Светлината — вълна и лъч

Една скала за всички електромагнитни вълни

c = λ · ν и ν = 1 : T. Във вакуум скоростта c е около 300 000 km/s за всички електромагнитни вълни — от радиовълните до гама лъчите.

Подредени по дължина на вълната, от най-късата, диапазоните са: гама лъчи, рентгенови лъчи, ултравиолетови лъчи, видима светлина, инфрачервени лъчи, микровълни и радиовълни. Границите между тях са училищна уговорка — в природата те не са резки.

Микровълновата фурна работи с вълни, дълги около 12 cm (честота 2,45 GHz). Радиото ползва вълни около 3 m. Видимата светлина е тесен „прозорец“ от 380 до 750 nm: оранжева светлина 600 nm има честота около 500 THz, а при двойно по-голяма честота дължината става 300 nm — ултравиолетова, невидима за очите.

Звукът не е електромагнитна вълна. Той има нужда от въздух или друга среда и във вакуум не стига. Светлината от Слънцето стига до нас за 8 min 19 s, а радиовълните, рентгеновите и гама лъчите — за същото време.

Лъч и сянка

Когато предметите са сантиметри, а дължината на вълната е под един микрометър, светлината върви по прави линии. Сянката от точков източник е h · b : a. По-голям източник дава по-малка пълна сянка и по-широка полусянка; при достатъчно голям източник пълната сянка изчезва. Никога не гледай Слънцето директно, дори при затъмнение.

Кога светлината е вълна

Широк отвор (5 mm) дава петно колкото отвора. Стесниш ли го до 1 mm, петното се размазва. При 0,1 mm то е около 10 mm — много по-широко от отвора. Това е дифракция: когато отворът е съпоставим с дължината на вълната, светлината се разлива. По-тесен отвор значи по-широко петно.

Принципът на Хюйгенс: всяка точка на отвора е източник на кръгова вълничка, а новият фронт е обвивката им.

Два процепа и решетка

Светла ивица: Δr = m · λ. Тъмна ивица: Δr = (m + ½) · λ. Δr е разликата в пътищата от двата процепа до точката на екрана.

Светлина плюс светлина може да даде тъмнина. При 500 nm едно място е светло, а при 600 nm — тъмно. Срещу стената между процепите разликата е нула и там е светло при всеки цвят. Затвориш ли единия процеп, тъмното място светва.

Решетката има много процепи на равни разстояния. Ярките ивици остават на същите места, но стават по-тесни и по-ярки. Бялата светлина се разлага в спектър, а червеното се отклонява най-много.

Лазерите са опасни. Опитите с два процепа и решетка у дома или в клас се правят само с лазерна показалка клас 2 (до 1 mW) и под надзор. Не я насочвай към очи, хора, превозни средства или самолети.

От една среда в друга

n = c : u, α₁′ = α₁, n₁ · sin α₁ = n₂ · sin α₂.

В среда светлината е по-бавна. Честотата не се променя, затова цветът остава същият; променя се дължината на вълната: λ′ = λ : n. Оранжева светлина 600 nm във вода е около 450 nm, но пак е оранжева.

При влизане в среда с по-голям показател лъчът се приближава към нормалата. При излизане се отдалечава. Над граничния ъгъл (sin α = n₂ : n₁; 48,6° за вода към въздух) лъчът не излиза и се отразява изцяло — така работи оптичното влакно.

В стъклото синьото и виолетовото се пречупват повече от червеното: това е дисперсия. Решетката прави обратното — отклонява червеното най-много.

Какво опростихме

Границите на диапазоните са условни. В „Скалата“ всички вълни са във вакуум. Дисперсия показваме само за стъклото. Яркостта на частично отразения лъч е украса. Двата процепа се осветяват от един източник. Полетата в „Скалата“ са рисунка, не измерване.