemplos comunes de este tipo de iluminación eléctrica, que pasa una corriente eléctrica a través de un gas para que el gas emiten luz. Los colores de las lámparas de descarga de gas varían ampliamente dependiendo de la identidad del gas y la construcción de la lámpara.

Por ejemplo, a lo largo de las carreteras y en los estacionamientos, que suelen aparecer las luces de vapor de sodio. Se puede decir que una luz de vapor de sodio porque es realmente amarillo cuando se mire. Una luz de vapor de sodio da energía a los átomos de sodio para generar fotones. Un átomo de sodio tiene 11 electrones, y debido a la forma en que están apiladas en los orbitales es más probable que aceptar y emiten energía de uno de esos electrones. Los paquetes de energía que es más probable que emiten este electrón caen a la vuelta de una longitud de onda de 590 nanómetros. Esta longitud de onda corresponde a la luz amarilla. Si ejecuta la luz de sodio a través de un prisma, que no se ve un arco iris - se ve un par de líneas amarillas.

luciérnaga

¿Qué más piensa usted de cuando se piensa en la bioluminiscencia? Nuestro amigo el luciérnaga por supuesto. Aquí Photinus pyralis posando en una planta de soja.

Bioluminiscencia: ¿Cómo Organismos Luz Cosas Hasta

Otra forma de hacer fotones, conocidos como quimioluminiscencia, implica reacciones químicas. Cuando estas reacciones se producen en los organismos vivos, como bacterias, luciérnagas, calamares y peces de aguas profundas, el proceso se conoce como bioluminiscencia. Se requieren al menos dos productos químicos para hacer la luz. Los químicos utilizan el término genérico luciferina para describir la producción de la luz. Ellos utilizan el término luciferasa para describir la enzima que impulsa, o cataliza la reacción.

La reacción básica sigue una secuencia sencilla. En primer lugar, la luciferasa cataliza la oxidación de luciferina. En otras palabras, la luciferina se combina químicamente con el oxígeno para producir oxiluciferina. La reacción también produce luz, por lo general en la región azul o verde del espectro. A veces, la luciferina se une con una proteína catalizador y oxígeno en una gran estructura conocida como una fotoproteína. Cuando un ion - típicamente de calcio - se añade a la fotoproteína, se oxida la luciferina, resultando en oxiluciferina luz e inactivo.

En los organismos marinos, la luz azul producida por bioluminiscencia es más útil porque la longitud de onda de la luz, alrededor de 470 nanómetros, transmite mucho más lejos en agua. Además, la mayoría de los organismos no tienen pigmentos en sus órganos visuales que les permiten ver más largo (amarillo, rojo) o más cortos (añil, ultravioleta) longitudes de onda. Una excepción puede ser encontrado en la familia Malacosteid de los peces, también conocido como loosejaws. Estos animales pueden producir tanto la luz roja y detectarlo cuando otros organismos no pueden.

¿Quieres saber más sobre cómo y por qué los seres vivos hacen que la luz? Revisa Cómo Bioluminiscencia Obras para una inmersión profunda.

Vamos a calentar las cosas junto con incandescencia.

un montón de bombillas

Un muestrario de bombillas, algunas de las cuales son más eficientes que otros

Incandescencia: Creación de la luz con calor


Probablemente, la forma más común para energizar átomos es con el calor, y esto es la base de incandescencia. Si se calienta hasta una herradura con un soplete, con el tiempo llegar al rojo vivo, y si usted disfrutar de su interior incendiario y calentar aún más, se pone al rojo vivo. El rojo es el de luz visible más bajo consumo de energía, por lo que en un objeto al rojo vivo los átomos se acaba recibiendo suficiente energía para comenzar de emisión de luz que podemos ver. Una vez aplicado el calor suficiente para causar la luz blanca, que está energizando tantos electrones diferentes en muchas maneras diferentes que todos los colores se están generando - todos ellos mezcla juntos para mirar blanco.

El calor es la forma más común que vemos la luz que se genera - una bombilla incandescente normal de 75 vatios es la generación de la luz mediante el uso de electricidad para crear calor. La electricidad corre a través de un filamento de tungsteno alojado dentro de una esfera de cristal. Debido a que el filamento es tan delgada, que ofrece un buen poco de resistencia a la electricidad, y esta resistencia se convierte la energía eléctrica en calor. El calor es suficiente para que el filamento resplandor rojo vivo. Desafortunadamente, esto no es muy eficiente. La mayor parte de la energía que se dedica a una bombilla incandescente se pierde en forma de calor. De hecho, una bombilla típica produce quizás 15 lúmenes por vatio de potencia de entrada en comparación con una bombilla fluorescente, que produce entre 50 y 100 lúmenes por vatio.

Combustion ofrece otra manera de producir fotones. Combustión ocurre cuando una sustancia - el combustible - combina rápidamente con el oxígeno, produciendo calor y la luz. Si estudias una fogata o incluso una llama de la vela con cuidado, te darás cuenta de un pequeño espacio sin color entre la madera o la mecha y las llamas. En este vacío, los gases están creciendo y consiguiendo calentar. Cuando finalmente se calientan lo suficiente, los gases se combinan con el oxígeno y son capaces de emitir luz. La llama, entonces, no es más que una mezcla de reacción de los gases que emite visible, infrarroja y un poco de luz ultravioleta.

Lo siguiente que vamos a arrojar luz sobre los láseres.

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Una ilustración de un láser

Láseres

Una aplicación interesante de la naturaleza cuántica de la luz es el láser. Usted puede obtener toda la historia de los láseres en Cómo láseres Trabajo, pero vamos a cubrir algunos de los conceptos clave aquí. Láser es un acrónimo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación", que es una forma de lengüeta atar para describir la luz en la que los fotones están todos en la misma longitud de onda y tienen sus crestas y valles en fase. El físico Theodore H. Maiman Investigación desarrollada láser primer trabajo en el mundo, el láser de rubí, en 1960. El láser de rubí contenía un cristal de rubí, un tubo de flash de cuarzo, espejos que reflejan y una fuente de alimentación.

Repasemos cómo Maiman utilizó estos componentes para crear la luz láser, a partir de las características de rubí. Ruby es un cristal de óxido de aluminio en la que algunos de los átomos de aluminio han sido reemplazados con átomos de cromo. El cromo da rubí su característico color rojo mediante la absorción de la luz verde y azul y que emite o refleja sólo la luz roja. Por supuesto, Maiman no podía utilizar un rubí en su estado cristalino natural. En primer lugar, tuvo que formar el cristal de rubí en forma de cilindro. A continuación, se envolvió en una lámpara de cuarzo de alta intensidad alrededor del cilindro de rubí para proporcionar un destello de luz blanca. Las longitudes de onda verde y azul en el flash de electrones excitados en los átomos de cromo a un nivel de energía más alto. A medida que estos electrones vuelven a su estado normal, emitieron su característica luz de color rojo rubí.

Aquí es donde se puso interesante. Maiman colocó una totalmente reflejando espejo en un extremo del cristal y un espejo parcialmente reflectante en el otro. Los espejos reflejan algunos de los fotones roja de longitud de onda de ida y vuelta en el interior del cristal de rubí. Esto, a su vez, estimula a otros átomos de cromo emocionado de producir más fotones, hasta que una avalancha de fotones precisamente alineados rebotó hacia atrás y adelante en el láser. En cada rebote, algunos de los fotones escaparon, lo que permitió a los observadores perciben la propia viga.

Hoy en día, los científicos hacen láseres de diferentes materiales. Algunos, como el láser de rubí, emiten pulsos cortos de luz. Otros, como los láseres de gas helio-neón o láseres de colorante líquido, emiten un haz continuo de luz.

Nos dirigimos en algún lugar sobre el arco iris el siguiente.

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La luz blanca es una mezcla de colores.

Hacer Colores

La luz visible es la luz que el ojo humano puede percibir. Cuando nos fijamos en la luz visible del sol, que parece ser incolora, que llamamos blanco. Aunque podemos ver esta luz, el blanco no se considera parte del espectro visible. Eso es porque la luz blanca no es la luz de un solo color, sino muchos colores.

Cuando la luz del sol pasa a través de un vaso de agua a la tierra en una pared, vemos un arco iris en la pared. Esto no sucede a menos luz blanca era una mezcla de todos los colores del espectro visible. Isaac Newton fue la primera persona para demostrar esto. Newton pasó la luz solar a través de un prisma de cristal para separar los colores en un arco iris espectro. Luego pasó la luz solar a través de un segundo prisma de cristal y combina los dos arco iris. La combinación produce luz blanca. Su sencillo experimento demostró de manera concluyente que la luz blanca es una mezcla de colores.

Usted puede hacer un experimento similar con tres linternas y tres colores diferentes de celofán - rojo, verde y azul (comúnmente conocido como RGB). Cubra un solo linterna con una o dos capas de celofán rojo y apriete el celofán con una banda elástica (no usar demasiadas capas o te bloquea la luz de la linterna). Cubra otra linterna con celofán azul y una tercera linterna con celofán verde. Entrar en una habitación oscura, gire las linternas y brilla contra una pared para que los haces se superponen, como se muestra en la figura. Dónde rojo y azul se superponen luz, verá magenta. Dónde rojo y verde solapamiento luz, verá amarillo. Dónde verde y azul claro solapamiento, verá cian. Te darás cuenta de que la luz blanca se puede hacer por varias combinaciones, tales como amarillo con azul, magenta con verde, cian con rojo, y mezclando todos los colores juntos.

Mediante la adición de varias combinaciones de estos denominados colores aditivos - rojo, verde y azul - se puede hacer todos los colores del espectro visible. Así es como monitores de ordenador (Monitores RGB) generan colores.

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Los pigmentos se crearon mediante la modificación de que se absorben los colores.

Pigmentos y absorción

Otra forma de hacer que los colores es absorber algunas de las frecuencias de la luz, y así sacarlos de la combinación de luz blanca. Los colores absorbidos son los que no se ve - se ven sólo los colores que vienen rebotando de nuevo a su ojo. Esto se conoce como color sustractivo, y es lo que sucede con las pinturas y tintes. La pintura o tinte moléculas absorben frecuencias específicas y rebotan, reflejan, otras frecuencias a su ojo. La frecuencia reflejada (o frecuencias) son lo que se ve como el color del objeto. Por ejemplo, las hojas de verde plantas contienen un pigmento llamado clorofila, que absorbe los colores azul y rojo del espectro y refleja el verde.

Usted puede explicar la absorción en términos de la estructura atómica. La frecuencia de la onda de la luz entrante está en o cerca de la frecuencia de vibración de los electrones en el material. Los electrones absorben la energía de la onda de luz y empieza a vibrar. Lo que sucede después depende de la fuerza con la átomos aferrarse a sus electrones. La absorción se produce cuando los electrones se llevan a cabo con fuerza, y que pasan a lo largo de las vibraciones a los núcleos de los átomos. Esto hace que los átomos aceleran, chocan con otros átomos en el material, y luego renunciar en forma de calor la energía que adquieren de las vibraciones.

La absorción de la luz hace un objeto oscuro u opaco a la frecuencia de la onda entrante. La madera es opaco a la luz visible. Algunos materiales son opacos a algunas frecuencias de luz, pero transparente para los demás. El vidrio es opaco a la luz ultravioleta, pero transparente a la luz visible.

Origen de la Luz

Los científicos hoy en día aceptan la existencia de fotones y su comportamiento onda-partícula extraña. Lo que aún debaten es el lado más existencial de cosas, tales como el que la luz vino de en el primer lugar. Para responder a esta pregunta, los físicos dirigen su atención a la gran explosión y los pocos momentos que siguieron.

Usted puede recordar que el big bang es el caso de parto que dio origen al universo. Puedes leer más en Cómo el Big Bang Theory Obras, pero va a ser útil para recordarle lo básico aquí. Hace unos 15 millones de años, toda la materia y la energía fueron embotellados en una pequeña región conocida como singularidad. En un instante, el único punto de material súper densa comenzó a expandirse a un ritmo increíblemente rápido. A medida que el universo se expandió recién nacido, comenzó a enfriarse y se vuelven menos densos. Esto permitió que las partículas más estables y fotones para formar.

Esto es lo que pudo haber sucedido:

  1. Inmediatamente después del Big Bang, el electromagnetismo no existía como una fuerza independiente. En su lugar, se unió a la fuerza nuclear débil.
  2. Las partículas conocidas como B y W bosones también existieron en este momento.
  3. Cuando el universo tenía sólo 0,00000000001 segundos de edad, se había enfriado lo suficiente para el electromagnetismo para romper por la fuerza nuclear débil y para el B y bosones W para combinar en fotones. Los fotones se mezclaban libremente con los quarks, los bloques de construcción más pequeños de la materia.
  4. Cuando el universo era 0,00001 segundos de edad, los quarks se combinan para formar protones y neutrones.
  5. Cuando el universo era 0.01 segundos de edad, protones y neutrones comenzaron a organizarse en átomos.
  6. Por último, cuando el universo tenía la tierna edad de 380.000 años de edad, los fotones se liberaron, y la luz se transmiten a través de los abismos oscuros de espacio.

Esta luz finalmente atenuada y enrojeció hasta que, finalmente, los hornos nucleares de estrellas patadas en y comenzaron a generar una nueva luz. Nuestro sol encendido hace unos 4,6 millones de años, la ducha del sistema solar con fotones. Esos fotones han estado fluyendo a nuestro planeta azul humilde desde entonces. Algunos cayeron sobre los ojos de los grandes pensadores - Newton, Huygens, Einstein -- y provocó que se detuvieran, pensar e imaginar.

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