Lumina Optica fenomenologică

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Dimension: px
Commencer à balayer dès la page:

Download "Lumina Optica fenomenologică"

Transcription

1

2 Lumina Optica fenomenologică Nicolae Sfetcu Publicat de Nicolae Sfetcu Copyright 2018 Nicolae Sfetcu (Răsărit de Soare deasupra muntelui Fuji, Japonia)

3 Lumina este o radiație electromagnetică într-o anumită porțiune a spectrului electromagnetic. Cuvântul se referă, de obicei, la lumina vizibilă, care este vizibilă pentru ochiul uman și care este responsabilă de simțul vederii. Luminile vizibile sunt de obicei definite ca având lungimi de undă cuprinse între nanometri (nm) sau între 4, și 7, m, între infraroșu (cu lungimi de undă mai lungi) și ultraviolete (cu lungimi de undă mai scurte). Această lungime de undă înseamnă o gamă de frecvențe de aproximativ terahertz (THz). Principala sursă de lumină de pe Pământ este Soarele. Lumina soarelui furnizează energia pe care plantele verzi o folosesc pentru a crea zaharuri în cea mai mare parte sub formă de amidon, care eliberează energia în ființele vii. Acest proces de fotosinteză furnizează practic toată energia folosită de ființele vii. Din punct de vedere istoric, o altă sursă importantă de lumină pentru oameni a fost focul, de la focuri de tabără antice la lămpile moderne de kerosen. Odată cu dezvoltarea iluminării electrice și a sistemelor energetice, iluminatul electric a înlocuit efectiv focul. Unele specii de animale generează lumină proprie, un proces numit bioluminescență. De exemplu, licuricii utilizează lumină pentru a se localiza între ei, iar calmarul vampir o folosește pentru a se ascunde de pradă. Proprietățile luminii Proprietățile principale ale luminii vizibile sunt intensitatea, direcția de propagare, frecvența sau spectrul lungimii de undă și polarizarea, în timp ce viteza în vid, de metri pe secundă, este una dintre constantele fundamentale ale naturii. Lumina vizibilă, la fel ca în cazul tuturor tipurilor de radiații electromagnetice, s-a determinat experimental că are întotdeauna această viteză în vid. În fizică, termenul de lumină se referă uneori la radiația electromagnetică a oricărei lungimi de undă, fie ea vizibilă sau nu. În acest sens, razele gamma, razele X, microundele și undele radio sunt, de asemenea, lumină. Nu există limite reale între un interval de lungimi de undă și altul. 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. Această

4 proprietate este menționată ca dualitatea particulă-undă. Studiul luminii, cunoscut sub numele de optica, este un domeniu important de cercetare în fizica modernă. Când lungimile de undă sunt foarte mici în comparație cu dimensiunile echipamentului disponibil pentru studiul lor și energiile fotonice sunt mici în comparație cu sensibilitatea energetică a echipamentului, studiul se face printr-o aproximare numită optica geometrică. Dacă lungimile de undă sunt comparabile cu dimensiunile echipamentului și dacă energiile fotonice sunt încă neglijabile, aproximarea poate fi făcută studiind comportamentul clasic al undelor, radiațiile electromagnetice. Pentru lungimi de undă foarte scurte și fotonii au o energie foarte mare în comparație cu sensibilitatea echipamentului, se folosește aproximarea fotonică. Unde electromagnetice (Undele electromagnetice care compun radiația electromagnetică pot fi imaginate ca unde oscilante transversal cu auto-propagare ale câmpurilor electrice și magnetice. Această diagramă arată o undă a radiației electromagnetice plană polarizată linear care se propagă de la stânga la dreapta. Câmpul electric este într-un plan vertical și câmpul magnetic întrun plan orizontal. Câmpurile electrice și magnetice din undele radiației electromagnetice sunt întotdeauna în fază și la 90 de grade unul față de celălalt. În fizică, radiația electromagnetică se referă la undele (sau cuanta lor, fotoni) ale câmpului electromagnetic, propagându-se (radiind) prin spațiu-timp, purtând energia radiantă electromagnetică. Radiația electromagnetică este o combinație de câmpuri electrice și magnetice oscilante care se propagă prin spațiu și care transportă energie dintr-un loc în altul. În mod clasic, radiația

5 electromagnetică constă din unde electromagnetice, care sunt oscilații sincrone ale câmpurilor electrice și magnetice care se propagă la viteza luminii printr-un vid. Oscilațiile celor două câmpuri sunt perpendiculare între ele și perpendiculare pe direcția energiei și propagării undelor, formând o undă transversală. Frontalul undelor electromagnetice emise de o sursă punctuală (cum ar fi un bec) este o sferă. Poziția unei unde electromagnetice în spectrul electromagnetic poate fi caracterizată fie de frecvența oscilației, fie de lungimea de undă. Acesta include undele radio, microundele, infraroșu, lumina (vizibilă), ultraviolete, razele X și razele gamma. Studiul teoretic al radiațiilor electromagnetice se numește electrodinamica, un subdomeniu al electromagnetismului. Undele electromagnetice sunt produse ori de câte ori particulele încărcate sunt accelerate, iar aceste unde pot interacționa ulterior cu alte particule încărcate. Când orice fir (sau un alt obiect conductor precum o antenă) conduce curentul alternativ, radiația electromagnetică este propagată cu aceeași frecvență ca și curentul electric. În funcție de circumstanțe, se poate comporta ca undă sau ca particulă. Ca undă, aceasta este caracterizată printr-o viteză (viteza luminii), lungime de undă, și frecvență. Atunci când se consideră particulele, acestea sunt cunoscute sub numele de fotoni, și fiecare are o energie legată de frecvența undei dată de relația lui Planck. În general, radiația electromagnetică este clasificată în funcție de lungimea de undă în radio, microunde, lumina infraroșie, lumina vizibilă, lumina ultravioletă, raze X și raze gamma. Radiațiile în vid se deplasează mereu cu viteza luminii, în raport cu observatorul, indiferent de viteza observatorului. (Această observație a condus la dezvoltarea lui Albert Einstein a teoriei relativității speciale). Efectul radiațiilor depinde de cantitatea de energie transportată per cuantă. Energiile mari corespund frecvențelor înalte și lungimilor de undă scurte, și vice-versa. Efectele radiațiilor asupra compușilor chimici și a organismelor biologice depind atât de puterea radiației, cât și de frecvența acesteia. Radiația electromagnetică la frecvențe vizibile sau mai joase (adică lumină vizibilă, infraroșu, microunde și unde radio) se numește radiație neionizantă, deoarece fotonii nu au suficientă energie individuală pentru a ioniza atomii sau moleculele. Efectele acestor radiații asupra sistemelor chimice și a

6 țesuturilor vii sunt cauzate în primul rând de efectele de încălzire ale transferului de energie combinat al multor fotoni. În schimb, radiațiile ultraviolete, razele X și razele gama sunt denumite radiații ionizante, deoarece fotonii individuali la o astfel de frecvență înaltă au suficientă energie pentru a ioniza moleculele sau pentru a rupe legăturile chimice. Aceste radiații au capacitatea de a provoca reacții chimice și de a deteriora celulele vii dincolo de cele care rezultă din încălzirea simplă și pot constitui un pericol pentru sănătate. Multe informații despre proprietățile fizice ale unui obiect pot fi obținute de la spectrul său electromagnetic. Acest lucru poate fi spectrul luminii fie emise, fie transmisă spre obiect. Acest aspect implică spectroscopia, care este utilizată pe scară largă în astrofizică. De exemplu; mulți atomi de hidrogen emit unde radio, care au o lungime de undă de 21,12 cm. Când radiația electromagnetică trece printr-un conductor induce un flux de curent electric în conductor. Acest efect este folosit în antene. Radiațiile electromagnetice pot provoca, de asemenea, anumite molecule să oscileze și, astfel, să se încălzească. Acest lucru este exploatat în cuptorul cu microunde. Viteza undelor electromagnetice

7 (Razele solare au nevoie de aproximativ 8 minute și 17 secunde pentru a traversa distanța medie de la suprafața Soarelui la Pământ.) Orice sarcină electrică care accelerează sau orice câmp magnetic în schimbare produce radiații electromagnetice. Informațiile electromagnetice despre sarcină se deplasează cu viteza luminii. Precizia tratamentului încorporează astfel un concept cunoscut ca timp întârziat, care se adaugă expresiilor câmpului electric și câmpului magnetic electrodinamic. Acești termeni suplimentari sunt responsabili pentru radiațiile electromagnetice. Atunci când orice fir (sau alt obiect conducător, cum ar fi o antenă) produce curent alternativ, radiația electromagnetică este propagată la aceeași frecvență ca și curentul. În multe astfel de situații este posibil să se identifice un moment dipol electric care rezultă din separarea sarcinilor datorită potențialului electric excitant, iar acest moment dipol oscilează în timp, pe măsură ce sarcinile se mișcă înainte și înapoi. Această oscilație la o anumită frecvență dă naștere la schimbarea câmpurilor electrice și magnetice, care apoi determină radiația electromagnetică în mișcare.

8 La nivelul cuantic, radiația electromagnetică este produsă atunci când pachetul de unde al unei particule încărcate oscilează sau accelerează în alt mod. Particulele încărcate într-o stare staționară nu se mișcă, însă o suprapunere a unor astfel de stări poate duce la o stare de tranziție care are un moment dipol electric care oscilează în timp. Acest moment dipol oscilant este responsabil pentru fenomenul tranziției radiative între stările cuantice ale unei particule încărcate. Astfel de stări apar (de exemplu) în atomi atunci când fotonii sunt radiați pe măsură ce atomul se schimbă de la o stare staționară la alta. Ca undă, lumina este caracterizată de o viteză (viteza luminii), lungimea de undă și frecvența. Ca particulă, lumina este un flux de fotoni. Fiecare are o energie legată de frecvența undelor date de relația lui Planck E = hf, unde E este energia fotonului, h = 6, J s este constanta lui Planck și f este frecvența undelor. O regulă este respectată indiferent de circumstanțe: radiația electromagnetică în vid se deplasează la viteza luminii, în raport cu observatorul, indiferent de viteza observatorului. (Această observație a dus la dezvoltarea de către Einstein a teoriei relativității speciale.) Într-un mediu (altul decât vid), factorul de viteză sau indicele de refracție sunt luate în considerare, în funcție de frecvență și de aplicație. Ambele sunt raporturi ale vitezei într-un mediu la viteza în vid. Viteza luminii Viteza luminii în vid, notată în mod obișnuit c, este o constantă fizică universală importantă în multe domenii ale fizicii. Valoarea sa exactă este de metri pe secundă (aproximativ 3, m/s sau km/s). Este exactă deoarece unitatea de lungime, metru, este definită de această constantă și de standardul internațional pentru timp. Conform relativității speciale, c este viteza maximă la care toate materialele convenționale și, prin urmare, toate formele cunoscute de informații din univers pot călători. Deși această viteză este cel mai frecvent asociată cu lumina, este de fapt viteza cu care toate particulele fără masă și schimbările câmpurilor asociate se deplasează în vid (inclusiv radiația electromagnetică și undele gravitaționale).

9 Astfel de particule și unde se deplasează cu c, indiferent de mișcarea sursei sau de cadrul de referință inerțial al observatorului. În teoria relativității, c interconectează spațiul și timpul și, de asemenea, apare în faimoasa ecuație de echivalență energetică în masă E = mc 2. Viteza la care lumina se propagă prin materiale transparente, cum ar fi sticla sau aerul, este mai mică decât c; în mod similar, viteza undelor electromagnetice în cablurile de sârmă este mai lentă decât c. Raportul dintre c și viteza v la care lumina se deplasează într-un material se numește indicele de refracție n al materialului (n = c/v). De exemplu, pentru lumina vizibilă, indicele de refracție al sticlei este în mod obișnuit de aproximativ 1,5, ceea ce înseamnă că lumina în sticlă se deplasează la c/1,5 200,000 km/s; indicele de refracție al aerului pentru lumina vizibilă este de aproximativ , astfel încât viteza luminii în aer este de aproximativ km/s (cu circa 90 km/s mai mică decât c). În multe scopuri practice, undele luminoase și alte unde electromagnetice se vor propaga instantaneu, dar pentru distanțe lungi și măsurători foarte sensibile, viteza lor finită are efecte vizibile. În comunicarea cu sonde spațioase îndepărtate, poate dura câteva minute până la ore pentru ca un mesaj să ajungă de la Pământ la nava spațială sau invers. Lumina văzută de la stele a fost emisă cu mulți ani în urmă, permițând studiul istoriei universului, uitându-ne la obiecte îndepărtate. Viteza finită a luminii limitează, de asemenea, viteza teoretică maximă a calculatoarelor, deoarece informațiile trebuie trimise în interiorul computerului de la cip la cip. Viteza luminii poate fi utilizată cu măsurătorile timpului de zbor pentru a măsura distanțele mari la o mare precizie. Ole Rømer a demonstrat pentru prima dată în 1676 că lumina călătorește la o viteză finită (nu instantaneu), studiind mișcarea aparentă a lunii lui Jupiter, Io. În 1865, James Clerk Maxwell a propus ca lumina să fie o undă electromagnetică și, prin urmare, se deplasează la viteza c care apare în teoria sa de electromagnetism. În 1905, Albert Einstein a afirmat că viteza luminii c în raport cu orice cadru inerțial este o constantă și este independentă de mișcarea sursei de lumină. El a explorat consecințele acestui postulat derivând teoria relativității și făcând astfel să demonstreze că parametrul c are relevanță în afara contextului luminii și electromagnetismului.

10 După secole de măsurători din ce în ce mai precise, în 1975 viteza luminii era cunoscută ca fiind m/s, cu o incertitudine de măsurare de 4 părți per miliard. În 1983, metrul a fost redefinit în Sistemul Internațional de Unități (SI) ca distanța parcursă de lumină în vid în 1/ din o secundă. Ca rezultat, valoarea numerică a lui c în metri pe secundă este fixată exact prin definiția metrului. Spectrul electromagnetic

11 (O diagramă a spectrului electromagnetic, care prezintă diferite proprietăți în întreaga gamă de frecvențe și lungimi de undă.

12 Spectrul electromagnetic este domeniul de frecvențe (spectrul) radiației electromagnetice și a lungimilor de undă respective și a energiilor fotonice. Spectrul electromagnetic acoperă undele electromagnetice cu frecvențe variind de la mai puțin de un hertz la peste hertzi, corespunzând lungimilor de undă de la mii de kilometri până la o fracțiune din dimensiunea nucleului atomic. Această gamă de frecvențe este împărțită în benzi separate, iar undele electromagnetice din fiecare bandă de frecvențe sunt numite prin nume diferite; începând cu frecvența joasă (lungimea de undă lungă) a spectrului, acestea sunt: undele radio, microundele, infraroșu, lumina vizibilă, ultravioletele, razele X și razele 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, modul în care acestea 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 de lungime de undă scurtă este în vecinătatea lungimii Planck. Razele gama, razele X și radiațiile ultraviolete sunt clasificate drept radiații ionizante, deoarece fotonii lor au suficientă energie pentru a ioniza atomii, provocând reacții chimice. Expunerea la aceste raze poate fi un pericol pentru sănătate, cauzând boală prin radiații, daune ADN și cancer. Radiația lungimilor de undă ale luminii vizibile și a celor inferioare se numesc radiații neionizante, deoarece acestea nu pot provoca aceste efecte. În majoritatea benzilor de frecvență de mai sus, o tehnică numită spectroscopie poate fi utilizată pentru a separa fizic undele de frecvențe diferite, producând un spectru care prezintă frecvențele constituente. Spectroscopia este folosită pentru a studia interacțiunile undelor electromagnetice cu materia.

13

14 Intervalul spectrului

15 (Spectrul luminii.

16 Undele electromagnetice sunt în mod obișnuit descrise prin oricare dintre următoarele trei proprietăți fizice: frecvența f, lungimea de undă λ sau energia fotonică E. Frecvențele observate în astronomie variază de la 2, Hz (raze gama de 1 GeV) până la frecvența plasmatică locală a mediului interstelar ionizat (~ 1 khz). Lungimea de undă este invers proporțională cu frecvența undei, astfel încât razele gama au lungimi de undă foarte scurte care sunt fracții ale mărimii atomilor, în timp ce lungimile de undă de pe capătul opus al spectrului pot de mărimea universului. Energia fotonică este direct proporțională cu frecvența undei, astfel încât fotonii cu raze gama au cea mai mare energie (aproximativ un miliard de electroni volți), în timp ce fotonii cu unde radio au energie foarte mică (în jurul unui femtoelectronvolt). Aceste relații sunt ilustrate prin următoarele ecuații: f = c/λ sau f = E/h sau E = hc/λ, unde: c = m/s este viteza luminii în vid, h = (33) J s = (10) ev s este constanta lui Planck. Ori de câte ori există unde electromagnetice într-un mediu cu materie, lungimea lor de undă scade. Lungimile de undă ale radiației electromagnetice, indiferent de mediul în care se deplasează, sunt de obicei citate în termeni de lungime de undă în vid, deși acest lucru nu este întotdeauna specificat explicit. În general, radiațiile electromagnetice sunt clasificate prin lungimi de undă în radiații radio, microunde, radiații terahertz (sau submilimetrice), infraroșu, regiunea vizibilă care este percepută ca lumină, ultraviolet, raze X și raze gama. Comportamentul radiației electromagnetice depinde de lungimea de undă. Când radiația electromagnetică interacționează cu atomii și moleculele individuale, comportamentul acesteia depinde și de cantitatea de energie pe o cuantă (foton) pe care îl transportă. Spectroscopia poate detecta o regiune mult mai largă a spectrului electromagnetic decât domeniul vizibil de 400 nm până la 700 nm. Un spectroscop de laborator comun poate detecta lungimi de undă de la 2 nm la 2500 nm. Informații detaliate despre proprietățile fizice ale obiectelor, gazelor sau chiar stelelor pot fi obținute de pe acest tip de dispozitiv.

17 Spectroscoapele sunt utilizate pe scară largă în astrofizică. De exemplu, mulți atomi de hidrogen emit un foton cu unde radio care are o lungime de undă de 21,12 cm. De asemenea, frecvențele de 30 Hz și mai mici pot fi obținute și sunt importante în studiul anumitor nebuloase stelare, iar frecvențele de până la 2,9x10 27 Hz au fost detectate din surse astrofizice. (Spectrul electromagnetic. Argumentare pentru denumirile regionale ale spectrului Radiațiile electromagnetice interacționează cu materia în diferite moduri pe întreg spectrul. Aceste tipuri de interacțiuni sunt atât de diferite încât istoric diferite nume au fost aplicate la diferite părți ale spectrului, ca și cum acestea ar fi diferite tipuri de radiații. Astfel, deși aceste "tipuri diferite" de radiații electromagnetice formează un spectru cantitativ continuu de frecvențe și lungimi de undă, spectrul rămâne împărțit din motive practice legate de aceste diferențe calitative de interacțiune.

18 Interacțiunea radiației electromagnetice cu materia: Regiunea spectrului >>> Principalele interacțiuni cu materia Radio >>> Oscilația colectivă a purtătorilor de sarcină în material (oscilație în plasmă). Un exemplu ar fi călătoriile oscilante ale electronilor dintr-o antenă. Cuptor cu microunde prin infraroșu >>> Oscilația plasmei, rotația moleculară Infraroșu apropiat >>> Vibrații moleculare, oscilații în plasmă (numai în metale) Vizibil >>> Excitație electronică moleculară (inclusiv molecule de pigment găsite în retina umană), oscilații plasmatice (numai în metale) Ultraviolet >>> Excitarea electronilor de valență moleculară și atomică, inclusiv ejectarea electronilor (efect fotoelectric) Razele X >>> Excitare și ejecție a electronilor atomici de bază, împrăștiere Compton (pentru numere atomice scăzute) Raze gama >>> Ejectarea energetică a electronilor de bază în elemente grele, împrăștierea Compton (pentru toate numerele atomice), excitarea nucleelor atomice, inclusiv disocierea nucleelor Razele gama de mare putere >>> Crearea de perechi de particuleantiparticule. La energii foarte înalte un singur foton poate crea o avalanșă de particule de energie înaltă și antiparticule la interacțiunea cu materia. Materiale transparente În ceea ce privește absorbția luminii, considerațiile de material primare includ: La nivel electronic, absorbția în porțiunile ultraviolete și vizibile (UV- Vis) ale spectrului depinde de faptul dacă orbitele electronilor sunt distanțate (sau "cuantificate") astfel încât să poată absorbi o cuantă de lumină (sau foton) de o anumită frecvență și nu încalcă regulile de selecție. De exemplu, la majoritatea ochelarilor, electronii nu au nivele de energie disponibile deasupra lor în raza de lumină vizibilă sau, dacă se întâmplă, ele încalcă regulile de selecție, ceea ce înseamnă că nu există o absorbție apreciabilă în sticlele pure (nedopate), făcându-le

19 materiale transparente ideale pentru ferestre în clădiri. La nivel atomic sau molecular, absorbția fizică în porțiunea infraroșie a spectrului depinde de frecvențele vibrațiilor atomice sau moleculare sau de legăturile chimice și de regulile de selecție. Azotul și oxigenul nu sunt gaze cu efect de seră, deoarece nu există o absorbție deoarece nu există un moment dipol molecular. În ceea ce privește împrăștierea luminii, cel mai important factor este scara de lungime a oricăruia sau a tuturor acestor caracteristici structurale în raport cu lungimea de undă a luminii care este împrăștiată. Considerațiile primare privind materialele includ: Structura cristalină: indiferent dacă atomii sau moleculele prezintă sau nu "ordinea de interval mare" evidențiată în solidele cristaline. Structura sticloasă: centrele de dispersie includ fluctuațiile densității sau compoziției. Microstructura: centrele de dispersie includ suprafețe interne cum ar fi granițele granulelor, defectele cristalografice și porii microscopici. Materiale organice: centrele de împrăștiere includ fibrele și structurile celulare și limitele. Ceramica transparentă Transparența optică a materialelor policristaline este limitată de cantitatea de lumină care este împrăștiată de caracteristicile lor microstructurale. Difuzarea luminii depinde de lungimea de undă a luminii. În consecință, apar limite la scară spațială a vizibilității (folosind lumina albă), în funcție de frecvența undei luminoase și de dimensiunea fizică a centrului de împrăștiere. De exemplu, deoarece lumina vizibilă are o scală de lungime de undă de ordinul unui micrometru, centrele de dispersie vor avea dimensiuni la o scară spațială similară. Centrele de dispersie primară în materiale policristaline includ defecte microstructurale, cum ar fi porii și limitele granulelor. În plus față de pori, majoritatea interfețelor dintr-un obiect metalic sau ceramic obișnuit sunt sub forma granițelor de granule care separă mici regiuni de ordin cristalin. Atunci când mărimea centrului de împrăștiere (sau granița granulelor) este redusă sub dimensiunea lungimii de undă a luminii care este împrăștiată, împrăștierea nu mai are loc în nici o măsură semnificativă.

20 În formarea materialelor policristaline (metale și ceramice) mărimea granulelor cristaline este determinată în mare măsură de mărimea particulelor cristaline prezente în materia primă în timpul formării (sau presării) obiectului. În plus, mărimea granițelor granulelor au aproximativ aceeași scală cu dimensiunea particulelor. Astfel, o reducere a dimensiunii originale a particulelor cu mult sub lungimea de undă a luminii vizibile (aproximativ 1/15 din lungimea de undă a luminii sau aproximativ 600/15 = 40 nanometri) elimină o mare parte din împrăștierea luminii, rezultând un material translucid sau chiar transparent. Modelarea computerizată a transmisiei de lumină prin intermediul aluminei ceramice translucide a arătat că porii microscopici prinși în apropierea granițelor granulelor acționează ca centre primare de dispersie. Fracțiunea de volum a porozității a trebuit să fie redusă sub 1% pentru transmisia optică de înaltă calitate (99,99% din densitatea teoretică). Acest obiectiv a fost rapid realizat și demonstrat amplu în laboratoarele și instalațiile de cercetare la nivel mondial, folosind metodele de procesare chimică emergente, cuprinzând metodele de chimie sol-gel și nanotehnologie.

21 (Translucența unui material utilizat pentru a evidenția structura unui subiect fotografiat. Ceramica transparentă a devenit interesantă pentru aplicațiile sale pentru lasere cu energie înaltă, ferestre transparente pentru armuri, conuri pentru rachete cu ghidaj IR, detectoare de radiații pentru testare nedistructivă, fizica energiilor înalte, explorare spațială, aplicații de securitate și imagistică medicală. Elementele laser mari fabricate din ceramică transparentă pot fi produse la un cost relativ scăzut. Aceste componente nu prezintă stres intern sau birefringență intrinsecă și permit nivele de dopaj relativ mari sau profiluri de dopaj optimizate personalizate. Acest lucru face ca elementele ceramice cu

22 laser să fie deosebit de importante pentru laserele cu consum mare de energie. Dezvoltarea de produse din panouri transparente va avea alte aplicații potențiale avansate, inclusiv materiale rezistente la impact, rezistente la impact, care pot fi utilizate pentru ferestre și luminatoare de uz casnic. Poate că este mai important ca pereții și alte aplicații să aibă o rezistență generală îmbunătățită, în special pentru condițiile de forfecare ridicată, care se regăsesc în expunerile seismice și de vânt. Dacă îmbunătățirile preconizate ale proprietăților mecanice confirmă, limitele tradiționale văzute pe suprafețele de geam din codurile de astăzi ale clădirii ar putea deveni rapid depășite dacă suprafața ferestrei contribuie efectiv la rezistența la forfecare a peretelui. Materialele transparente în infraroșu disponibile în prezent prezintă în mod tipic un compromis între performanța optică, rezistența mecanică și preț. De exemplu, safirul (alumina cristalină) este foarte puternic, dar este costisitor și nu are o transparență completă pe întreaga gamă de infraroșu de 3-5 micrometri. Ytriul este complet transparent de la 3-5 micrometri, dar nu are rezistență suficientă, duritate și rezistență la șoc termic pentru aplicațiile aerospațiale de înaltă performanță. Nu este surprinzător că o combinație a acestor două materiale sub formă de granat de ytriu din aluminiu (YAG) este unul dintre cei mai de seamă performanți din domeniu. Transparența în izolatori Un obiect poate să nu fie transparent fie pentru că reflectă lumina care intră, fie pentru că absoarbe lumina care intră. Aproape toate solidele reflectă o parte și absorb o parte din lumina care intră. Când lumina cade pe un bloc de metal, el întâlnește atomi care sunt împachetați bine într-o rețea obișnuită și o "mare de electroni" care se mișcă aleatoriu între atomi. În metale, cei mai mulți dintre electroni sunt electroni nelegați (sau electroni liberi), spre deosebire de electronii de legătură, care se găsesc în mod tipic în solide ne-metalice (izolate) cu legături covalente sau ionice. Într-o legătură metalică, orice electroni de legătură potențiali pot fi cu ușurință pierduți de atomi într-o structură cristalină. Efectul acestei delocalizări este pur și simplu de a exagera efectul "mării de electroni". Ca

23 urmare a acestor electroni, cea mai mare parte a luminii de intrare din metale este reflectata înapoi, motiv pentru care vedem o suprafață metalică lucioasă. Cele mai multe izolatoare (sau materiale dielectrice) sunt ținute împreună prin legături ionice. Astfel, aceste materiale nu au electroni de conducție liberi, iar electronii de legătură reflectă doar o mică parte din unda incidentă. Frecvențele rămase (sau lungimile de undă) sunt libere să se propage (sau să fie transmise). Această clasă de materiale include toate ceramicele și sticlele. Dacă un material dielectric nu include molecule aditive absorbante de lumină (pigmenți, vopseluri, coloranți), este de obicei transparent pentru spectrul luminii vizibile. Centrele de culoare (sau moleculele colorante sau "dopanții") într-un dielectric absorb o porțiune a luminii care intră. Frecvențele rămase (sau lungimile de undă) sunt libere să fie reflectate sau transmise. Acesta este modul în care se produce sticla colorată. Cele mai multe lichide și soluții apoase sunt foarte transparente. De exemplu, apa, uleiul de gătit, alcoolul, aerul și gazele naturale sunt clare. Absența defectelor structurale (goluri, crăpături etc.) și structura moleculară a majorității lichidelor sunt în principal responsabile de transmisia lor optică excelentă. Abilitatea lichidelor de a "trata" defectele interne prin fluxul vâscos este unul dintre motivele pentru care unele materiale fibroase (de exemplu, hârtie sau țesătură) își sporesc transparența aparentă când sunt umectate. Lichidul umple numeroase goluri, făcând materialul mai omogen din punct de vedere structural. Lipsa de dispersie a luminii într-un solid cristalin (non-metalic) fără defecte care nu oferă centre de dispersie pentru lumina care intră se va datora în primul rând oricărui efect al anarmonicii în cadrul rețelei ordonate. Transmisia de lumină va fi foarte direcționată datorită anizotropiei tipice a substanțelor cristaline, care include grupul lor de simetrie și rețeaua Bravais. De exemplu, cele șapte forme cristaline diferite de silice de cuarț (dioxid de siliciu, SiO2) sunt toate materiale clare, transparente. Camuflaje

24 (Multe animale din mării, precum această meduză Aurelia labiata, sunt în mare măsură transparente.)

25 Multe animale marine care plutesc aproape de suprafață sunt foarte transparente, oferindu-le camuflajul aproape perfect. Cu toate acestea, transparența este dificilă pentru corpurile realizate din materiale care au indici de refracție diferiți de apa de mare. Unele animale marine, cum ar fi meduzele, au corpuri gelatinoase, compuse în principal din apă; mezogulele lor groase sunt acelulare și foarte transparente. Acest lucru le face în mod obișnuit să plutească, dar le face și mari pentru masa musculară, astfel încât acestea nu pot înota rapid, făcând din această formă de camuflaj un compromis costisitor pentru mobilitate. Animalele planctonice gelatinoase sunt transparente între 50 și 90%. O transparență de 50% este suficientă pentru a face un animal invizibil unui prădător cum ar fi codul la o adâncime de 650 de metri; o mai mare transparență este necesară pentru invizibilitatea în apa mai puțin adâncă, unde lumina este mai strălucitoare și prădătorii pot vedea mai bine. De exemplu, un cod poate vedea prada care este transparentă în proporție de 98% în iluminatul optim în apă puțin adâncă. Prin urmare, transparența suficientă pentru camuflaj este realizată mai ușor în apele mai adânci. Din același motiv, transparența în aer este chiar mai greu de realizat, dar un exemplu parțial se găsește la broaștele de sticlă ale pădurii tropicale din America de Sud, care au piele translucidă și membrele verzui palide. Mai multe specii din America Centrală de fluturi (ithomiine) și multe libelule și insecte înrudite au de asemenea aripi care sunt în mare parte transparente, o formă de cripsă care oferă o anumită protecție împotriva prădătorilor. Materiale opace (Opacitatea)

26 (Ferestrele opace de la Turnul și Hotelul Trump International oglindesc orizontul de-a lungul râului Chicago, în centrul orașului Chicago ,_DD_05.jpg) Opacitatea este măsura impenetrabilității la radiații electromagnetice sau alte tipuri de radiații, în special la lumina vizibilă. În cazul transferului radiativ, se descrie absorbția și împrăștierea radiației într-un mediu, cum ar fi plasma, dielectrice, materiale de protecție, sticlă etc. Un obiect opac nu este nici

27 transparent (nu permite trecerea completă a luminii) nici translucid (permițând trecea doar a unei părți a luminii). Când lumina atinge o interfață între două substanțe, în general, o parte poate fi reflectată, alta absorbită, alta împrăștiată și restul transmisă. Reflecția poate fi difuză, de exemplu, lumina care reflectă un perete alb, sau o imagine speculară, de exemplu o lumină care se reflectă pe o oglindă. O substanță opacă nu transmite lumină și, prin urmare, reflectă, împrăștie sau absoarbe toată lumina. Atât oglinzile cât și negrul de fum sunt opace. Opacitatea depinde de frecvența luminii luată în considerare. De exemplu, unele tipuri de sticlă, în timp ce sunt transparente în domeniul vizual, sunt în mare măsură opace la lumina ultravioletă. Mai multă dependență de frecvență extremă este vizibilă în liniile de absorbție a gazelor reci. Opacitatea poate fi cuantificată în mai multe moduri. Diferitele procese pot duce la opacitate, inclusiv absorbția, reflexia și împrăștierea. Radioopacitatea Radioopacitatea este utilizată preferențial pentru a descrie opacitatea razelor X. În medicina modernă, substanțele dense radioactiv (radiodense) sunt cele care nu vor permite razelor X sau radiațiilor similare să treacă. Imagistica radiografică a fost revoluționată de mediile de contrast radiodense, care pot fi transmise prin fluxul sanguin, în tractul gastro-intestinal sau în fluidul cerebral al coloanei vertebrale și utilizate pentru a evidenția scanarea CT sau imaginile cu raze X. Radioopacitatea este unul dintre principalele considerente în proiectarea diferitelor dispozitive, cum ar fi ghidurile de undă sau stenturile care sunt utilizate în timpul intervenției radiologice. Radioopacitatea unui dispozitiv endovascular dat este importantă, deoarece permite ca dispozitivul să fie urmărit în timpul procedurii de intervenție. Definiție cantitativă Cuvintele "opacitate" și "opac" sunt adesea folosite ca termeni colocviali pentru obiecte sau medii cu proprietățile descrise mai sus. Cu toate acestea, există o definiție specifică, cantitativă a "opacității", utilizată în astronomie, în fizica plasmei și în alte domenii, dată aici.

28 În această utilizare, "opacitatea" este un alt termen pentru coeficientul de atenuare a masei (sau, în funcție de context, coeficientul de absorbție a masei, diferența este descrisă aici) κ ν la o frecvență specifică ν a radiației electromagnetice. Mai precis, dacă un fascicul de lumină cu frecvența ν se deplasează printr-un mediu cu opacitate κ și densitate de masă ρ, ambele constante, atunci intensitatea va fi redusă cu distanța x conform formulei I(x) = I 0 e -κρx unde x este distanța parcursă de lumină prin intermediul mediului, I(x) este intensitatea luminii rămase la distanța x, I 0 este intensitatea inițială a luminii, la x = 0. Pentru un mediu dat la o anumită frecvență, opacitatea are o valoare numerică care poate varia între 0 și infinit, cu unități de lungime 2 /masă. Opacitatea în activitatea de poluare a aerului se referă la procentul de lumină blocat în loc de coeficientul de atenuare (cunoscut și drept coeficient de extincție) și variază de la 0% lumină blocată la 100% lumină blocată: Umbra Opacitatea = 100% (1 - I(x)/I 0 )

29 Umbra este o zonă întunecată în care lumina de la o sursă de lumină este blocată de un obiect opac. Aceasta ocupă tot volumul tridimensional din spatele unui obiect cu lumina în fața acestuia. Secțiunea transversală a unei umbre este o siluetă bidimensională sau o proiecție inversă a obiectului care blochează lumina. Surse de lumină punctuale și non-punctuală

30 (Umbra, penumbra și antumbra.) O sursă punctuală de lumină aruncă doar o umbra simplă, numită "umbra". Pentru o sursă de lumină non-punctuală sau "extinsă", umbra este împărțită în umbra, penumbra și antumbra. Cu cât este mai largă sursa de lumină, cu atât mai mult se estompează umbra. Dacă două penumbre se suprapun, umbrele par să se atragă și să se îmbine. Acest lucru este cunoscut sub numele de efect blister al umbrii. Contururile zonelor umbrite pot fi găsite prin urmărirea razelor de lumină emise de regiunile ultraperiferice ale sursei de lumină extinse. Regiunea umbrei nu primește nici o lumină directă din nici o parte a sursei de lumină și este cea mai întunecată. Un observator situat în regiunea umbrei nu poate vedea direct nicio parte a sursei de lumină. Prin contrast, penumbra este iluminată de unele părți ale sursei de lumină, dându-i un nivel intermediar de intensitate a luminii. Un observator aflat în

31 regiunea penumbrei va vedea sursa de lumină, dar aceasta este parțial blocată de obiectul care umbrește. Dacă există mai multe surse de lumină, vor exista mai multe umbre, părți suprapuse mai întunecate și diferite combinații de luminozitate sau chiar culori. Cu cât iluminarea este mai difuză, cu atât umbrele devin mai slabe și mai de nedistins, până când dispar. Iluminarea unui cer acoperit produce câteva umbre vizibile. Absența efectelor atmosferice de difuzie în vidul spațiului exterior produce umbre care sunt accentuate și puternic delimitate la margine de contrastul foarte mari dintre lumină și întuneric. Pentru o persoană sau un obiect care atinge suprafața unde este proiectată umbra (de exemplu, o persoană care stă pe pământ sau un stâlp înfipt în sol), umbrele converg în punctul de contact. O umbră arată, pe lângă distorsiune, aceeași imagine ca și silueta când privim la obiect din partea soarelui, de unde și imaginea în oglindă a siluetei văzute de cealaltă parte. Astronomie

32 (Trei luni (Callisto, Europa și Io) și umbrele lor pe Jupiter.

33 Numele de umbra, penumbra și antumbra sunt adesea folosite pentru umbrele aruncate de obiecte astronomice, deși ele sunt uneori folosite pentru a descrie nivelele de întuneric, cum ar fi petele solare. Un obiect astronomic aruncă umbre vizibile pentru om atunci când magnitudinea aparentă este egală sau mai mică de -4. În prezent, singurele obiecte astronomice capabile să producă umbre vizibile pe Pământ sunt soarele, luna și, în condițiile optime, Venus sau Jupiter. O umbră aruncată de Pământ pe Lună este o eclipsă lunară. În schimb, o umbră aruncată de Lună pe Pământ este o eclipsă solară. Variația în timpul zilei Soarele aruncă umbre care se schimbă mult în timpul zilei. Lungimea unei umbre aruncată pe pământ este proporțională cu cotangenta unghiului de înălțare a soarelui - unghiul θ față de orizont. Aproape de răsărit și apus, când θ = 0 și cot(θ) =, umbrele pot fi extrem de lungi. Dacă soarele trece direct pe deasupra capului, atunci θ = 90, cot(θ) = 0 și umbrele sunt proiectate direct sub obiecte. Astfel de variații au ajutat mult călătorii în drumurile lor, în special în regiunile deșertice, cum ar fi deșertul arab. Viteza de propagare

34 (Erupția în faza de abur a Gheizerului Castelului din Parcul Național Yellowstone aruncă o umbră pe propriul său abur, iar razele crepusculare sunt de asemenea vizibile. Cu cât distanța de la obiectul care blochează lumina la suprafața proiecției este mai mare, cu atât silueta este mai mare (ele sunt considerate proporționale). De asemenea, dacă obiectul se mișcă, umbra lăsată de obiect va proiecta o imagine cu dimensiuni (lungime) care se extinde proporțional mai repede decât viteza proprie de mișcare a obiectului. Creșterea mărimii și a vitezei mișcării sunt valabile și în cazul în care distanța dintre obiectul de interferență și sursa de lumină este mai mică. Acest lucru nu înseamnă însă că umbra se poate mișca mai repede decât lumina, chiar și atunci când se proiectează la distanțe uriașe, de ani lumină. Lipsa luminii, care proiectează

35 umbra, se va deplasa spre suprafața proiecției cu viteza luminii. Deși marginea unei umbre pare să se "miște" de-a lungul unui perete, în realitate creșterea lungimii umbrei face parte dintr-o nouă proiecție care se propagă cu viteza luminii de la obiectul de interferență. Deoarece nu există comunicare reală între punctele dintr-o umbră (cu excepția reflexiei sau interferenței luminii, la viteza luminii), o umbră care se proiectează pe o suprafață de distanțe mari (ani lumină) nu poate transmite informații între aceste distanțe cu marginea umbrei. Culoare Artiștii vizuali sunt de obicei foarte conștienți de lumina colorată emisă sau reflectată din mai multe surse, care poate genera umbre multicolore complexe. Chiaroscuro, sfumato și silueta sunt exemple de tehnici artistice care folosesc în mod deliberat efectele umbrelor. În timpul zilei, o umbră aruncată de un obiect opac iluminat de lumina soarelui are o nuanță albăstruie. Acest lucru se întâmplă din cauza împrăștierii Rayleigh, aceeași proprietate care face ca cerul să apară albastru. Obiectul opac este capabil să blocheze lumina soarelui, dar nu lumina ambientală a cerului, care este albastră, deoarece moleculele de atmosferă împrăștie lumina albastră mai eficient. Ca urmare, umbra apare albastră. Umbre tridimensionale

36 (Umbra ceții turnului de sud al Podului Golden Gate. O umbră ocupă un volum tridimensional în spațiu, dar acesta nu este de obicei vizibil până când nu se proiectează pe o suprafață reflectorizantă. O ceață ușoară, burniță sau norul de praf poate dezvălui prezența 3D a modelelor volumetrice în lumini și umbre. Umbrele ceții pot părea ciudate pentru observatorii care nu sunt obișnuiți să vadă umbre în trei dimensiuni. O ceață subțire este suficient de densă pentru a fi iluminată de lumina care trece prin golurile dintr-o structură sau copac. Ca rezultat, calea umbrei unui obiect prin ceață devine vizibilă ca volum întunecat. Într-un sens, aceste benzi umbrite sunt inversul razelor

37 crepusculare cauzate de fluxurile de lumină, dar sunt cauzate de umbrele obiectelor solide. O ceață scenică și fascicule puternice de lumină sunt uneori folosite de designeri în iluminat și de artiștii vizuali care încearcă astfel să evidențieze aspectele tridimensionale ale operei lor. În fotografie

38 (Umbra lunară a unui fotograf)

39 În fotografie, care înregistrează în mod esențial modele de lumină, umbre și culoare, "luminile" și "umbrele" sunt cele mai strălucitoare și mai întunecate părți ale scenei sau imaginii. Expunerea fotografică trebuie adaptată (cu excepția cazului în care se dorește efecte speciale) pentru a permite filmului sau senzorului, care are un interval dinamic limitat, să înregistreze detalii care să nu se piardă, și umbre care să nu devină zone întunecate nediferențiate. În cazul imaginilor prin satelit și al fotografiilor aeriene, luate vertical, clădirile înalte pot fi recunoscute ca atare de umbrele lor lungi (dacă fotografiile nu sunt luate la tropice în jurul prânzului), acestea arătând în același timp și forma acestor clădiri. Sistemul vizual uman (Ochiul) Sistemul vizual reprezintă partea sistemului nervos central care oferă organismelor capacitatea de a procesa detaliile vizuale, precum și de a permite formarea mai multor funcții de răspuns non-imagine foto. Detectează și interpretează informațiile din lumina vizibilă pentru a construi o reprezentare a mediului înconjurător. Sistemul vizual efectuează o serie de sarcini complexe, inclusiv recepția luminii și formarea reprezentărilor monoculare; acumularea unei percepții binoculare nucleare de la o pereche de proeminențe bidimensionale; identificarea și clasificarea obiectelor vizuale; evaluarea distanțelor către și între obiecte; și mișcările de ghidare a corpului în raport cu obiectele văzute. Procesul psihologic al informațiilor vizuale este cunoscut sub numele de percepție vizuală, a cărei lipsă se numește orbire. Funcțiile vizuale care nu formează imagini, independente de percepția vizuală, includ reflexul luminos pupilar și circulația imagistică circadiană. Ochiul uman

40 (Modelul ochiului uman 1: segmentul posterior al globului ocular 2: ora serrata 3: mușchiul ciliar 4: zonule ciliare 5: canalul Schlemm 6: pupilele 7: camera anterioară 8: corneea 9: irisul 10: cortexul lentilei 11: nucleul

41 lentilei 12: procesul ciliar 13: conjunctiva 14: mușchiul oblic inferior 15: mușchiul rectus inferior 16: mușchiul rectus medial 17: arterele și venele retinei 18: discul optic 19: dura mater 20: artera retinală centrală 21: venele retinale centrale 22: nervul 23: vena vorticoasă 24: teaca bulbară 25: macula 26: fovea 27: sclera 28: coroidul 29: mușchiul rectus superior 30: retina. Ochiul uman funcționează prin focalizarea luminii pe un strat de celule fotoreceptoare numite retină, care formează căptușeala interioară a spatelui ochiului. Focalizarea se realizează printr-o serie de medii transparente. Lumina care intră în ochi trece mai întâi prin cornee, care asigură o mare parte din puterea optică a ochiului. Lumina continuă apoi prin fluidul din spatele corneei - camera anterioară, apoi trece prin pupilă. Lumina trece apoi prin lentilă, care focalizează lumina în continuare și permite reglarea focalizării. Lumina trece apoi prin corpul principal al fluidului în ochi - umoarea vitroasă și ajunge la retină. Celulele din linia retinei se află în partea din spate a ochiului, cu excepția locului unde iese nervul optic; aceasta are ca rezultat un punct orb. Există două tipuri de celule fotoreceptoare, tije și conuri, care sunt sensibile la diferite aspecte ale luminii. Celulele tije sunt sensibile la intensitatea luminii pe o gamă largă de frecvențe, deci sunt responsabile pentru vizibilitatea alb-negru. Celulele tije nu sunt prezente pe fovea, zona retinei responsabile de vederea centrală și nu sunt la fel de receptive ca celulele conuri la schimbările spațiale și temporale în lumină. Există, totuși, de douăzeci de ori mai multe celule tije decât celulele conuri din retină deoarece celulele tije sunt prezente într-o zonă mai largă. Datorită distribuției lor mai largi, tijele sunt responsabile de vederea periferică. Dimpotrivă, celulele conuri sunt mai puțin sensibile la intensitatea globală a luminii, dar vin în trei tipuri care sunt sensibile la intervale de frecvență diferite și astfel sunt folosite în percepția culorii și a vederii fotopice. Celulele conuri sunt foarte concentrate în fovea și au o acuitate vizuală ridicată, ceea ce înseamnă că acestea sunt mai bune la rezoluția spațială decât celulele tije. Deoarece celulele conuri nu sunt la fel de sensibile la lumina slabă ca celulele tije, cea mai mare parte a vederii nocturne este limitată la celulele tije. De

42 asemenea, deoarece celulele conuri sunt în fovea, viziunea centrală (inclusiv viziunea necesară pentru a face cele mai multe lecturi, lucrări cu detalii fine, cum ar fi coaserea sau examinarea atentă a obiectelor) se face prin celule conuri. Mușchii ciliari din jurul lentilei permit ajustarea focarului ochiului. Acest proces este cunoscut drept acomodare. Punctul apropiat și punctul îndepărtat definesc distanțele cele mai apropiate și cele mai îndepărtate de ochi la care un obiect poate fi focalizat. Pentru o persoană cu vedere normală, punctul îndepărtat este situat la infinit. Poziția punctului apropiat depinde de cât de mult poate crește mușchiul curburii lentilei și cât de inflexibil a devenit lentila cu vârsta. Optometriștii, oftalmologii și opticienii consideră de obicei că un punct adecvat corespunzător mai aproape de distanța de citire normală este de aproximativ 25 cm. Defectele de vedere pot fi explicate prin folosirea principiilor opticii. Pe măsură ce oamenii îmbătrânesc, lentila devine mai puțin flexibilă și punctul apropiat se depărtează de ochi, o stare cunoscută sub numele de presbiopie. În mod similar, persoanele care suferă de hipermetropie nu pot diminua lungimea focală a lentilei lor suficient pentru a permite ca obiectele din apropiere să fie înregistrate pe retină. În schimb, persoanele care nu pot să crească suficient distanța focală a lentilei pentru a permite ca obiectele aflate la distanță să fie înregistrate pe retină suferă de miopie și au un punct mult mai apropiat decât infinitul. O afecțiune cunoscută sub numele de astigmatism rezultă atunci când corneea nu este sferică, ci în schimb este mai curbată într-o singură direcție. Acest lucru determină extinderea orizontală a obiectelor focalizate pe diferite părți ale retinei, în loc de extinderea verticală a obiectelor, ducând la imagini distorsionate. Toate aceste condiții pot fi corectate utilizând lentile corective. Pentru presbiopie și hipermetropie, o lentilă convergentă asigură curbura suplimentară necesară pentru apropierea punctului apropiat de ochi, iar pentru miopie un obiectiv divergent oferă curbura necesară pentru a trimite punctul îndepărtat la infinit. Astigmatismul este corectat cu o lentilă de suprafață cilindrică care curbează mai puternic într-o direcție decât în alta, compensând neuniformitatea corneei. Puterea optică a lentilelor corective este măsurată în dioptrii, o valoare egală

43 cu reciprocitatea lungimii focale măsurată în metri; cu o lungime focală pozitivă corespunzătoare unei lentile convergente și o lungime focală negativă corespunzătoare unei lentile divergente. Pentru lentilele care corectează și astigmatismul, se dau trei numere: unul pentru puterea sferică, unul pentru puterea cilindrică și unul pentru unghiul de orientare a astigmatismului. Retina

44 (Ochiul uman (secțiunea orizontală). Imaginea proiectată pe retină este inversată datorită opticii ochiului.

45 Retina constă dintr-un număr mare de celule fotoreceptoare care conțin anumite molecule de proteine numite opsine. La om, două tipuri de opsine sunt implicate în viziunea conștientă: opsine tijă și opsins con. (Un al treilea tip, melanopsina în unele dintre celulele ganglionului retinei, parte din mecanismul ceasului corpului, probabil nu este implicată în vederea conștientă, deoarece celulele ganglionului retinei nu se proiectează la nucleul genicular lateral, ci la nucleul olivar pretectal.) O opsină absoarbe un foton (o particulă de lumină) și transmite un semnal către celulă printr-o cale de transducție a semnalului, rezultând hiperpolarizarea fotoreceptorului. Există trei tipuri de conuri care diferă în funcție de lungimile de undă pe care le absorb; acestea sunt de obicei numite scurte sau albastre, mijlocii sau verzi, și lungi sau roșii. Conurile sunt folosite în principal pentru a distinge culoarea și alte caracteristici ale lumii vizuale la nivele normale de lumină. În retină, fotoreceptorii sinapsează direct pe celulele bipolare, care, la rândul lor, sinapsează pe celulele ganglionare ale stratului exterior, care apoi conduc potențialele de acțiune la creier. O cantitate semnificativă de procesare vizuală rezultă din tiparele de comunicare dintre neuroni în retină. Aproximativ 130 de milioane de fotoreceptori absorb lumina, însă aproximativ 1,2 milioane de axoni ai celulelor ganglionare transmit informații din retină către creier. Prelucrarea în retină include formarea de câmpuri receptive în centrul atenției a celulelor bipolare și ganglionare în retină, precum și convergența și divergența de la fotoreceptor la celula bipolară. În plus, alți neuroni din retină, în special celulele orizontale și amacrine, transmit informații lateral (de la un neuron într-un strat la un neuron adiacent din același strat), ducând la câmpuri receptive mai complexe care pot fi indiferente față de culoare și sensibile la mișcare sau sensibile la culoare și indiferente la mișcare. Un studiu din 2006 al Universității din Pennsylvania a calculat că lățimea de bandă aproximativă a retinelor umane este de aproximativ 8960 kilobiți pe secundă, în timp ce transferul retinei la porcul de guineea este de aproximativ 875 kilobiți. În 2007, Zaidi și co-cercetătorii de pe ambele maluri ale Atlanticului, care

46 studiau pacienți fără tijă și conuri, au descoperit că noua celulă fotoreceptivă a ganglionilor la om are, de asemenea, un rol în percepția vizuală conștientă și inconștientă. Sensibilitatea spectrală de vârf a fost de 481 nm. Acest lucru arată că există două căi de vedere în retină - una bazată pe fotoreceptoare clasice (tije și conuri), iar cealaltă, recent descoperită, pe baza celulelor ganglionare fotoreceptoare care acționează ca detectori rudimentari de luminozitate vizuală. Vedere binoculară (Principiul vederii binoculare cu horopter.

47 În biologie, vederea binoculară este un tip de vedere în care un animal având doi ochi este capabil să perceapă o singură imagine tridimensională a împrejurimilor sale. Cercetătorul neurologic Manfred Fahle a declarat șase avantaje specifice de a avea doi ochi, mai degrabă decât unul: 1. Oferă creaturii un ochi de rezervă în cazul în care unul este deteriorat. 2. Oferă un câmp vizual mai larg. De exemplu, oamenii au un câmp vizual orizontal maxim de aproximativ 190 de grade cu doi ochi, din care aproximativ 120 de grade formează câmpul de vedere binocular (văzut de ambii ochi) flancat de două câmpuri uniculare (văzute cu un singur ochi)de aproximativ 40 de grade. 3. Acesta poate da stereopsis în care disparitatea binoculară (sau paralaxa) asigurată de pozițiile diferite ale celor doi ochi oferă o percepție precisă de adâncime. Acest lucru permite, de asemenea, unei creaturi să distingă camuflajul unei alte creaturi. 4. Permite unghiurile liniilor de vedere ale ochilor, relativ una față de cealaltă (vergența) și acele linii relative la un anumit obiect (unghiul de vizare) să fie determinate din imaginile din cei doi ochi. Aceste proprietăți sunt necesare pentru avantajul anterior. 5. Aceasta permite unei creaturi să vadă mai multe obiecte din spatele unui obstacol. Acest avantaj a fost evidențiat de Leonardo da Vinci, care a remarcat că o coloană verticală mai aproape de ochi decât un obiect la care se uită o creatură ar putea bloca un obiect din ochiul stâng, dar acea parte a obiectului ar putea fi vizibilă ochiului drept. 6. Oferă o sumare binoculară în care capacitatea slabă de a detecta obiecte este îmbunătățită. Alte fenomene de viziune binoculară includ discriminarea utroculară (capacitatea de a spune care dintre cei doi ochi a fost stimulat de lumină), dominanța ochiului (obiceiul de a folosi un ochi atunci când se vizează ceva, chiar dacă ambii ochi sunt deschiși), alelotropia (medierea direcției vizuale a obiectelor văzute de fiecare ochi atunci când ambii ochi sunt deschiși), fuziunea binoculară sau singurătatea vederii (văzând un obiect cu ambii ochi, în ciuda faptului că fiecare ochi are imaginea proprie a obiectului) și rivalitatea binoculară (văzând imaginea unui ochi alternativ aleatoriu cu

48 celălalt, atunci când fiecare ochi vede imaginile care sunt atât de diferite încât nu pot fi combinate). Viziunea binoculară ajută la abilitățile de performanță, cum ar fi capturarea, apucarea și locomoția. De asemenea, permite oamenilor să meargă peste și în jurul obstacolelor cu o viteză mai mare și cu mai multă siguranță. Optometriștii și/sau ortoptiștii sunt profesioniști cu ochii care remediază problemele de vedere binoculară. De ce este apusul de Soare roșu? Dacă priviți la lumina Soarelui printr-o prismă veți putea vedea toate culorile percepute de ochi în mod normal. Lumina albă este de fapt formată din multe culori diferite. Fiecare culoare este dată de refracția în prismă a unei unde de lumină cu o lungime de undă specifică.

49 (Amurgul de seară în Joshua Tree din California, SUA, care arată separarea culorilor galbene în direcția Soarelui aflat sub orizont față de observator, și

50 componentele albastre împrăștiate pe cerul din jur. Când rază de lumină albă de la Soare călătorește prin atmosferă către un observator, unele dintre culori sunt împrăștiate de fasciculul de molecule de aer și de particule din aer, schimbând culoarea finală a fasciculului așa cum este percepută de observator. Deoarece componentele de lungime de undă mai scurte, cum ar fi albastru și verde, se împrăștie mai puternic, aceste culori sunt mai mult îndepărtate de obicei din fascicul. La răsărit și la apus, când calea prin atmosferă este mai lungă, componentele albastră și verde sunt îndepărtate aproape complet, rămânând nuanțele mai lungi de undă portocalii și roșii pe care le vedem în perioada respectivă a zilei. Lumina roșie a Soarelui rămasă poate fi împrăștiată de picături de apă din nori și de alte particule relativ mari pentru a lumina orizontul roșu și portocaliu. Îndepărtarea lungimilor de undă mai scurte se datorează împrăștierii Rayleigh de către moleculele de aer și particulele mult mai mici decât lungimea de undă a luminii vizibile (mai mici de 50 nm în diametru). Difuzarea prin picăturile de apă din nori și alte particule cu diametre comparabile sau mai mari decât lungimile de undă ale soarelui (> 600 nm) se datorează împrăștierii Mie și nu este dependentă puternic de lungimea de undă. Împrăștierea Mie este responsabilă pentru lumina împrăștiată de nori, precum și pentru haloul din timpul zilei a luminii alba din jurul Soarelui (împrăștierea directă a luminii albe). Culorile de la apusul Soarelui sunt de obicei mai strălucitoare decât cele de la răsăritul Soarelui, deoarece aerul de seară conține mai multe particule decât aerul dimineții. Cenușa de la erupțiile vulcanice, din interiorul troposferei, tinde să atenueze culorile de apus și răsărit, în timp ce ejecta vulcanică, care este înăbușită în stratosferă (sub formă de nori subțiri ai picăturilor de acid sulfuric) poate produce culori purpurii frumoase după apus, numite strălucirea amurgului (după apusul Soarelui), și strălucirea de dinainte de răsăritul Soarelui. O serie de erupții, inclusiv cele ale Muntelui Pinatubo în 1991 și Krakatoa în 1883, au produs nori stratosferici de acid sulfuric suficient de mari pentru a produce amurguri remarcabile după apusul soarelui (și străluciri înainte de răsăritul soarelui) în întreaga lume. Norii de înaltă altitudine reflectă lumina Soarelui puternic înroșită, care încă trece prin stratosferă după apus, până la suprafața Pământului. Uneori, chiar înainte de răsăritul soarelui sau după apusul

51 soarelui, se poate vedea o rază verde. (Aurora boreală în deșertul Mojave. Unele dintre cele mai variate culori la apus de soare pot fi găsite pe cerul opus sau de est după ce Soarele a apus în timpul crepusculului. În funcție de condițiile meteorologice și de tipurile de nori prezente, aceste culori au un spectru larg și pot produce rezultate neobișnuite. De ce sunt norii colorați?

52 (Altocumulus lenticularis formându-se peste munți în Wyoming, cu stratul inferior cumulus mediocris și stratul superior spiriac cirrus. Luminanța sau strălucirea unui nor este determinată de modul în care lumina este reflectată, împrăștiată și transmisă de particulele norului. Luminozitatea sa poate fi, de asemenea, afectată de prezența opacității sau a fotometeorilor, cum ar fi halouri și curcubeul. În troposferă, norii denși și adânci prezintă o reflectanță ridicată (70% până la 95%) pe tot spectrul vizibil. Particulele mici de apă sunt împachetate dens și lumina soarelui nu poate pătrunde adânc în nor înainte de a fi reflectată, dând un nor culoarea albă caracteristică, mai ales atunci când este privit din partea de sus. Picăturile de nori tind să disperseze eficient lumina, astfel încât intensitatea radiației solare scade cu adâncimea în gaze. Ca rezultat, baza de nori poate varia de la un gri foarte luminos la unul

53 foarte închis, în funcție de grosimea norului și de câtă lumină este reflectată sau transmisă înapoi observatorului. Norii subțiri troposferici la înălțime reflectă mai puțină lumină datorită concentrației relativ scăzute de cristale de gheață constituente sau picături de apă suprarăcite, ceea ce are ca rezultat un aspect puțin alb-deschis. Cu toate acestea, un nor gros dens de cristal de gheață apare strălucitor de culoare albă, cu un pronunțat gri de umbrire datorită reflexiei sale mai mari. (Nori stratocumulus stratiformis și castellanus mici portocalii datorită răsăritului soarelui.

54 Pe măsură ce un nor troposferic se dezvoltă, picăturile de apă dense se pot combina pentru a produce picături mai mari. Dacă picăturile devin prea mari și grele pentru a fi ținute sus de circulația aerului, ele vor cădea din nor ca ploaie. Prin acest proces de acumulare, spațiul dintre picături devine din ce în ce mai mare, permițând luminii să pătrundă mai departe în nor. Dacă norul este suficient de mare și picăturile din interior sunt distanțate suficient de mult, un procentaj din lumina care intră în nor nu este reflectată înapoi, ci este absorbită dând norului un aspect mai întunecat. Un exemplu simplu este că cineva poate vedea mai departe pe vreme de ploaie decât când este ceață. Acest proces de reflexie/absorbție este ceea ce determină gama de culori a norului de la alb la negru.

55 (Apus de soare care reflectă nuanțe de roz pe norii gri stratocumulus stratiformis translucizi (devenind perlucidus în fundal) Nivelele de culori ale norului pot fi văzute la orice altitudine, culoarea unui nor fiind de obicei aceeași cu cea a luminii incidente. În timpul zilei, când soarele este relativ ridicat pe cer, norii troposferici apar în general alb strălucitori pe partea de sus cu diferite nuanțe de gri dedesubt. Norii subțiri pot părea albi sau par să fi dobândit culoarea mediului sau a fundalului lor. Norii roșii, portocalii și roz apar aproape întotdeauna la răsărit/apus de soare și sunt rezultatul împrăștierii soarelui de către atmosferă. Atunci când soarele

56 este chiar sub orizont, norii de nivel scăzut sunt de culoare gri, norii de mijloc apar trandafiri, iar norii înalți sunt albi sau aproape albi. Norii pe timpul nopții sunt negri sau gri închis pe un cer fără lună, sau albicios atunci când sunt iluminați de lună. Ei pot reflecta, de asemenea, culorile incendiilor mari, ale luminilor orașului sau ale aurorelor care ar putea fi prezente. (Nori stratocumulus stratiformis perlucidus înainte de apus. Bangalore, India.

57 Un nor de cumulonimbus care pare să aibă o nuanță verzuie sau albastră este un semn că conține cantități foarte mari de apă; grindina sau ploaia împrăștie lumina într-un mod care dă norului o culoare albastră. O colorare verde apare mai târziu ziua când soarele este relativ jos pe cer, iar lumina incidentă a soarelui are o tentă roșiatică care apare verde când luminează un nor albastru foarte înalt. Furtunile supercelulare sunt mai probabil să fie caracterizate de aceasta, dar orice furtună poate apărea în acest fel. O astfel de colorare nu indică în mod direct că este o furtună puternică, ci doar confirmă potențialul său. Din moment ce o nuanță verde/albastru semnifică cantități abundente de apă, rezultă o forță puternică de ascensiune a acesteia, posibilitatea unor vânturi puternice de furtună, ploi și grindină umedă. În plus, cu cât este mai mare forța de ascensiune, cu atât este mai probabil ca furtuna să treacă prin tornadogeneză și să producă grindină mare și vânturi puternice.

58 (Furtună târzie târziu în Danemarca. Culoarea aproape neagră a bazei indică un nor principal în prim plan, probabil cumulonimbus. Norii galbeni pot fi văzuți în troposferă, primăvara târzie până la începutul toamnei în timpul sezonului de incendii forestiere. Culoarea galbenă se datorează prezenței poluanților în fum. Norii galbeni sunt cauzați de prezența dioxidului de azot și sunt uneori văzuți în zone urbane cu niveluri ridicate de poluare a aerului. Ce culoare are apa?

59 Culoarea aparentă a apelor naturale (și a bazinelor de înot) este deseori determinată mai mult de solidele dizolvate și suspendate, sau prin reflectarea cerului, decât de apă în sine. În timp ce cantitățile relativ mici de apă par incolore, apa pură are o culoare albastră, care devine un albastru mai profund, pe măsură ce grosimea eșantionului observat crește. Nuanța albastră a apei este o proprietate intrinsecă și este cauzată de absorbția și dispersia selectivă a luminii albe. Elementele dizolvate sau impuritățile suspendate pot da o culoare diferită. Lumina din spectrul electromagnetic vizibil poate traversa câțiva metri de apă pură (sau gheață) fără absorbție semnificativă, astfel încât să pară transparentă și incoloră. Astfel, plantele acvatice, algele și alte organisme fotosintetice pot trăi în apă până la sute de metri adâncime, deoarece lumina soarelui poate ajunge la ele. Vaporii de apă sunt în esență invizibili ca gaz. La o grosime de 10 metri sau mai mult însă, culoarea intrinsecă a apei (sau a gheții) este vizibil turcoaz (albastru verzui), deoarece spectrul său de absorbție are un minim ascuțit la culoarea corespunzătoare a luminii (1/227 m -1 la 418 nm). Culoarea devine din ce în ce mai puternică și mai întunecată, cu cât grosimea este mai mare. (Practic, lumina soarelui nu ajunge în zonele oceanelor sub 1000 de metri adâncime.) Infraroșu și lumina ultravioletă, pe de altă parte, sunt puternic absorbite de apă. Indicele de refracție al apei lichide (1,333 la 20 C) este mult mai mare decât cel al aerului (1.0), similar celui al alcanilor și etanolului, dar mai mic decât cel al glicerinei (1,473), benzenului (1,501), disulfura de carbon (1,627) și tipurile comune de sticlă (1,4 până la 1,6). Indicele de refracție al gheții (1,31) este mai mic decât cel al apei lichide. Culoarea intrinsecă

60 (O piscină de interior apare albastră de sus, pe măsură ce lumina se reflectă din fundul bazinului trecând prin suficientă apă încât componenta roșie să fie absorbită. Aceeași apă într-o găleată mai mică arată doar puțin albastru și apa de la distanță apropiată pare incoloră pentru ochiul uman. Culoarea intrinsecă a apei lichide poate fi demonstrată prin examinarea unei surse de lumină albă printr-o conductă lungă care este umplută cu apă purificată și închisă la ambele capete cu o fereastră transparentă. Culoarea albastru-turcoaz este cauzată de o absorbție slabă în partea roșie a spectrului vizibil.

61 Absorbțiile în spectrul vizibil sunt, de obicei, atribuite excitațiilor stărilor de energie electronică din materie. Apa este o moleculă simplă de trei atomi, H 2 O, și toate absorbțiile sale electronice apar în regiunea ultravioletă a spectrului electromagnetic și, prin urmare, nu sunt responsabile de culoarea apei în regiunea vizibilă a spectrului. Molecula de apă are trei moduri fundamentale de vibrație. Două vibrații de întindere a legăturilor O-H în starea gazoasă a apei apar la v 1 = 3650 cm -1 și v 3 = 3755 cm -1. Absorbția datorată acestor vibrații are loc în regiunea infraroșie a spectrului. Absorbția în spectrul vizibil se datorează în principal armonicei v 1 + 3v 3 = 14,318 cm -1, echivalent cu o lungime de undă de 698 nm. În stare lichidă la 20 C, aceste vibrații sunt deplasate spre roșu datorită legăturii de hidrogen, rezultând absorbția roșie la 740 nm, alte armonice cum ar fi v 1 + v 2 + 3v 3 dând absorbție roșie la 660 nm. Curba de absorbție pentru apa grea (D 2 O) are o formă similară, dar este deplasată mai departe spre capătul infraroșu al spectrului, deoarece tranzițiile vibraționale au o energie mai mică. Din acest motiv, apa grea nu absoarbe lumina roșie și, prin urmare, cantitățile mari de D 2 O nu ar avea culoarea albastră caracteristică apei ușoare mai întâlnite ( 1 H 2 O). Culoarea lacurilor și a oceanelor

62 (Cantitățile mari de apă, cum ar fi oceanele, au culoarea albastră inerentă a apei. AtlanticOceanwithAranIsland.jpg) Lacurile și oceanele apar albastre din mai multe motive. Unul este că suprafața apei reflectă culoarea cerului. În timp ce această reflecție contribuie la culoarea observată, nu este singurul motiv. Lumina, la incidența pe suprafața oceanului, se reflectă înapoi direct, dar cea mai mare parte pătrunde în suprafața apei care interacționează cu moleculele sale. Moleculele de apă pot vibra în trei moduri diferite atunci când lumina

63 cade pe ea. Lungimile de undă roșii, portocalii, galbene și verzi sunt absorbite, astfel încât lumina rămasă văzută este compusă din culori albastru și violet. Acesta este principalul motiv pentru care culoarea oceanului este albastră. Unele componente ale apei de mare pot influența nuanța albastră a oceanului. Acesta este motivul pentru care poate să pară mai verde sau mai albastru în diferite zone. Apa din bazinele de înot (care pot conține și diverse produse chimice) cu lateralele albe si cu fundul alb, va apărea de un albastru turcoaz. Apa curată apare albastră în piscinele cu pardoseli albe, precum și în bazinele interioare în care nu există cer albastru care să fie reflectat. Cu cât este mai adâncă piscina, cu atât mai albastră este apa. De asemenea, dispersia de particule suspendate joacă un rol important în culoarea lacurilor și oceanelor. Câțiva zeci de metri de apă vor absorbi toată lumina, astfel încât, fără împrăștiere, toate corpurile de apă ar părea negre. Deoarece majoritatea lacurilor și oceanelor conțin materii vii suspendate și particule minerale, cunoscute sub formă de materie organică dizolvată, lumina de sus este reflectată în sus. Difuzarea din particulele suspendate ar da în mod normal o culoare albă, ca și în cazul zăpezii, dar deoarece lumina trece mai întâi prin mai mulți metri de lichid albastru, lumina împrăștiată este albastră. În apa extrem de pură - așa cum se întâlnește în lacurile montane, unde lipsește dispersia de particule de culoare albă - dispersia din moleculele de apă contribuie, de asemenea, la o culoare albastră.

64 (Nuanța cerului reflectat contribuie, de asemenea, la culoarea percepută a apei. Un alt fenomen care se întâmplă este împrăștierea Rayleigh în atmosferă de-a lungul liniei de vedere: orizontul este în mod obișnuit la 4-5 km distanță, iar aerul (fiind chiar deasupra nivelului mării în cazul oceanului) este cel mai dens. Acest mecanism ar adăuga o nuanță albastră unui obiect îndepărtat (nu doar mării), deoarece lumina albastră ar fi împrăștiată în linia de vedere a observatorului. Suprafețele mărilor și lacurilor reflectă adesea cerul albastru, făcându-le să

65 apară mai albastre. Contribuția relativă a luminii cerului reflectată și a luminii împrăștiate din adâncime este puternic dependentă de unghiul de observare. Culoarea ghețarilor Ghețarii sunt corpuri mari de gheață și zăpadă formate în timpul climelor foarte reci, prin procese care implică compactarea zăpezii căzute. În timp ce ghețarii cu zăpadă apar alb de la distanță, de aproape și când sunt protejați de lumina ambientală directă ghețarii apar, de obicei, de un albastru profund datorită lungimii lungi a traseului luminii interne reflectate. Cantitățile relativ mici de gheață obișnuite apar albe, deoarece există o mulțime de bule de aer și, de asemenea, deoarece cantitățile mici de apă par incolore. În schimb, în ghețari, presiunea provoacă bulele de aer, prinse în zăpada acumulată, să iese în afară, crescând densitatea gheții create. Deoarece cantitățile mari de apă par a fi albastre, o bucată mare de gheață comprimată sau un ghețar ar părea albastră. Culoarea probelor de apă

66 (Concentrațiile mari de var dizolvate conferă apei de la Havasu Falls o culoare turcoaz.

67 Materialul dizolvat și sub formă de particule din apă poate provoca decolorarea. Decolorarea ușoară se măsoară în unități Hazen (HU). Impuritățile pot fi de asemenea colorate în profunzime, de exemplu, compușii organici dizolvați, numiți tanini, pot avea culori maro închis, sau algele care plutesc în apă (particulele) pot conferi o culoare verde. Culoarea unei probe de apă poate fi considerată drept: Culoare aparentă - este culoarea întregului eșantion de apă și constă din culoarea componentelor dizolvate și suspendate. Culoare reală - este măsurată după filtrarea probei de apă pentru a îndepărta toate materialele suspendate. Verificarea culorii poate fi un test rapid și ușor care reflectă adesea cantitatea de material organic din apă, deși anumite componente anorganice precum fierul sau manganul pot, de asemenea, conferi culoare. Culoarea apelor poate dezvălui condițiile fizice, chimice și bacteriologice. În apa de băut, verdele poate indica scurgerea cuprului din instalațiile de cupru și poate, de asemenea, să indice creșterea algelor. Albastrul poate indica, de asemenea, cupru, sau ar putea fi cauzat de sifonarea mașinilor de curățare industriale în rezervor, cunoscut sub numele de reflux. Culorile roșii pot fi semne de rugină provenite din tuburi de fier sau din bacterii în aer din lacuri, etc. Apa neagră poate indica creșterea bacteriilor reducătoare de sulf în interiorul unui rezervor de apă caldă menținut la o temperatură prea scăzută. Acesta are, de obicei, un miros puternic de sulf sau de ou stricat (H 2 S) și este ușor de corectat prin drenarea încălzitorului de apă și creșterea temperaturii la 49 C sau mai mult. Mirosul va persista întotdeauna în conductele de apă caldă dacă bacteriile care reduc sulfatul sunt cauza și niciodată în instalațiile de apă rece. Spectrul de culori cu indicatori de apă este larg și, dacă este învățat, poate facilita identificarea și rezolvarea problemelor cosmetice, bacteriologice și chimice. Culori

68 (Creioane colorate) Culoarea este caracteristica perceptiei vizuale umane descrisă prin categorii cu nume precum roșu, albastru, galben, verde, portocaliu sau purpuriu. Această percepție a culorii provine din stimularea celulelor conului în ochiul uman prin radiații electromagnetice în spectrul luminii. Categoriile de culori și specificațiile fizice ale culorii sunt asociate cu obiectele prin lungimea de undă a luminii care se reflectă din ele. Această reflectare este guvernată de proprietățile fizice ale obiectului, cum ar fi absorbția luminii, spectrele de emisie etc. Prin definirea unui spațiu de culoare, culorile pot fi identificate numeric prin coordonate. Spațiul de culoare RGB este, de exemplu, corespunde tricromiei umane și celor trei tipuri de celule conice care răspund la trei benzi de

69 lumină: lungimi de undă lungi, maxim de nm (roșu); lungimi de undă medii, maxim de nm (verde); și lungimi de undă scurte, maxim de nm (albastru). De asemenea, pot exista mai mult de trei dimensiuni de culoare în alte spații de culori, cum ar fi modelul de culoare CMYK, în care una dintre dimensiuni se referă la saturația culorilor). Receptivitatea fotografică a "ochilor" altor specii variază considerabil de cea a oamenilor și are ca rezultat percepții de culoare diferite care nu pot fi ușor comparate una cu cealaltă. Albine și bondarii, de exemplu, au o culoare tricromatică sensibilă la radiații ultraviolete (o radiație electromagnetică cu o lungime de undă de la 10 nm (30 PHz) la 400 nm (750 THz), mai scurtă decât lumina vizibilă, dar mai lungă decât razele X) dar fără sensibilitate în roșu. Fluturii papilio au șase tipuri de fotoreceptori și pot avea o vedere pentacromatică. Sistemul cel mai complex de vizualizare a culorii din regnul animal a fost găsit în stomatopode (cum ar fi creveții mantiți) cu până la 12 tipuri de receptori spectrali considerați a funcționa ca unități multiple dicromatice. Știința culorii este uneori numită cromatică, colorimetrie, sau pur și simplu știința culorii. Aceasta include percepția culorii prin ochiul și creierul uman, originea culorii în materiale, teoria culorii în artă și fizica radiației electromagnetice în intervalul vizibil (adică ceea ce se numește simplu lumină). Reflexia selectivă (Culoarea unui obiect) (Spectrul optic continuu redat în spațiul de culoare srgb. electromagnetică este caracterizată prin lungime de undă (sau frecvență) și intensitatea acesteia. Când lungimea de undă se află în spectrul vizibil (intervalul de lungimi de undă pe care oamenii le pot percepe, aproximativ între 390 nm și 700 nm), este cunoscut sub numele de "lumină vizibilă".

70

71 Majoritatea surselor de lumină emit lumină la multe lungimi de undă diferite; spectrul sursei este o distribuție care dă intensitatea sa la fiecare lungime de undă. Deși spectrul de lumină care ajunge la ochi dintr-o anumită direcție determină senzația de culoare în acea direcție, există mai multe combinații spectrale posibile decât senzațiile de culoare. De fapt, se poate defini în mod formal o culoare ca o clasă de spectre care dau naștere la aceeași senzație de culoare, deși astfel de clase ar varia foarte mult între specii diferite și într-o mai mică măsură printre indivizii din aceeași specie. În fiecare clasă, membrii se numesc metameri ai culorii respective. Culoarea obiectelor Culoarea unui obiect depinde atât de fizica obiectului din mediul său, cât și de caracteristicile percepției ochiului și a creierului. Din punct de vedere fizic, se poate spune că obiectele au culoarea luminii care părăsește suprafețele lor, care în mod normal depind de spectrul iluminării incidente și

72 de proprietățile de reflexie ale suprafeței, precum și potențial asupra unghiurilor de iluminare și de vizualizare. Unele obiecte reflectă nu numai lumina, ci transmit și lumină sau emite lumină, ceea ce contribuie, de asemenea, la culoare. Percepția privitorului asupra culorii obiectului depinde nu numai de spectrul luminii care părăsește suprafața, ci și de o mulțime de indicii contextuale, astfel încât diferențele de culoare dintre obiecte să poată fi discutate în mare parte independent de spectrul de iluminare, unghiul de vizionare etc. Acest efect este cunoscut ca constanța culorii. (Discul superior și discul inferior au exact aceeași culoare obiectivă și sunt

73 în vecinătăți gri identice, pe baza diferențelor de context, oamenii percep pătratele ca având reflexii diferite și pot interpreta culorile ca fiind având categorii de culori.) Pot fi făcute unele generalizări fizice, neglijând efectele perceptuale pentru moment: Lumina care ajunge pe o suprafață opacă este fie reflectată "specular" (adică, în modul unei oglinzi), împrăștiată (adică reflectată cu împrăștiere difuză) sau absorbită - sau o combinație a acestora. Obiectele opace care nu reflectă specular (care tind să aibă suprafețe aspre) au culoarea determinată de lungimile de undă ale luminii care se împrăștie puternic (cu lumina care nu este împrăștiată fiind absorbită). Dacă obiectele împrăștie toate lungimile de undă cu o forță aproximativ egală, ele apar ca fiind albe. Dacă absorb toate lungimile de undă, ele apar ca fiind negre. Obiectele opace care reflectă specular lumina de diferite lungimi de undă cu eficiență diferită arată ca oglinzile colorate cu culori determinate de aceste diferențe. Un obiect care reflectă o parte din lumina care ajunge pe el și absoarbe restul poate arăta negru, dar poate fi și ușor reflexiv; exemple sunt obiectele negre acoperite cu straturi de sau lac. Obiectele care transmit lumina sunt translucide (împrăștiind lumina transmisă) sau transparente (nu împrăștie lumina transmisă). În cazul în care absorb, de asemenea, (sau reflectă) lumină cu diferite lungimi de undă diferențiate, ele apar colorate cu o culoare determinată de natura absorbției (sau a acelei reflexii). Obiectele pot emite lumină pe care o generează având electroni excitați, în loc să reflecte sau să transmită lumina. Electronii pot fi excitați datorită temperaturii ridicate (incandescență), ca urmare a reacțiilor chimice (chemoluminescență), după absorbția luminii altor frecvențe ("fluorescență" sau "fosforescență") sau a contactelor electrice, ca diode emițătoare de lumină sau a altor surse de lumină. Pentru a rezuma, culoarea unui obiect este un rezultat complex al proprietăților sale de suprafață, proprietăților de transmisie și proprietăților sale de emisie, toate contribuind la amestecul de lungimi de undă în lumina

74 care părăsește suprafața obiectului. Culoarea percepută este apoi condiționată de natura iluminării ambientale și de proprietățile de culoare ale altor obiecte din apropiere și de alte caracteristici ale ochiului și ale creierului. Difuzia culorilor Difuzia afectează culoarea obiectelor într-o manieră substanțială deoarece determină calea medie a luminii din material și, prin urmare, în ce măsură sunt absorbite diferitele lungimi de undă. Cerneala roșie arată neagră când rămâne în sticlă. Culoarea sa vie este percepută numai atunci când este plasată pe un material de împrăștiere (de ex. hârtie). Acest lucru se datorează faptului că traseul lumii prin fibrele de hârtie (și prin cerneală) are o lungime de doar o fracțiune de milimetru. Dar lumina din sticlă a străbătut câțiva centimetri de cerneală și a fost puternic absorbită, chiar și în lungimile de undă roșii. Atunci când un obiect colorat are reflexie atât difuză, cât și speculară, de obicei numai componenta difuză este colorată. O cireașă reflectă difuziv lumina roșie, absoarbe toate celelalte culori și are o reflexie speculară care este în esență albă (dacă lumina incidentă este lumină albă). Acest lucru este destul de general, deoarece, cu excepția metalelor, reflexia majorității materialelor depinde de indicele lor de refracție, care variază foarte puțin cu lungimea de undă (deși această variație cauzează dispersia cromatică într-o prismă), astfel încât toate culorile să fie reflectate aproape cu aceeași intensitate. În schimb, reflexiile provenite din diferite origini pot fi colorate: reflexiile metalice, cum ar fi aurul sau cuprul, sau reflexiile interferențiale: irizări, pene de păun, aripi de fluture, gândacul elitra sau acoperirea antireflexie a unei lentile. Transmiterea selectivă (Transparența și translucența)

75 (Filtrele dicroice sunt create folosind materiale optic transparente.) În domeniul opticii, transparența (denumită și peluciditate sau diafanitate) este proprietatea fizică de a permite luminii să treacă prin material fără a fi împrăștiată. La o scară macroscopică (una în care dimensiunile investigate sunt mult, mult mai mari decât lungimea de undă a fotonilor în cauză), se poate spune că fotonii urmează legea lui Snell. Translucența (denumită și transluciditate) este un superset al transparenței: permite trecerea luminii, dar nu neapărat (din nou, la scară macroscopică) urmează legea lui Snell; fotonii pot fi împrăștiați la oricare dintre cele două interfețe unde există o schimbare a indicelui de refracție, sau intern. Cu alte cuvinte, un mediu translucid permite transportul luminii, în timp ce un mediu transparent nu numai că permite transportul luminii, ci permite și formarea imaginii. Proprietatea opusă a translucenței este opacitatea. Materialele transparente apar clar, cu

76 aspectul general al unei culori sau orice combinație care duce la un spectru strălucitor al fiecărei culori. Atunci când lumina întâlnește un material, acesta poate interacționa cu el în mai multe moduri diferite. Aceste interacțiuni depind de lungimea de undă a luminii și de natura materialului. Fotonii interacționează cu un obiect printr-o combinație de reflexie, absorbție și transmisie. Unele materiale, cum ar fi sticla și apa curată, transmit o mare parte din lumina care cade pe ele și reflectă puțin din ea; astfel de materiale sunt denumite optic transparente. Multe lichide și soluții apoase sunt foarte transparente. Absența defectelor structurale (goluri, crăpături etc.) și structura moleculară a majorității lichidelor sunt în mare parte responsabile de o transmisie optică excelentă. Materialele care nu transmit lumină se numesc opace. Multe astfel de substanțe au o compoziție chimică care include ceea ce se numește centre de absorbție. Multe substanțe sunt selective în ceea ce privește absorbția frecvențelor luminoase albe. Acestea absorb anumite porțiuni ale spectrului vizibil în timp ce reflectă altele. Frecvențele spectrului care nu sunt absorbite sunt reflectate sau transmise pentru observarea noastră fizică. Aceasta este ceea ce dă naștere la culoare. Atenuarea luminii tuturor frecvențelor și lungimilor de undă se datorează mecanismelor combinate de absorbție și împrăștiere. Transparența poate oferi camuflajul aproape perfect pentru animalele capabile să-l realizeze. Acest lucru este mai ușor în apa de mare slab luminată sau turbidă decât în o bună iluminare. Multe animale marine, cum ar fi meduzele, sunt foarte transparente.

77 (Comparații de 1. opacitate, 2. translucență și 3. transparență; în spatele fiecărui panou este o stea.

78 Împrăștierea luminii în solide

79 (Mecanismul general al reflexiei difuze.

80 Reflexie difuză - În general, atunci când lumina atinge suprafața unui material solid (nemetalic și ne-sticlos), acesta se împrăștie în toate direcțiile datorită multiplelor reflexii prin neregularitățile microscopice din interiorul materialului (de exemplu, limitele granulelor unui material policristalin, sau limitele celulelor sau fibrelor unui material organic) și pe suprafața sa, dacă este dură. Reflexia difuză este caracterizată de unghiuri de reflexie omnidirecțională. Majoritatea obiectelor vizibile cu ochiul liber sunt identificate prin reflexie difuză. Un alt termen folosit în mod obișnuit pentru acest tip de reflecție este "împrăștierea luminii". Lipsa de lumină de pe suprafețele obiectelor este mecanismul nostru principal de observare fizică. Împrăștierea luminii în lichide și solide depinde de lungimea de undă a luminii care este împrăștiată. În consecință, apar limitele scalei spațiale de vizibilitate (folosind lumina albă), în funcție de frecvența undei luminoase și de dimensiunea fizică (sau scara spațială) a centrului de împrăștiere. Lumina vizibilă are o scală de lungime de undă de ordinul a jumătate de micrometru (o milionime de metru). Centrele (sau particulele) de dispersie, la fel de mici ca micrometrul, au fost observate direct în microscopul luminos (de exemplu, mișcarea browniană). Absorbția luminii în solide Când lumina ajunge pe un obiect, nu are de obicei doar o singură frecvență (sau lungime de undă), ci mai multe. Obiectele au tendința de a absorbi selectiv, de a reflecta sau de a transmite lumina anumitor frecvențe. Respectiv, un obiect poate reflecta lumina verde în timp ce absoarbe toate celelalte frecvențe ale luminii vizibile. Un alt obiect ar putea transmite în mod selectiv lumina albastră în timp ce absoarbe toate celelalte frecvențe ale luminii vizibile. Modul în care lumina vizibilă interacționează cu un obiect depinde de frecvența luminii, de natura atomilor din obiect și adesea de natura electronilor din atomii obiectului. Unele materiale permit ca o mare parte a luminii care cade pe ele să fie transmisă prin material fără a fi reflectată. Materialele care permit transmiterea undelor luminoase prin ele sunt denumite optic transparente. Geamul din punct de vedere chimic pur (nedopat) și apa curată sau de izvor curată sunt exemple primare ale acestui lucru.

81 Materialele care nu permit transmiterea niciunei frecvențe a undelor luminoase se numesc opace. Astfel de substanțe pot avea o compoziție chimică care include ceea ce se numește centre de absorbție. Cele mai multe materiale sunt compuse din materiale care sunt selective în absorbția lor a frecvențelor luminoase. Astfel, ele absorb numai anumite porțiuni ale spectrului vizibil. Frecvențele spectrului care nu sunt absorbite sunt reflectate înapoi sau transmise pentru observația noastră fizică. În partea vizibilă a spectrului, acest lucru dă naștere la culoare. Centrele de absorbție sunt în mare măsură responsabile pentru apariția anumitor lungimi de undă ale luminii vizibile în jurul nostru. Trecerile de la lungimi de undă mai mari (0,7 microni) la mai mici (0,4 microni): roșu, portocaliu, galben, verde și albastru (ROYGB) pot fi identificate prin simțurile noastre în apariția culorii prin absorbția selectivă a frecvențelor specifice a undelor luminoase (sau lungimi de undă). Mecanismele de absorbție selectivă a undelor luminoase includ: Electronic: Tranziții în nivelele de energie ale electronului din atom (de exemplu, pigmenți). Aceste tranziții sunt în mod obișnuit în porțiunile ultraviolete (UV) și/sau vizibile ale spectrului. Vibrațional: Rezonanță în modurile vibraționale atomice/moleculare. Aceste tranziții sunt în mod obișnuit în porțiunea infraroșie a spectrului. Amestecul luminii colorate (Amestecul culorilor)

82 (Lumina albă descompusă de o prismă. Culorile primare adiționale sunt clar vizibile.) Există două tipuri de amestec de culori: aditiv și subtractiv. În ambele cazuri, există trei culori primare, trei culori secundare (culori realizate din două din cele trei culori primare în cantități egale) și o culoare terțiară realizată din toate cele trei culori primare. Acest punct este o sursă comună de confuzie,

83 deoarece există seturi diferite de culori primare, în funcție de faptul dacă lucrați cu amestec aditiv sau subtractiv. Amestecul aditiv

84 (Un exemplu simulat de amestecare aditivă a culorilor. Primarele aditive acționează ca surse de lumină, iar roșu, verde și albastru se combină

85 pereche pentru a produce secundarele aditive cian, magenta și galben (care sunt, de asemenea, primare subtractive în teorie, deși pigmenții actuali nu sunt la fel de intenși. Combinarea celor trei primare (centru) produce alb.) Amestecul aditiv de culori este neintuitiv deoarece nu corespunde amestecului de substanțe fizice (cum ar fi vopseaua) care corespunde amestecului subtractiv. De exemplu, se poate amesteca aditiv galben și albastru cu lumină galbenă strălucitoare, împreună cu lumină albastră, care va avea ca rezultat nu verde, ci o lumină albă. Ca și în acest exemplu, trebuie să aveți întotdeauna amestecul de lumină în minte atunci când se analizează amestecarea aditivă a culorilor, deoarece este singura situație în care se produce. În ciuda faptului că este neintuitivă, este conceptual mai simplă decât amestecarea subtractivă. Două fascicule de lumină care sunt suprapuse corespund amestecului aditiv. Prin convenție, cele trei culori primare în amestecarea aditivă sunt roșu, verde și albastru. În absența culorii sau atunci când nu sunt afișate culori, rezultatul este negru. Dacă toate cele trei culori primare sunt afișate, rezultatul este alb. Când combinați roșu și verde, rezultatul este galben. Când combinați roșu și albastru, rezultatul este magenta. Când se combină albastru și verde, rezultatul este cian. Amestecul aditiv este folosit în televizoare și monitoare de calculator pentru a produce o gamă largă de culori folosind doar trei culori primare. Un pixel este o juxtapunere a acestor trei culori primare. Televizoarele de proiecție au de obicei trei proiectoare, câte unul pentru fiecare culoare primară. Amestecul subtractiv

86 (Un exemplu simulat de amestecare a culorilor subtractiv (idealizat). Se presupune o sursă externă de iluminare și fiecare primară atenuează o parte din această lumină. Primarele substractive standard cian, magenta și galben, se combină pereche pentru a obține roșu, verde și albastru secundare

87 subtractive (care în sine sunt primare aditive sau, în practică, variante mai puțin întunecate și mai puțin saturate ale primarelor aditive tipice). Combinând toate cele trei primare (centru) se absoarbe toată lumina, rezultând negru. Pentru pigmenții reali, rezultatul ar fi oarecum complicat de opacitate și comportamentul de amestecare și, în practică, adăugarea unui al patrulea pigment, cum ar fi negrul, poate fi de ajutor. Amestecarea substanțelor fizice colorate corespunde amestecului de culoare subtractivă, deci corespunde intuiției noastre în ceea ce privește amestecul de culori. Pentru a explica mecanismul, să luăm în considerare amestecarea vopselei roșii cu vopsea galbenă. Vopseaua roșie este roșie deoarece atunci când lumina ambientală cade pe ea, compoziția materialului este de așa natură încât absoarbe toate celelalte culori în spectrul vizibil, cu excepția roșu. Lumina roșie, care nu se absoarbe, se reflectă pe vopsea și este ceea ce vedem. Același mecanism descrie culoarea tuturor obiectelor materiale - rețineți că lumina nu este un obiect material - și se aplică și vopselei galbene. Revenind la figura de mai sus demonstrând amestecarea culorilor aditiv, se vede că lumina galbenă este compusă dintr-un amestec (aditiv) de lumină roșie și verde. Când amestecăm cele două vopsele, substanța rezultată are vopsea roșie și vopsea galbenă. Vopseaua galbenă absoarbe toate culorile, cu excepția roșu și verde. Cu toate acestea, vopseaua roșie va absorbi verde reflectat de vopseaua galbenă. Se poate spune că vopseaua roșie scade verdele de pe vopseaua galbenă. Vopseaua rezultată reflectă doar lumina roșie și, astfel, apare roșie ochilor noștri. Rețineți totuși că această descriere este teoretică și că amestecul de pigmenți nu corespunde amestecului ideal de culoare subtractivă, deoarece o anumită lumină din culoarea care cade este încă reflectată de o componentă a vopselei originale. Acest lucru are ca rezultat o culoare mai închisă și desaturată în comparație cu culoarea care ar fi obținută cu filtre ideale. Cele trei culori primare din amestecarea subtractivă care produc cea mai mare gamă sunt galben, magenta și cian, ducând la modelul de culoare CMYK utilizat pe scară largă în imprimarea color. Din punct de vedere istoric, pictorii au folosit galben, roșu și albastru în locul acestora, rezultând o gamă redusă. În amestecarea subtractivă a culorii, absența culorii este albă, iar prezența tuturor celor trei culori primare este neagră. Culorile secundare sunt

88 aceleași cu culorile primare din amestecarea aditivilor și invers. Nu este un accident. Prin amestecarea subtractivă a culorilor secundare aditiv se poate ajunge la culorile primare aditive. Amestecarea subtractivă este utilizată pentru a crea o varietate de culori la tipărirea pe hârtie prin combinarea unui număr redus de culori de cerneală și, de asemenea, la vopsire. Roșu este creat prin amestecarea magenta și galben (îndepărtarea verde și albastru). Verdele este creat prin amestecarea cianului și galbenului (eliminând roșu și albastru, respectiv). Albastrul este creat prin amestecarea cianului și magenta (eliminând roșu și verde). Negrul poate fi aproximat prin amestecarea cianului, magenta și galbenului, deși pigmenții reali nu sunt ideali și negrul pur astfel este aproape imposibil de realizat. Culori complementare

89 (Diagrama cromatică a lui Chevreul din 1855, bazată pe modelul de culoare RYB, care prezintă culori complementare și alte relații)

90 Pentru amestecarea luminii colorate, roata de culori a lui Isaac Newton este adesea folosită pentru a descrie culori complementare, care sunt culori care anulează nuanța celeilalte pentru a produce un amestec acromatic (alb, gri sau negru). Newton a oferit ca o presupunere că culorile exact opuse una cu cealaltă în cercul de nuanță elimină nuanța celuilalt; acest concept a fost demonstrat mai atent în secolul al XIX-lea. O presupunere cheie în cercul de nuanță a lui Newton a fost că nuanțele "fierbinți" sau maxime saturate sunt situate pe circumferința exterioară a cercului, în timp ce albul acromatic este în centru. Atunci, saturația amestecului de două nuanțe spectrale a fost prezisă de linia dreaptă dintre ele; amestecul de trei culori a fost prezis de "centrul de greutate" sau centroidul a trei puncte triunghiulare, și așa mai departe. Conform teoriei culorilor tradiționale bazate pe culori primare substractive și modelul de culori RYB, derivat din amestecuri de vopsele, galbenul amestecat cu violet, portocaliu amestecat cu albastru sau roșu amestecat cu verde produc un gri echivalent și culorile complementare ale pictorului. Aceste contraste formează baza legii lui Chevreul de contrast de culoare: culorile care apar împreună vor fi modificate ca și cum ar fi amestecate cu culoarea complementară a celeilalte culori. Astfel, o bucată de țesătură galbenă plasată pe un fundal albastru va apărea portocaliu colorat, deoarece portocaliul este culoarea complementară cu albastrul. Cu toate acestea, atunci când culorile complementare sunt alese pe baza definiției prin amestecul ușor, acestea nu sunt aceleași cu culorile primare ale artiștilor. Această discrepanță devine importantă atunci când se aplică teoria culorilor în media. Gestionarea culorilor digitale utilizează un cerc de nuanță definit în funcție de culorile primare adiționale (modelul de culoare RGB), deoarece culorile unui monitor de computer sunt amestecuri de aditivi de lumină, nu amestecuri substractive de vopsele. Unul dintre motivele pentru care culorile primare ale artistului funcționează este că pigmenții imperfecți utilizați au curbe de absorbție înclinate și, astfel, schimbă culoarea prin concentrare. Un pigment care este roșu pur la concentrații ridicate se poate comporta mai mult ca purpuriu la concentrații scăzute. Acest lucru îi permite să facă purpuriul care altfel ar fi imposibil. De asemenea, un albastru ultramarin, la concentrații ridicate, apare la

91 concentrații scăzute de cian, permițându-le să fie folosite pentru a amesteca verde. Pigmenții roșii de crom pot apărea în portocaliu și apoi în galben, cu cât concentrația este redusă. Este chiar posibil să se amestece concentrații foarte scăzute de albastru menționat și roșu de crom pentru a obține o culoare verzuie. Acest lucru funcționează mult mai bine cu culorile de ulei decât cu acuarele și coloranți. Deci, primarele vechi depind de curbele de absorbție înclinate și de scurgerile de pigment la locul de muncă, în timp ce cele mai noi derivate din punct de vedere științific depind exclusiv de controlul cantității de absorbție în anumite părți ale spectrului. Un alt motiv pentru care culorile primare corecte nu au fost folosite de artiștii timpurii este că nu erau disponibile ca pigmenți rezistenți. Au fost necesare metode moderne în chimie pentru a le produce. Culori complementare

92 (Culori complementare în modelul de culoare RGB.

93 (Culori complementare în modelul tradițional de culoare RYB.

94 (Culori complementare în teoria procesului oponent.

95 Culorile complementare sunt perechi de culori care, atunci când sunt combinate, se anulează reciproc. Aceasta înseamnă că atunci când sunt combinate, ele produc o culoare din tonuri de gri, alb sau negru. Atunci când sunt plasate una lângă cealaltă, ele creează cel mai puternic contrast pentru cele două culori particulare. Datorită acestei ciocniri puternice de culoare, termenul de culori opuse este adesea considerat mai adecvat decât "culorile complementare". Ce perechi de culori sunt considerate complementare, depinde de teoria culorii pe care o folosim: Teoria culorii moderne folosește fie modelul de culoare aditiv RGB, fie modelul de culoare CMY subtractivă, iar în acestea perechile complementare sunt roșu-cian, verde-magenta și galben-albastru. În modelul tradițional de culoare RYB, perechile complementare de culoare sunt roșu-verde, galben-violet și albastru-portocaliu. Teoria procesului oponent sugerează că cele mai contrastante perechi de culori sunt roșu-verde și albastru-galben. În diferite modele de culori Model tradițional de culoare Pe roata de culoare tradițională, dezvoltată în secolul al XVIII-lea, utilizată de Claude Monet și Vincent van Gogh și de alți pictori și folosită astăzi de mai mulți artiști, culorile primare au fost considerate a fi roșu, galben și albastru, perechile complementare sunt roșu-verde, albastru-portocaliu și galben-violet. În reprezentarea tradițională, o pereche de culori complementare este alcătuită dintr-o culoare primară (galben, albastru sau roșu) și o culoare secundară (verde, violet sau portocaliu). De exemplu, culoarea galben este o culoare primară, iar pictorii o pot face violet prin amestecarea de roșu și albastru; astfel încât atunci când vopseaua galbenă și purpurie sunt amestecate, toate cele trei culori primare sunt prezente. Deoarece vopselele funcționează prin absorbția luminii, având toate cele trei primare împreună, rezultă o culoare neagră sau gri. În manualele de pictura mai recente, culorile

96 primare mai subtile sunt magenta, cian și galben. Culorile complementare pot crea efecte optice izbitoare. Umbra unui obiect pare să conțină o parte din culoarea complementară a obiectului. De exemplu, umbra unui măr roșu va părea să conțină un pic albastru-verde. Acest efect este adesea copiat de către pictorii care doresc să creeze umbre luminoase și mai realiste. De asemenea, dacă te uiți la un pătrat de culoare pentru o perioadă lungă de timp (treizeci de secunde până la un minut) și apoi priviți o hârtie albă sau un perete, veți vedea pentru scurt timp o reminiscență a imaginii pătratului în culoarea sa complementară. Amplasate unul lângă altul ca niște puncte minuscule, în culori partitive mixte, culorile complementare apar gri. Culorile produse de lumină Modelul de culoare RGB, inventat în secolul al XIX-lea și dezvoltat pe deplin în secolul XX, folosește combinații de lumină roșie, verde și albastră pe un fundal negru, pentru a face culorile să fie văzute pe un monitor de calculator sau pe un ecran de televiziune. În modelul RGB, culorile primare sunt roșu, verde și albastru. Combinațiile primare-secundare complementare sunt roșucian, verde-magenta și galben-albastru. În modelul de culoare RGB, lumina a două culori complementare, cum ar fi roșu și cian, combinate la intensitate maximă, vor da lumină albă, deoarece două culori complementare conțin lumină cu întreaga gamă a spectrului. Dacă lumina nu este complet intensă, lumina rezultată va fi gri. În alte modele color, cum ar fi spațiul de culori HSV, culorile neutre (alb, gri și negru) se află de-a lungul unei axe centrale. Culorile complementare (așa cum sunt definite în HSV) se află opuse reciproc pe orice secțiune transversală orizontală. De exemplu, în spațiul de culoare CIE 1931, o culoare a unei lungimi de undă "dominante" poate fi amestecată cu o cantitate de lungime de undă complementară pentru a produce o culoare neutră (gri sau alb).

97 (O stea de culoare tradițională dezvoltată în anul 1867 de Charles Blanc. Culorile tradiționale complementare ale modelului de culoare RYB folosite de artiștii din secolul al XIX-lea, cum ar fi Van Gogh, Monet și Renoir, sunt direct opuse una alteia.

98 (Culorile modelului de culoare RGB, care utilizează combinații de lumină roșie, verde și albastră pe un ecran negru pentru a crea toate culorile văzute pe ecranul computerului sau pe televizor. Culorile complementare sunt opuse reciproc.

99 (Roata de culoare HSV are aceleași culori complementare ca și modelul de culoare RGB, dar le prezintă în trei dimensiuni. Imprimarea culorilor

100 (În modelul color CMYK, culorile primare magenta, cian și galben împreună dau negru, iar perechile complementare sunt magenta-verde, galben-albastru și roșu-cian.)

101 Imprimarea culorilor, ca și pictura, folosește și culori subtile, dar culorile complementare sunt diferite de cele folosite în pictură, deoarece acestea maschează lumina. Ca rezultat, aceeași logică se aplică și culorilor produse de lumină. Imprimarea color folosește modelul de culoare CMYK, făcând culori prin imprimarea cernelurilor cian, magenta, galben și negru. În imprimarea celor mai frecvente culori complementare sunt magenta-verde, galben-albastru și roșu-cian. În ceea ce privește culorile complementare/opuse, acest model oferă exact același rezultat ca și modelul RGB. Negrul este adăugat atunci când este necesar pentru a face culorile mai întunecate. Persistența imaginii Când cineva se uită la o singură culoare (de exemplu, roșu) pentru o perioadă de timp susținută (aproximativ treizeci de secunde până la un minut), și apoi se uită la o suprafață albă, apare o persistență a culorii complementare (în acest caz cian). Acesta este unul dintre mai multe efecte de persistență studiate în psihologia percepției vizuale care sunt în general atribuite oboselii în anumite părți ale sistemului vizual. În cazul de mai sus, fotoreceptorii pentru lumina roșie din retină sunt obosiți, diminuând capacitatea lor de a transmite informațiile către creier. Când lumina albă este privită, părțile roșii de lumină care intră în ochi nu sunt transmise la fel de eficient ca celelalte lungimi de undă (sau culori), iar rezultatul este iluzia vizualizării culorii complementare, deoarece imaginea este acum părtinitoare prin pierderea culorii, în acest caz roșu. Pe măsură ce receptorii primesc timp să se odihnească, iluzia dispare. În cazul în care ne uităm la lumina albă, lumina roșie continuă să apară în ochi (precum și albastru și verde), totuși din moment ce receptorii pentru alte culori luminoase sunt de asemenea obosiți, ochiul va ajunge la un echilibru. Aplicații practice Utilizarea culorilor complementare este un aspect important al designului artistic și grafic estetic. Acest lucru se extinde și la alte domenii, cum ar fi culorile contrastante în logo-uri și afișajul în vânzările cu amănuntul. Atunci când sunt plasate unul lângă celălalt, culorile fac culorile complementare

102 corespunzătoare mai strălucitoare. Culorile complementare au, de asemenea, mai multe utilizări practice. Deoarece portocaliul și albastrul sunt culori complementare, plutele de salvare și vestele de urgență sunt în mod tradițional portocalii, pentru a oferi cel mai mare contrast și vizibilitate când sunt văzute de nave sau aeronave peste ocean. Ochelarii de culoare roșie și cian sunt utilizați în sistemul Anaglyph 3D pentru a produce imagini 3D pe ecranele de calculator. Amestecul pigmenților colorați (Pigmenți)

103 (Pigment natural ultramarin sub formă de pulbere) Un pigment este un material care modifică culoarea luminii reflectate sau transmise ca urmare a absorbției selective a lungimii de undă. Acest proces fizic diferă de fluorescență, fosforescență și alte forme de luminescență, în care un material emite lumină. Multe materiale absorb selectiv anumite lungimi de undă de lumină.

104 Materialele pe care oamenii le-au ales și dezvoltat pentru a fi utilizate ca pigmenți au de obicei proprietăți speciale care le fac ideale pentru colorarea altor materiale. Un pigment trebuie să aibă o intensitate mare de nuanță față de materialele pe care le colorează. Trebuie să fie stabil în formă solidă la temperaturi ambiante. Pentru aplicații industriale, precum și în domeniul artelor, permanența și stabilitatea sunt proprietăți dorite. Pigmenții care nu sunt permanenți sunt numiți fugitivi. Pigmenții fugitive se estompeze în timp, sau la expunerea la lumină, în timp ce unii în cele din urmă se înnegresc. Pigmenții sunt utilizați pentru colorarea vopselei, a cernelii, a plasticului, a țesăturilor, a produselor cosmetice, a alimentelor și a altor materiale. Majoritatea pigmenților utilizați în producție și în artele vizuale sunt coloranți uscați, de obicei măcinați într-o pulbere fină. Această pulbere se adaugă la un liant (sau vehicul), un material relativ neutru sau incolor care suspendă pigmentul și conferă vopselei aderența acestuia. Se face o distincție între un pigment care este insolubil în vehiculul său (rezultând o suspensie) și un colorant, el însuși lichid, solubil în vehiculul său (rezultând o soluție). Un colorant poate acționa ca pigment sau vopsea în funcție de vehiculul implicat. În unele cazuri, un pigment poate fi fabricat dintr-o vopsea prin precipitarea unei vopsele solubilă cu o sare metalică. Pigmentul rezultat este numit pigment de lac. Termenul de pigment biologic este utilizat pentru toate substanțele colorate, independent de solubilitatea lor.

105 (Pigmentul ultramarin sintetic este identic din punct de vedere chimic cu ultramarinul natural) RYB

106 (Roată de culoare standard RYB.

107 RYB (Red, Yellow, Blue - roșu, galben, albastru) este vechiul set standard de culori primare subtractoare utilizate pentru amestecarea pigmenților. Este folosit în artă, în special în pictură. A precedat teoria culorii științifice moderne. Roșu, galben și albastru sunt culorile primare ale roții standard de culori. Culorile secundare, violet, portocaliu și verde formează o altă triadă (VOG - violet, orange, green), formată prin amestecarea cantităților egale de roșu și albastru, roșu și galben, respectiv albastru și galben. Culorile primare RYB au devenit fundamentul teoriilor din secolul al XVIIIlea privind viziunea de culoare, deoarece calitățile senzoriale fundamentale se amestecă în percepția tuturor culorilor fizice și în mod egal în amestecul fizic de pigmenți sau coloranți. Aceste teorii au fost îmbunătățite de cercetările din secolul al XVIII-lea cu privire la o varietate de efecte de culoare pur psihologice, în special contrastul dintre nuanțele "complementare" sau cele opuse produse de imagini remanente de culoare și în umbrele contrastante în lumină colorată. Aceste idei și multe observații personale despre culoare au fost rezumate în două documente fundamentale ale teoriei culorii: Teoria culorilor (1810) a poetului german și ministru Johann Wolfgang von Goethe, și Legea contrastului culorilor simultane (1839) a chimistului Michel-Eugène Chevreul. La sfârșitul secolului al XIX-lea și de la începutul secolului al XVII-lea până la mijlocul secolului al XX-lea, utilizarea terminologiei RYB tradiționale a persistat chiar dacă a fost adoptată triada mai versatilă CMY (Cyan, Magenta, Yellow), cu cianul uneori denumit și "albastru procesat" și magenta ca "roșu procesat". Procese de imprimare CMY și CMYK

108 (Amestecarea culorilor subtractoare) În imprimarea color, culorile obișnuite primare sunt cian, magenta și galben (CMY). Cian este complementul lui roșu, ceea ce înseamnă că cianul servește

109 ca un filtru care absoarbe roșu. Cantitatea de cian aplicată pe o foaie albă de hârtie controlează cât de mult din roșu în lumina albă va fi reflectat înapoi de pe hârtie. În mod ideal, cianul este complet transparent pentru lumina verde și albastră și nu are efect asupra acelor părți ale spectrului. Magenta este complementul lui verde, iar galbenul este completatul lui albastru. Combinații de diferite cantități din cele trei pot produce o gamă largă de culori cu o saturație bună. În imprimantele color cu jet de cerneală și procesele fotomecanice tipice de producție în masă, este inclusă o componentă K (Key - Cheie) de cerneală neagră, rezultând modelul de culoare CMYK. Cerneala neagră servește la acoperirea nuanțelor nedorite în zonele întunecate ale imaginii imprimate, care rezultă din transparența imperfectă a cernelurilor CMY practice; pentru a îmbunătăți claritatea imaginii, care tinde să fie degradată prin înregistrarea imperfectă a celor trei elemente de culoare; și pentru a reduce sau elimina consumul de cerneluri de culoare mai scumpe, în cazul în care numai negru sau gri este necesar. Procesele color pure de culoare aproape nu includ niciodată o componentă K, deoarece în toate procesele obișnuite coloranții CMY utilizați sunt mult mai transparenți, nu există erori de înregistrare pentru camuflaj și înlocuirea cu un colorant negru pentru o combinație saturată de CMY, în cel mai bun caz, este nepractică din punct de vedere tehnologic în fotografiile analogice nonelectronice. Amestecarea subtractivă a straturilor de cerneală

110 (O reprezentare mărită a unor semne mici, care se suprapun parțial, de semifabricate cyan, magenta, galben și negru în procesul de imprimare CMYK. Fiecare rând reprezintă modelul de "rozete" care se suprapune parțial, astfel încât modelele să fie percepute ca albastru, verde și roșii când sunt văzute pe hârtie albă de la o distanță tipică de vizionare. Straturile de cerneală care se suprapun se amestecă subtractiv, în timp ce amestecarea aditivilor prezice aspectul culorii din lumina reflectată de rozete și de hârtia albă între ele.) Modelul de amestecare a culorilor substractive prezice distribuțiile spectrale ale puterii luminii filtrate prin materiale parțial absorbite pe o suprafață reflectorizantă sau transparentă. Fiecare strat absoarbe parțial unele lungimi de undă de lumină din spectrul de iluminare, permițând în același timp altora

111 să treacă prin multiplicare, rezultând un aspect colorat. Suprapunerea straturilor de cerneală în imprimare se amestecă subtractiv peste hârtia albă care reflectă în acest fel pentru a genera imagini color fotorealiste. Numărul tipic de cerneluri dintr-un astfel de proces de imprimare variază de la 3 la 6 (de exemplu, procesul CMYK, hexacromul Pantone). În general, folosirea de mai puține cerneluri ca primare duce la o imprimare mai economică, dar utilizarea mai multor produse poate avea ca rezultat o reproducere mai bună a culorilor. Cyan, magenta și galben sunt culorile primare subtractive bune prin aceea că distribuțiile de putere spectrale ale luminii reflectate de cernelurile idealizate pot fi combinate pentru cele mai mari game de cromaticitate. O cerneală key (prescurtată de la key printing plate - placa de imprimare cheie - care a impresionat detaliile artistice ale unei imagini, de obicei negru) este, de asemenea, utilizată de obicei, deoarece este dificil să se amestece o cerneală neagră suficient de întunecată folosind celelalte trei cerneluri. Înainte ca numele de culoare să fie folosite în mod obișnuit, cian și magenta, aceste culori primare erau adesea cunoscute ca albastru și, respectiv, roșu, iar culoarea lor exactă s-a schimbat în timp, odată cu accesul la pigmenți și tehnologiile noi. Amestecarea vopselelor în palete limitate

112 (Un autoportret de Anders Zorn arătând în mod clar o paletă de patru pigmenți din ceea ce se crede a fi pigmenți alb, ocru galben, vermilion roșu

113 și negru) Culoarea luminii (adică distribuția puterii spectrale) reflectată de suprafețele iluminate acoperite în amestecuri de vopsele, suspensii de particule de pigment, nu este bine aproximată de un model de amestecare subtractiv sau aditiv. Predicțiile de culoare care încorporează efectele de dispersie a particulelor de pigment și grosimea stratului de vopsea necesită abordări bazate pe ecuațiile Kubelka-Munk. Chiar și astfel de abordări nu pot prezice culoarea amestecurilor de vopsele tocmai pentru că variațiile mici ale distribuției dimensiunilor particulelor, concentrațiile de impurități etc. pot fi dificil de măsurat, dar pot afecta perceptibil modul în care lumina este reflectată din vopsea. Artiștii se bazează, de obicei, pe experiența de amestecare și "rețete" pentru a amesteca culorile dorite dintr-un mic set inițial primar de culori și nu utilizează modelarea matematică. Există sute de pigmenți comerciali disponibili pentru artiștii din artele vizuale care se folosesc și se amestecă (în diverse medii, cum ar fi ulei, acuarelă, acril și pastel). O abordare comună este aceea de a folosi doar o paletă limitată de pigmenți primari (adesea între patru și opt) care pot fi amestecate fizic cu orice culoare pe care artistul o dorește în lucrarea finală. Nu există un set specific de pigmenți care sunt considerate culori primare, alegerea pigmenților depinde în întregime de preferința subiectivă a artistului pentru subiectul și stilul de artă, precum și din considerente materiale precum rezistența la lumină și euristica de amestecare. Artiștii clasici contemporani au susținut de multe ori că o paletă limitată de pigment alb, roșu, galben și negru (deseori descrisă ca "paleta Zorn") este suficientă pentru o bună lucrare. De ce e cerul albastru?

114 (Cer albastru senin) Cerul albastru este albastru deoarece aerul împrăștie lumină cu lungimi de undă scurte mai mult decât lungimile de undă mai lungi. Deoarece lumina albastră este la capătul scurt al lungimii de undă a spectrului vizibil, este mai puternic împrăștiată în atmosferă decât lumina roșie cu lungime de undă lungă. Rezultatul este că atunci când privim cerul, în altă decât spre Soare, ochiul uman îl percepe ca fiind albastru. Culoarea percepută este similară cu cea obținută de un albastru monocromatic cu lungimea de undă de nm amestecat cu lumină albă, adică o lumină albastră nesaturată. Explicația culorii albastre dat de Rayleigh în 1871 este unul dintre cele mai cunoscute exemple de aplicare a analizei dimensionale în rezolvarea unei probleme în fizică.

115 Aproape de răsăritul soarelui și apusul soarelui, cea mai mare parte a luminii solare ajunge aproape tangențial la suprafața Pământului; astfel, traiectoria luminii prin atmosferă este atât de lungă încât o mare parte din lumina albastră și chiar verde este împrăștiată pe parcurs, depărtându-se de razele soarelui și de norii care rămân luminați roșu. Prin urmare, când privim cerul la apusul soarelui și la răsăritul soarelui, vedem culoarea roșie mai mult decât celelalte culori. (Compararea eficienței de împrăștiere a luminii albastre în atmosferă în

116 comparație cu lumina roșie. Împrăștierea și absorbția sunt cauze majore ale atenuării radiației de către atmosferă. Difracția variază în funcție de raportul dintre diametrul particulei și lungimea de undă a radiației. Când acest raport este mai mic decât aproximativ o zecime, se produce împrăștierea Rayleigh. În acest caz, coeficientul de împrăștiere variază invers cu a patra putere a lungimii de undă. La rapoarte mai mari, împrăștierea variază într-un mod complex, descris pentru particulele sferice prin teoria lui Mie; legile opticii geometrice încep să se aplice la un raport de ordinul 10. În cazul cerului la zenit, acesta este albastru în timpul zilei, datorită împrăștierii Rayleigh care implică gaze diatomice (N 2, O 2 ). Aproape de apus și mai ales în timpul crepusculului, absorbția de ozon (O 3 ) contribuie în mod semnificativ la menținerea culorii albastre a cerului. Radiația difuză a cerului

117 (Un spectru de cer albastru arată clar liniile solare Fraunhofer și banda de absorbție a apei atmosferice.) Radiația difuză a cerului este o radiație solară care atinge suprafața Pământului după ce a fost împrăștiată din fasciculul solar direct prin molecule sau particule în atmosferă. De asemenea, este numit radiație celestă, lumină cerească difuză, sau doar lumina cerească, fiind motivul pentru schimbările de culoare ale cerului. Din lumina totală îndepărtată din fasciculul solar direct prin împrăștierea în atmosferă (aproximativ 25% din radiația incidentă când și unde Soarele se găsește sus pe cer, în funcție de cantitatea de praf, ceață și alte particule din atmosferă), aproximativ două treimi ating în cele din urmă pământul ca o radiație difuză a cerului. Când Soarele se află la zenit într-un cer fără nori, la 1361 W/m 2 deasupra atmosferei, lumina directă a soarelui este de aproximativ 1050 W/m 2, iar iradiația solară totală este de aproximativ 1120 W/m 2. Aceasta implică faptul că în aceste condiții radiația difuză este de numai aproximativ 70 W/m 2 față de versiunea originală de 1361 W/m 2.

118 Procesele dominante de împrăștiere a radiației în atmosferă (împrăștierea Rayleigh și împrăștierea Mie) sunt de natură elastică, prin care lumina poate fi deviată de la traiectorie fără a fi absorbită și fără nicio schimbare în lungimea de undă. Împrăștierea Rayleigh (Împrăștierea Rayleigh determină nuanța albastră a cerului în timpul zilei și înroșirea soarelui la apus.) Împrăștierea Rayleigh, numită după fizicianul britanic Lord Rayleigh (John William Strutt), este dispersia elastică (dominantă) a luminii sau a altor radiații electromagnetice de particule mult mai mici decât lungimea de undă a radiației. Împrăștierea Rayleigh nu schimbă starea materialului și este, prin

119 urmare, un proces parametric. Particulele pot fi atomi sau molecule individuale. Poate să apară când lumina se deplasează prin solide și lichide transparente, dar este cel mai vizibil în gaze. Rezultatele împrăștierii Rayleigh rezultă din polarizabilitatea electrică a particulelor. Câmpul electric oscilant al unei unde luminoase acționează asupra sarcinilor din interiorul unei particule, determinându-le să se miște la aceeași frecvență. Prin urmare, particula devine un dipol mic radiant a cărui radiație îl vedem ca lumină împrăștiată. Împrăștierea Rayleigh a luminii solare în atmosferă provoacă radiații difuze ale cerului, care este motivul pentru culoarea albastră a cerului și tonul galben al soarelui însuși. Pentru frecvențele de undă cu mult sub frecvența de rezonanță a particulelor de dispersie (regimul de dispersie normal), cantitatea de împrăștiere este invers proporțională cu lungimea de undă la puterea a patra. Împrăștierea Rayleigh a azotului molecular și a oxigenului molecular în atmosferă include împrăștierea elastică, precum și contribuția inelastică a împrăștierii Raman rotaționale în aer, deoarece modificările numărului de cavități ale fotonului împrăștiat sunt de obicei mai mici de 50 cm -1. Acest lucru poate duce la modificări în starea de rotație a moleculelor. Mai mult, contribuția inelastică are aceeași dependență de lungimi de undă ca și partea elastică. Împrăștierea prin particule similare sau mai mari decât lungimea de undă a luminii este tratată în mod obișnuit prin teoria Mie, aproximarea dipolului discret și alte tehnici de calcul. Împrăștierea Rayleigh se aplică particulelor mici, în ceea ce privește lungimile de undă ale luminii și care sunt optic "ușoare" (adică cu un indice de refracție apropiat de 1). Pe de altă parte, teoria difracției anormale se aplică particulelor optice ușoare, dar mai mari. De ce e cerul albastru

120 (Lumina albastră împrăștiată este polarizată. Imaginea din dreapta este luată printr-un filtru polarizator: polarizatorul transmite lumină care este polarizată liniar într-o anumită direcție. Dependența puternică a lungimii de undă a dispersiei (~λ -4 ) înseamnă că lungimile de undă mai scurte (albastre) sunt împrăștiate mai puternic decât lungimile de undă mai lungi (roșii). Aceasta are ca rezultat lumina albastră indirectă provenind din toate regiunile cerului. Împrăștierea Rayleigh este o bună aproximare a modului în care se produce împrăștierea luminii în diverse medii pentru care particulele de dispersie au o dimensiune mică (parametru). O porțiune a fasciculului de lumină provenit de la soare se împrăștie pe moleculele de gaz și alte particule mici din atmosferă. Aici, împrăștierea Rayleigh apare în primul rând prin interacțiunea soarelui cu molecule de aer localizate la întâmplare. Este această lumină împrăștiată care dă cerului înconjurător strălucirea și culoarea sa. Așa cum s-a afirmat anterior, împrăștierea Rayleigh este invers proporțională cu lungimea de undă la puterea a patra, astfel încât lungimile de undă mai scurte violet și albastru se vor împrăștia mai mult decât lungimile de undă mai lungi (galben și mai ales roșu). În plus, oxigenul din atmosfera Pământului absoarbe lumina la marginea regiunii ultra-violete a spectrului. Culoarea rezultată, care apare ca un albastru pal, este de fapt un amestec de toate culorile împrăștiate, în principal albastru și verde. Dimpotrivă, privind spre soare, culorile care nu

121 sunt împrăștiate - lungimile de undă mai lungi, cum ar fi lumina roșie și galbenă - sunt direct vizibile, dând soarelui o nuanță ușor gălbuie. Privit din spațiu, cerul este negru și soarele este alb. Înroșirea soarelui este intensificată atunci când este aproape de orizont, deoarece lumina primită direct de la el trebuie să treacă prin mai multă atmosferă. Efectul este și mai puternic, deoarece lumina soarelui trebuie să treacă printr-o proporție mai mare a atmosferei mai aproape de suprafața pământului, unde este mai densă. Aceasta elimină o parte semnificativă a luminii mai scurte (albastru) și a lungimii de undă medie (verde) de pe calea directă spre observator. Lumina rămasă neîmprăștiată este, prin urmare, cea mai mare parte a lungimilor de undă mai lungi, și apare mai roșie. Unele dintre dispersii pot fi de asemenea datorate particulelor de sulfat. La ani de zile după erupțiile mari din Plinian, culoarea albastră a cerului este în mod special intensificată de încărcătura persistentă de sulfați a gazelor stratosfere. În locații cu puțină poluare, cerul de noapte luminat de lună este de asemenea albastru, deoarece lumina lunii este lumina soarelui reflectată, cu o temperatură a culorii ușor mai scăzută datorită culorii maronii a lunii. Cerul luminat de lună nu este perceput ca albastru, totuși, deoarece la niveluri scăzute de lumină, viziunea umană provine în principal din celulele tijelor care nu produc nicio percepție a culorii (efectul Purkinje). Reflexia și refracția (Optica geometrică)

122 (Geometria reflexiei și refracției luminii) Optica geometrică, sau optica razelor, descrie propagarea luminii în termeni de raze. Raza din optica geometrică este o abstracție utilă pentru aproximarea căilor prin care lumina se propagă în anumite circumstanțe. Ipotezele simplificatoare ale opticii geometrice includ că razele de lumină: se propagă în linie dreaptă cât timp călătoresc într-un mediu omogen se curbează și, în anumite circumstanțe, se pot împărți în două, la interfața dintre două medii diferite urmează traiectorii curbate într-un mediu în care se modifică indicele de refracție pot fi absorbite sau reflectate. Optica geometrică nu ține cont de anumite efecte optice, cum ar fi difracția și interferența. Această simplificare este utilă în practică; este o aproximație excelentă atunci când lungimea de undă este mică comparativ cu dimensiunea

123 structurilor cu care interacționează lumina. Tehnicile sunt deosebit de utile în descrierea aspectelor geometrice ale imaginii, inclusiv aberațiilor optice. O rază luminoasă este o linie sau o curbă perpendiculară pe frontul de undă al luminii (și, prin urmare, este coliniară cu vectorul de undă). O definiție puțin mai riguroasă a unei raze de lumină rezultă din principiul lui Fermat, care afirmă că traseul parcurs între două puncte de o rază de lumină este calea care poate fi traversată în cel mai scurt timp. Optica geometrică este deseori simplificată prin realizarea aproximării paraxiale sau prin "aproximarea unghiului mic". Comportamentul matematic devine apoi liniar, permițând componentelor și sistemelor optice să fie descrise prin matrice simple. Aceasta conduce la tehnicile de optică gaussiană și de urmărire a raselor paraxiale, care sunt folosite pentru a găsi proprietățile de bază ale sistemelor optice, cum ar fi pozițiile aproximative ale imaginilor și obiectelor și măriri. Istorie Optica a început cu dezvoltarea lentilelor de către vechii egipteni și mesopotamieni. Cele mai vechi lentile cunoscute, realizate din cristal lustruit, de multe ori cuarț, datează încă din anul 700 î.e.n. pentru lentilele asiriene, cum ar fi lentilele Layard/Nimrud. Vechii romani și greci au umplut sfere de sticlă cu apă pentru a face lentile. Aceste evoluții practice au fost urmate de dezvoltarea teoriilor despre lumină și vedere de către filosofii greci și indieni antici, și de dezvoltarea opticii geometrice în lumea greco-romană. Cuvântul optica provine din cuvântul grecesc antic Ïπτική (optikē), adică "aparență, aspect". Filosofia greacă despre optică s-a desprins în două teorii opuse referitor la modul în care funcționează vederea, "teoria intromisiei" și "teoria emisiilor". Teoria intromisiei consideră vederea ca provenind din obiecte care transmit copii ale lor însele (numite eidola) care sunt captate de ochi. Cu mulți adepți, printre care Democrit, Epicur, Aristotel și urmașii lor, această teorie pare să aibă un anumit contact cu teoriile moderne despre ceea ce este cu adevărat vederea, dar a rămas doar speculații fără o bază experimentală.

124 Plato a articulat mai întâi teoria emisiilor, ideea că percepția vizuală este realizată de raze emise de ochi. El a comentat, de asemenea, inversarea parității oglinzilor în Timaeus. La sute de ani mai târziu, Euclid a scris un tratat intitulat "Optica", unde a legat vederea de geometrie, creând o optică geometrică. El și-a bazat lucrarea pe teoria emisiilor a lui Platon, descriind regulile matematice ale perspectivei și efectele calitative ale refracției, deși a pus la îndoială ideea că un fascicul de lumină din ochi ar putea lumina instant stelele de fiecare dată când cineva clipește. Ptolemeu, în tratatul său Optica, a dezvoltat o teorie a extramisiei-intromisiei vederii: razele (sau fluxul) din ochi formează un con, vârful fiind în ochi și baza definind câmpul vizual. Razele sunt sensibile și transmit informații înapoi intelectului observatorului cu privire la distanța și orientarea suprafețelor. El a rezumat o mare parte din Euclid și a descris o modalitate de a măsura unghiul de refracție, deși nu a observat relația empirică dintre acesta și unghiul de incidență. În Evul Mediu, ideile grecești despre optică au fost resuscitate și extinse de scriitori în lumea musulmană. Unul dintre primii a fost Al-Kindi (c ) care a scris despre meritele ideilor aristotelice și euclidiene din optică, favorizând teoria emisiilor, deoarece ar putea cuantifica mai bine fenomenele optice. În anul 984, matematicianul persan Ibn Sahl a scris tratatul "Despre arderea oglinzilor și lentilelor", descriind în mod corect o lege a refracției echivalentă cu legea lui Snell. El a folosit această lege pentru a calcula formele optime pentru lentilele și oglinzile curbate. La începutul secolului al XI-lea, Alhazen (Ibn al-haytham) a scris Cartea opticii (Kitab al-manazir) în care a explorat reflexia și refracția și a propus un nou sistem de explicare a vederii și a luminii bazat pe observație și experiment. El a respins "teoria emisiilor" a lui Ptolemeu cu razele sale fiind emise de ochi, și în schimb a prezentat ideea că lumina reflectată în toate direcțiile în linii drepte din toate punctele obiectelor văzute intră apoi în ochi, deși el nu a fost capabil să explice corect modul în care ochiul a captat razele. Activitatea lui Alhazen a fost în mare parte ignorată în lumea arabă, dar a fost tradusă anonim în latină în jurul anului 1200 și a fost în continuare rezumată și extinsă de călugărul polonez Witelo, făcând din el un text standard privind optica în Europa pentru următorii 400 de ani. Primii ochelari au fost inventați în Italia în jurul anului Acesta a fost începutul industriei optice de șlefuire și lustruire a lentilelor pentru acești

125 "ochelari", mai întâi în Veneția și Florența în secolul al XIII-lea, și mai târziu în centrele de producție a ochelarilor din Olanda și Germania. Producătorii de ochelari au creat tipuri îmbunătățite de lentile pentru corectarea vederii bazate mai mult pe cunoștințele empirice obținute din observarea efectelor lentilelor decât pe utilizarea teoriei optice rudimentare a zilei (teorie care în cea mai mare parte nu a putut explica în mod adecvat modul în care au funcționat ochelarii ) Această dezvoltare practică, stăpânirea și experimentarea cu lentile, au condus direct la inventarea microscopului optic compus în jurul anului 1595 și a telescopului refractar în 1608, ambele apărând în centrele de fabricare a ochelarilor din Olanda. La începutul secolului al XVII-lea, Johannes Kepler a extins optica geometrică în scrierile sale, acoperind lentilele, reflexia oglinzilor plate și curbate, principiile camerelor cu orificiu, legea invers-pătrată care guvernează intensitatea luminii și explicațiile optice ale fenomenelor astronomice, cum ar fi eclipsele lunare și solare și paralaxele astronomice. De asemenea, a reușit să deducă corect rolul retinei ca organ efectiv care înregistrează imagini, fiind capabil să cuantifice în mod științific efectele diferitelor tipuri de lentile pe care producătorii de ochelari le observaseră în ultimii 300 de ani. După inventarea telescopului, Kepler a stabilit baza teoretică a modului în care funcționează și a descris o versiune îmbunătățită, cunoscută sub numele de telescopul keplerian, folosind două lentile convexe pentru a produce o mărire mai mare. Reflexia

126 (Reflecția muntelui Hood în Lacul Mirror.) Reflexa este schimbarea direcției unui front de undă la o interfață între două medii diferite, astfel încât frontul de undă să revină în mediul de proveniență. Exemplele obișnuite includ reflectarea undelor de lumină, sunet și apă. Legea reflexiei spune că pentru reflectarea speculară (optică) unghiul la care unda este incidentă pe suprafață este egal cu unghiul la care se reflectă. Oglinzile prezintă reflexie speculară. În acustică, reflecția provoacă ecouri și este folosită în sonar. În geologie,

127 este importantă în studierea undelor seismice. Reflexia este observată la undele de suprafață pentru corpurile de apă. Reflexia este observată în cazul multor tipuri de unde electromagnetice, pe lângă lumina vizibilă. Reflexia frecvențelor VHF și a frecvențelor mai mari este importantă pentru transmisia radio și pentru radar. Chiar și razele X și razele gamma pot fi reflectate în unghiuri superficiale, cu oglinzi speciale "razante". Reflexia luminii Reflecția luminii este fie speculară (optică, gen oglindă), fie difuză (reținând energia, dar pierzând imaginea) în funcție de natura interfeței. În reflexia speculară, faza undelor reflectate depinde de alegerea originii coordonatelor, dar faza relativă dintre polarizările s și p (TE și TM) este dată de proprietățile mediilor și de interfața dintre ele. O oglindă oferă modelul cel mai comun pentru reflectarea luminii speculare și constă de obicei dintr-o foaie de sticlă cu un strat metalic în care are loc o reflexie semnificativă. Reflexia este îmbunătățită în metale prin suprimarea propagării undelor dincolo de suprafață. Reflexia are loc și la suprafața mediilor transparente, cum ar fi apa sau sticla.

128 (Diagrama reflexiei speculare)

129 În diagramă, o rază de lumină PO cade pe o oglindă verticală în punctul O, iar raza reflectată este OQ. Prin proiectarea unei linii imaginare prin punctul O perpendicular pe oglindă, cunoscută ca normală, putem măsura unghiul de incidență, θ i și unghiul de reflexie, θ r. Legea reflexiei afirmă că θ i = θ r, sau cu alte cuvinte, unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie. De fapt, reflexia luminii poate să apară ori de câte ori lumina se deplasează dintr-un mediu cu un indice de refracție dat într-un mediu cu un indice de refracție diferit. În cel mai general caz, o anumită fracțiune de lumină se reflectă din interfață, iar restul este refractat. Rezolvarea ecuațiilor lui Maxwell pentru o rază de lumină care ajunge la o limită permite derivarea ecuațiilor Fresnel, care pot fi folosite pentru a prezice cât de multă lumină este reflectată și cât de mult este refractată într-o anumită situație. Aceasta este analogă modului în care nepotrivirea impedanței într-un circuit electric determină reflectarea semnalelor. Reflexia internă totală a luminii dintr-un mediu dens are loc dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic. Reflexia internă totală este utilizată ca mijloc de concentrare a undelor care nu pot fi reflectate în mod eficient prin mijloace comune. Telescoapele cu raze X sunt construite prin crearea unui "tunel" convergent pentru unde. Pe măsură ce undele interacționează sub un unghi mic cu suprafața tunelului, acestea se reflectă spre punctul de focalizare (sau spre o altă interacțiune cu suprafața tunelului, eventual direcționându-se către detector la focalizare). Un reflector convențional ar fi inutil, deoarece razele X ar trece pur și simplu prin reflectorul respectiv. Atunci când lumina reflectă un material mai dens (cu un indice de refracție mai mare) decât mediul extern, el suferă o inversare a polarității. Dimpotrivă, un material mai puțin dens, cu un indice de refracție mai mic, va reflecta lumina în fază. Acesta este un principiu important în domeniul opticii de film subțire. Reflexia speculară formează imagini. Reflexia de pe o suprafață plană formează o imagine în oglindă, care pare a fi inversată de la stânga la dreapta deoarece comparăm imaginea pe care o vedem cu ceea ce am vedea dacă am fi fost rotiți în poziția imaginii. Reflexia speculară pe o suprafață curbată

130 formează o imagine care poate fi mărită sau micșorată; oglinzile curbate au putere optică. Astfel de oglinzi pot avea suprafețe sferice sau parabolice. Principiul timpului cel mai scurt (Principiul lui Fermat) (Principiul lui Fermat conduce la legea lui Snell; când sinusurile unghiurilor din diferitele medii sunt în aceeași proporție cu vitezele de propagare, timpul pentru a ajunge de la P la Q este minimizat). În optică, principiul Fermat sau principiul celui mai scurt timp, numit după matematicianul francez Pierre de Fermat, este principiul că traseul parcurs între două puncte de o rază de lumină este calea care poate fi traversată în cel mai scurt timp. Acest principiu este luat uneori ca definiția unei raze de lumină. Cu toate acestea, această versiune a principiului nu este generală; o afirmație mai modernă a principiului este că razele de lumină traversează calea lungimii optice staționare în raport cu variațiile căii. Cu alte cuvinte, o

131 rază de lumină preferă calea astfel încât să existe și alte căi, în mod arbitrar în apropiere, de-o parte și de alta, de-a lungul cărora raza ar trece exact în același timp pentru a traversa. Principiul lui Fermat poate fi folosit pentru a descrie proprietățile razele de lumină reflectate în oglinzi, refractate prin medii diferite sau supuse unei reflecții interne totale. Rezultă matematic din principiul lui Huygens (la limita lungimii de undă mică). Textul lui Fermat, Analyze des refracțions, exploatează tehnica de adecvare pentru a deriva legea lui Snell a refracției și legea reflexiei. Principiul lui Fermat are aceeași formă ca și principiul lui Hamilton și este baza opticii hamiltoniene. Derivare Clasic, principiul lui Fermat poate fi considerat o consecință matematică a principiului lui Huygens. Într-adevăr, din toate undele secundare (de-a lungul tuturor căilor posibile) undele cu căile extreme (staționare) contribuie cel mai mult la interferența constructivă. Să presupunem că undele luminoase se propagă de la A la B prin toate căile posibile AB j, nerestricționate inițial de reguli de optică geometrică sau fizică. Diferitele căi optice AB j vor varia mult în funcție de cantități în exces ale unei lungimi de undă, și astfel undele care ajung la B vor avea o gamă largă de faze și vor avea tendința de a interfera distructiv. Dar dacă există o rută scurtă AB 0, și calea optică variază fără probleme prin ea, atunci un număr considerabil de rute învecinate apropiate de AB 0 vor avea căi optice diferite de AB 0 numai prin cantități de ordinul doi și, prin urmare, vor interfera constructiv. Undele de-a lungul și apropiată de această rută cea mai scurtă vor domina astfel și AB 0 va fi traseul de-a lungul căruia lumina este văzută călătorind. Principiul lui Fermat este principalul principiu al electrodinamicii cuantice care afirmă că orice particulă (de exemplu, un foton sau un electron) se propagă pe toate căile disponibile și neobstrucționate și că interferența sau suprapunerea funcției sale de undă asupra tuturor acelor căi din punctul de observație dă probabilitatea de a detecta particula în acest moment. Astfel,

132 deoarece căile extreme (cele mai scurte, cele mai lungi, sau staționare) nu pot fi complet anulate, ele contribuie cel mai mult la această interferență. La om, de exemplu, principiul lui Fermat poate fi demonstrat într-o situație în care un salvamar trebuie să găsească cel mai rapid mod de a traversa atât plaja, cât și apa, pentru a ajunge la un înotător înecat. Principiul a fost testat în studii cu furnici, în care cuibul de furnici se află pe un capăt al unui container și alimentele se află pe capătul opus, dar furnicile aleg să urmeze calea celui mai scurt timp, mai degrabă decât calea cea mai directă. În mecanica clasică a undelor, principiul lui Fermat rezultă din principiul de extrem al mecanicii (vezi principiul variațional). Istorie Euclid, în anul 320 î.e.n., în Catoptria (pe oglinzi, inclusiv în oglinzile sferice) și Optica, a pus bazele reflecției, repetate de Ptolemeu și apoi în cărțile sale mai detaliat, Heron din Alexandria a descris principiul reflexiei, care a afirmat că o rază de lumină care merge de la punctul A la punctul B, suferind un număr de reflexii pe oglinzile plate în același mediu, are o lungime mai mică decât oricare altă cale din apropiere. Ibn al-haytham (Alhacen), în Cartea de optică (1021), a extins principiul la reflecție și refracție și a exprimat o versiune timpurie a principiului celui mai scurt timp. Experimentele sale s-au bazat pe lucrări anterioare asupra refracției efectuate de omologul grec Ptolemeu. Principiul generalizat al celui mai scurt timp în forma sa modernă a fost elaborat de către Fermat într-o scrisoare din 1 ianuarie 1662 adresată lui Cureau de la Chambre. A fost întâmpinată cu obiecții de către Claude Clerselier în mai 1662, un expert în optică și purtător de cuvânt al cartezienilor în acel moment. Printre obiecțiile sale, Clerselier afirmă:... Principiul pe care-l luați ca bază pentru dovada dvs., și anume că natura acționează întotdeauna folosind cele mai simple și mai scurte căi, este doar una morală și nu una fizică. Nu este și nu poate fi cauza oricărui efect în natură. Originalul francez, de la Mahoney, este după cum urmează:

133 Le principe que vous prenez pour fondement de votre démonstration, à savoir que la nature agit toujours par les voies les plus courtes et les plus simples, n est qu un principe moral et non point physique, qui n est point et qui ne peut être la cause d aucun effet de la nature. Deși principiul lui Fermat nu este singurul, acum știm că poate fi derivat din principii anterioare, cum ar fi principiul lui Huygens. Din punct de vedere istoric, principiul lui Fermat a servit ca principiu călăuzitor în formularea legilor fizice cu utilizarea calculului variațional. Legea reflexiei

134 (Diagrama reflexiei speculare)

135 Legea reflexiei descrie unghiul luminii reflectate: unghiul luminii incidente este același cu unghiul luminii reflectate. Legea reflexiei decurge din difracția unei unde plane cu o lungime de undă mică pe o suprafață limită plată: atunci când dimensiunea suprafeței limită este mult mai mare decât lungimea de undă, atunci electronii pe suprafața limită sunt văzuți oscilând exact în fază numai dintr-o direcție - direcția speculară. Dacă o oglindă devine foarte mică în comparație cu lungimea de undă, legea reflexiei nu mai rămâne valabilă, iar comportamentul luminii este mai complicat. Formula vectorială Legea reflexiei poate fi, de asemenea, exprimată în mod echivalent folosind algebra liniară. Direcția unei raze reflectate este determinată de vectorul incidenței și de vectorul de suprafață normal. Având în vedere o direcție incidentă d i de la suprafață la sursa de lumină și direcția normală a suprafeței d n, direcția reflectată specular d s (toți vectorii unitari) este (d fiind vector matriceal): d s = 2 (d n d i ) d n - d i, unde d n d i este un scalar obtinut cu produsul dot. Diferiți autori pot defini direcțiile incidentă și reflectată cu semne diferite. Presupunând că acești vectori euclidieni sunt reprezentați în formă de coloană, ecuația poate fi exprimată în mod echivalent ca o multiplicare a vectorului matriceal: d s = R d i, unde R este așa numita matrice de transformare Householder, definită ca: R = I - 2d n d n T ; T reprezintă transpunerea și I este matricea identității. Reflectivitate

136 Reflectivitatea este raportul dintre puterea undelor reflectate și cea a undei incidente. Este o funcție a lungimii de undă a radiației și este legată de indicele de refracție al materialului exprimat prin ecuațiile lui Fresnel. În regiunile cu spectru electromagnetic în care absorbția de către material este semnificativă, este legată de spectrul de absorbție electronică prin componenta imaginară a indexului complex de refracție. Spectrul de absorbție electronică al unui material opac, care este dificil sau imposibil de măsurat direct, poate fi, prin urmare, determinat indirect din spectrul de reflecție printr-o transformare Kramers-Kronig. Polarizarea luminii reflectate depinde de simetria dispunerii luminii de detecție incidentă în raport cu momentele de dipol ale tranzițiilor absorbante din material. Măsurarea reflexiei speculare este efectuată cu spectrofotometre de reflexie cu incidență normală sau variabilă (reflectometru), utilizând o sursă de lumină cu lungime de undă de scanare. Măsurătorile de calitate inferioară, folosind un luciometru, cuantifică aspectul lucios al unei suprafețe în unități lucioase. Consecințe Reflecția internă Când lumina se propagă într-un material și care pe o interfață cu un material cu indice de refracție mai scăzut, o parte din lumină se reflectă. Dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic, apare reflexia internă totală: toată lumina este reflectată. Unghiul critic poate fi arătat de către Polarizare θ crit = arcsin(n 2 /n 1 ). Atunci când lumina cade pe o interfață între două materiale, lumina reflectată este în general parțial polarizată. Cu toate acestea, dacă lumina cade pe interfață la unghiul lui Brewster, lumina reflectată este polarizată complet liniar paralel cu interfața. Unghiul lui Brewster este dat de

137 θ B = arctan(n 2 /n 1 ). Imagini reflectate Imaginea dintr-o oglindă plată are următoarele caracteristici: Este la aceeași distanță în spatele oglinzii, deoarece obiectul este în față. Este de aceeași dimensiune ca și obiectul. Este calea dreaptă în sus. Este inversată. Este virtuală, ceea ce înseamnă că imaginea pare să se afle în spatele oglinzii și nu poate fi proiectată pe un ecran. Inversarea imaginilor printr-o oglindă plană este percepută diferit, în funcție de circumstanțe. În multe cazuri, imaginea dintr-o oglindă pare să fie inversată de la stânga la dreapta. Dacă o oglindă plată este montată pe tavan, poate părea că se inversează în sus și în jos dacă o persoană se află sub ea și o privește în sus. În mod similar, o mașină care se rotește la stânga va părea totuși să se rotească la stânga în oglinda retrovizoare pentru șoferul unei mașini din fața acesteia. Inversarea direcțiilor sau lipsa acestora depinde de modul în care sunt definite direcțiile. Mai precis, o oglindă schimbă manevrabilitatea sistemului de coordonate, o axă a sistemului de coordonate pare a fi inversată, iar chiralitatea imaginii se poate schimba. De exemplu, imaginea unui pantof drept va arata ca un pantof stâng. Exemple

138 (Esplanada Trocadero din Paris după ploaie. Stratul de apă prezintă reflexie speculară, reflectând o imagine a Turnului Eiffel și a altor obiecte. Un exemplu clasic de reflexie speculară este o oglindă, care este special concepută pentru reflectarea speculară. În plus față de lumina vizibilă, reflectarea speculară poate fi observată în reflectarea ionosferică a radiațiilor și reflectarea semnalelor radar radio sau microunde de către obiectele zburătoare. Tehnica de măsurare a reflexiei cu raze X exploatează reflexia speculară pentru a studia filmele subțiri și

139 interfețele cu rezoluția sub-nanometrică, utilizând fie surse moderne de laborator, fie raze X sincrotron. Undele non-electromagnetice pot prezenta, de asemenea, reflexie speculară, precum în oglinzile acustice care reflectă sunetul, și oglinzile atomice, care reflectă atomi neutri. Pentru reflexia eficientă a atomilor dintr-o oglindă în stare solidă, se folosesc atomi foarte reci și/sau incidență razantă pentru a oferi o reflexie cuantică semnificativă; oglinzile de difracție Fresnel sunt folosite pentru a spori reflexia speculară a atomilor. Refractometria neutronică utilizează reflexie speculară pentru a studia suprafețele materialelor și interfețele de film subțire într-o manieră similară cu cea a reflexiei cu raze X. Oglinzi plane (Oglinzi)

140 (Hotelul și Turnul Trump International reflectă orizontul de-a lungul râului Chicago, în centrul orașului Chicago ,_DD_05.jpg) O oglindă este un obiect care reflectă lumina astfel încât, pentru lumina incidentă într-un anumit interval de lungimi de undă, lumina reflectată păstrează multe sau majoritatea caracteristicilor fizice detaliate ale luminii originale, numită reflexie speculară. Acest lucru este diferit de alte obiecte

141 care reflectă lumina, care nu păstrează o mare parte din semnalul de undă original, altul decât culoarea și lumina difuz[ reflectat[, cum ar fi vopseaua albă. Cel mai familiar tip de oglindă este oglinda plană, care are o suprafață plană. Oglinzile curbate sunt de asemenea utilizate pentru a produce imagini mărită sau diminuate sau pentru a focaliza lumina sau pentru a denatura imaginea reflectată. Oglinzile sunt folosite în mod obișnuit pentru îngrijirea personală, pentru vizualizarea zonei din spatele și pe părțile laterale ale autovehiculelor în timpul conducerii, decorări și arhitectură. Oglinzile sunt de asemenea utilizate în aparatură științifică, cum ar fi telescoape și lasere, aparate de fotografiat și mașini industriale. Cele mai multe oglinzi sunt proiectate pentru lumină vizibilă; cu toate acestea, sunt utilizate și oglinzi proiectate pentru alte lungimi de undă ale radiației electromagnetice. Efecte Forma suprafeței unei oglinzi Un fascicul de lumină se reflectă ]n o oglindă la un unghi de reflexie egal cu unghiul de incidență (dacă dimensiunea unei oglinzi este mult mai mare decât lungimea de undă a luminii). Adică, dacă fasciculul de lumină cade pe o suprafață a oglinzii, la un unghi θ pe verticală, atunci acesta reflectă din punctul de incidență la un unghi θ față de verticală în direcția opusă. Această lege rezultă matematic din interferența unei unde plane pe o suprafață plană (cu o dimensiune mult mai mare decât lungimea de undă). Într-o oglindă plană, un fascicul paralel de lumină își schimbă direcția în ansamblu, rămânând în același timp paralel; imaginile formate de o oglindă plană sunt imagini virtuale, de aceeași dimensiune ca și obiectul original. Într-o oglindă concavă, fasciculele de lumină paralele devin un fascicul convergent, ale cărui raze se intersectează în focarul oglinzii. De asemenea, este cunoscută sub numele de oglindă convergentă. Într-o oglindă convexă, fasciculele paralele devin divergente, cu razele

142 care par să se abată de la un punct comun de intersecție "în spatele" oglinzii (oglindă divergentă). Oglinzile convexe și convexe sferice nu focalizează razele paralele în un singur punct datorită aberației sferice. Cu toate acestea, idealul de focalizare pe un punct este o aproximare folosită în mod obișnuit. Reflectoarele parabolice rezolvă această problemă, permițând razele paralele de intrare (de exemplu, lumina de la o stea îndepărtată) să fie focalizate pe un spot mic, aproape un punct ideal. Reflectoarele parabolice nu sunt potrivite pentru imaginile obiectelor din apropiere deoarece razele de lumină nu sunt paralele.

143 (Fotograful se fotografiază în oglindă curbată la muzeul Universum din Mexico City.

144 Imagine în oglindă Obiectele văzute într-o oglindă (plană) vor apărea inversate lateral (de exemplu, dacă cineva ridică mâna dreaptă, mâna stângă a imaginii va apărea în oglindă ca fiind ridicată), dar nu este inversată vertical (în imaginea capului unei persoane apare încă sus față de corpul lui). Cu toate acestea, o oglindă nu schimbă de obicei stânga cu dreapta și nici sus cu jos. O oglindă în mod obișnuit inversează axa înainte/înapoi. Pentru a fi precis, acesta inversează obiectul în direcția perpendiculară pe suprafața oglinzii (normală). Deoarece stânga și dreapta sunt definite în raport cu partea față-spate și partea sus-jos, "schimbarea" față-spate are drept rezultat percepția unei inversări stânga-dreapta în imagine. (Dacă stați lateral într-o oglindă, oglinda inversează stânga cu dreapta, pentru că aceasta este direcția perpendiculară pe oglindă.) Privind la o imagine proprie cu axa față-spate răsturnată duce la percepția unei imagini cu axa stânga-dreapta schimbată. Când se reflectă în oglindă, mâna dreaptă rămâne direct opusă mâinii drepte reale, dar este percepută ca mâna stângă a imaginii. Atunci când o persoană se uită într-o oglindă, imaginea este de fapt inversată față-spate, ceea ce este un efect similar cu iluzia măștii scobite. Observați că o imagine în oglindă este fundamental diferită de obiect și nu poate fi reprodusă prin simpla rotire a obiectului. Pentru lucruri care pot fi considerate obiecte bidimensionale (ca textul), inversarea față-spate nu poate explica de obicei inversarea observată. În același mod în care textul pe o bucată de hârtie apare inversat dacă este ținut în sus la o lumină și văzut din spate, textul ținut în fața unei oglinzi va apărea inversat, deoarece observatorul se află în spatele textului. Un alt mod de a înțelege inversările observate în imaginile obiectelor care sunt în mod efectiv bidimensionale este că inversarea stânga-dreapta într-o oglindă se datorează modului în care ființele umane și-au întors corpurile. Pentru a vă întoarce de la vizualizarea laturii obiectului îndreptat spre oglindă pentru a vedea reflexia din oglindă, observatorul trebuie să privească în direcția opusă. Pentru a privi în altă direcție, ființele umane își întorc capul în jurul unei axe verticale. Acest lucru determină o inversare stânga-dreapta în imagine, dar nu o inversare în sus. Dacă o persoană se întoarce prin îndoire și se uită la imaginea oglindă dintre picioarele sale, sus-jos va apărea inversat, dar nu

145 stânga-dreapta. Acest tip de inversare este pur și simplu o schimbare față de observator și nu o schimbare intrinsecă a imaginii în sine, ca și în cazul unui obiect tridimensional. Oglinzi plane

146 (Oglinda din argint aurit din secolul al XVIII-lea la Musée des Arts décoratifs, Strasbourg. O oglindă plană este o oglindă cu o suprafață plată (plană) reflectorizantă. Pentru razele luminoase care cad pe o oglindă plană, unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență. Unghiul de incidență este unghiul dintre raza incidentă și suprafața normală (o linie imaginară perpendiculară pe suprafață). Prin urmare, unghiul de reflexie este unghiul dintre raza reflectată și cel normal, iar un fascicul de lumină colimat nu se răspândește după reflectarea de pe o oglindă plană, cu excepția efectelor de difracție. O oglindă plană face o imagine a obiectelor în fața ei; aceste imagini par să se afle în spatele planului în care se află oglinda. O linie dreaptă trasată dintr-o parte a unui obiect în partea corespunzătoare a imaginii sale face un unghi drept cu, și este divizată de suprafața oglinzii plane. Imaginea formată de o oglindă plană este întotdeauna virtuală (ceea ce înseamnă că razele de lumină nu vin de fapt din imagine), în poziție verticală și de aceeași formă și dimensiune ca și obiectul pe care îl reflectă. O imagine virtuală este o copie a unui obiect format la locul de unde apar razele luminoase. Cu toate acestea, imaginea este o imagine "în oglindă" inversată lateral a obiectului. Dacă o persoană se reflectă într-o oglindă plană, imaginea mâinii drepte pare a fi mâna stângă a imaginii. Oglinzile plane sunt singurul tip de oglindă pentru care un obiect real produce întotdeauna o imagine care este virtuală, dreaptă și de aceeași dimensiune ca și obiectul. Obiectele virtuale produc imagini reale, totuși. Lungimea focală a unei oglinzi plane este infinit; puterea sa optică este zero. Preparare

147 (O diagrama a razei pentru o oglindă plană. Razele de lumină incidentă din obiect creează o imagine în oglindă aparentă pentru observator.) O oglindă plană este realizată utilizând o suprafață foarte reflectată și lustruită, cum ar fi o suprafață de argint sau aluminiu, într-un proces numit argintare. După argintare, la partea din spate a oglinzii se aplică un strat subțire de oxid de plumb roșu. Suprafața de reflexie reflectă cea mai mare parte a luminii când cade pe ea, atâta timp cât suprafața a rămâne necontaminată prin mătuire sau oxidare. Cele mai multe oglinzi plane moderne sunt proiectate cu o bucată subțire de sticlă care protejează și întărește suprafața oglinzii și ajută la prevenirea stricăciunii. Din punct de vedere istoric, oglinzile erau simple bucăți de cupru lustruite, obsidian, alamă sau un metal prețios. De asemenea, există oglinzi din lichid, deoarece

148 elementele galiu și mercur sunt ambele foarte reflexive în starea lor lichidă. Relația cu oglinzile curbate Din punct de vedere matematic, o oglindă plană poate fi considerată a fi limita oricărei oglinzi curbe convexe sau convexe, deoarece raza și, prin urmare, lungimea focală devin infinite. Reflexia difuză

149 (Reflexie difuză și speculară de pe o suprafață lucioasă. Radiațiile reprezintă intensitatea luminoasă, care variază în conformitate cu legea cosinusului Lambert pentru un reflector difuz ideal. Reflexia difuză este reflectarea luminii sau a altor unde sau particule de o suprafață astfel încât o rază incidentă pe suprafață să fie împrăștiată la mai multe unghiuri, mai degrabă decât într-un singur unghi ca în cazul reflexiei speculare. O suprafață ideală difuză reflectorizantă este considerată a prezenta reflexie lambertiană, ceea ce înseamnă că există o luminanță egală atunci când este privită din toate direcțiile la jumătatea spațiului adiacent la suprafață. O suprafață construită dintr-o pulbere neabsorbantă, cum ar fi tencuiala, sau fibre, cum ar fi hârtia, sau dintr-un material policristalin, cum ar fi marmura albă, reflectă difuz lumina cu o mare eficiență. Multe materiale obișnuite prezintă un amestec de reflexie speculară și difuză. Vizibilitatea obiectelor, excluzând cele care emit lumina, este cauzată în primul rând de reflectarea difuză a luminii: este o lumină cu împrăștiere difuză care formează imaginea obiectului în ochiul observatorului. Mecanism

150 (Reflexie difuză de pe o suprafață neregulată.

151 Reflexia difuză a solidelor nu se datorează, în general, rugozității suprafeței. O suprafață plană este într-adevăr necesară pentru a oferi o reflexie speculară, dar nu împiedică reflexia difuză. O bucată de marmură albă lustruită rămâne albă; nici o cantitate de lustruire nu o va transforma într-o oglindă. Lustruirea produce o reflexie speculară, dar lumina rămasă continuă să se reflecte difuz. Cel mai general mecanism prin care o suprafață dă reflecție difuză nu implică exact suprafața: cea mai mare parte a luminii este contribuită de centrele de împrăștiere de sub suprafață, așa cum este ilustrat în prima figură de mai sus. Dacă ne imaginăm că figura reprezintă zăpada și că poligoanele sunt cristalitele sale de gheață (transparente), o rază care cade pe ele este parțial reflectată (câteva procente) de prima particulă, intră în ea, este din nou reflectată de interfața cu a doua particulă, intră în ea, și așa mai departe, generând o serie de raze "primare" împrăștiate în direcții aleatorii, care, la rândul lor, prin același mecanism, generează un număr mare de raze "secundare" împrăștiate, care generează raze "terțiare" și așa mai departe. Toate aceste raze trec prin cristalele de zăpadă, care nu absorb lumina, până când ajung la suprafață și ies în direcții aleatorii. Rezultatul este că lumina care a fost trimisă este returnată în toate direcțiile, astfel încât zăpada este albă, în ciuda faptului că este făcută din material transparent (cristale de gheață). Pentru simplitate se vorbește aici despre "reflexii", dar mai general interfața dintre particulele mici care constituie multe materiale este neregulată pe o scară comparabilă cu lungimea de undă a luminii, astfel încât lumina difuză este generată la fiecare interfață, mai degrabă decât o singură rază reflectată. Acest mecanism este foarte general, deoarece aproape toate materialele obișnuite sunt făcute din "lucruri mici" care se țin împreună. Materialele minerale sunt, în general, policristaline: se pot descrie ca fiind realizate dintrun mozaic 3D de cristale defecte mici, neregulate. Materialele organice sunt de obicei compuse din fibre sau celule, cu membranele lor și structura lor internă complexă. Și fiecare interfață, neomogenitate sau imperfecțiune poate să devieze, să reflecte sau să împrăștie lumina, reproducând mecanismul de mai sus. Puține materiale nu produc reflexie difuză: printre acestea se numără și metalele care nu permit intrarea luminii; gaze, lichide, sticlă și materiale

152 plastice transparente (care au o structură microscopică amorfă lichidă); cristale unice, cum ar fi unele pietre prețioase sau cristalul de sare; și unele materiale foarte speciale, cum ar fi țesuturile care fac corneea și lentilele ochiului. Aceste materiale pot reflecta difuz, totuși, dacă suprafața lor este macroscopic dură, ca într-o sticlă înghețată (figura de mai jos), sau, bineînțeles, dacă structura lor omogenă se deteriorează, ca în cataractele lentilei oculare. (Mecanismul general al reflexiei difuze pe o suprafață solidă (fenomenele de

153 refracție nu sunt reprezentate). O suprafață poate de asemenea să prezinte atât reflexie speculară, cât și difuză, cum ar fi, de exemplu, vopselele lucioase utilizate în vopsirea caselor, care dau și o fracție de reflexie speculară, în timp ce vopselele mate dau o reflexie aproape exclusiv difuză. Cele mai multe materiale pot da o reflexie speculară, cu condiția ca suprafața lor să poată fi lustruită pentru a elimina neregularitățile comparabile cu lungimea de undă a luminii (o fracțiune de micrometru). În funcție de rugozitatea materialului și a suprafeței, reflexia poate fi în cea mai mare parte speculară, în cea mai mare parte difuză sau undeva între ele. Câteva materiale, cum ar fi lichidele și sticlele, nu au subdiviziuni interne care produc mecanismul de împrăștiere de sub suprafață descris mai sus, și astfel oferă doar reflexie speculară. Dintre materialele obișnuite, numai metalele lustruite pot reflecta lumină specular cu eficiență ridicată, ca în cazul aluminiului sau argintului, utilizate în mod obișnuit în oglinzi. Toate celelalte materiale obișnuite, chiar și atunci când sunt lustruite perfect, nu oferă mai mult de câteva procente de reflexie speculară, cu excepția unor cazuri particulare, cum ar fi reflexia unghiului razant într-un lac, sau reflectarea totală a unei prisme de sticlă, sau când este structurată în anumite configurații complexe cum ar fi pielea argintie a multor specii de pești sau suprafața reflectorizantă a unei oglinzi dielectrice. Reflexia difuză poate fi extrem de eficientă, ca și în cazul materialelor albe, datorită însumării numeroaselor reflexii subterane. Obiecte colorate Până în acest moment au fost discutate obiectele albe, care nu absorb lumina. Dar schema de mai sus continuă să fie valabilă în cazul în care materialul este absorbant. În acest caz, razele difuze vor pierde unele lungimi de undă în timpul deplasării lor în material și vor ieși colorate. Difuzia afectează culoarea obiectelor într-o manieră substanțială deoarece determină calea medie a luminii din material și, prin urmare, în ce măsură sunt absorbite diferitele lungimi de undă. Cerneala roșie arată neagră când

154 rămâne în sticlă. Culoarea sa reală este percepută numai atunci când este plasată pe un material de împrăștiere (de ex. hârtie). Acest lucru se datorează faptului că traseul luminii prin fibrele de hârtie (și prin cerneală) este doar o fracțiune de milimetru lungime. Cu toate acestea, lumina din sticlă a trecut câțiva centimetri prin cerneală și a fost puternic absorbită, chiar și lungimile sale de undă roșii. Și, atunci când un obiect colorat are atât reflexie difuză, cât și reflecție, de obicei numai componenta difuză este colorată. O cireașă reflectă difuziv lumina roșie, absoarbe toate celelalte culori și are o reflexie speculară care este în esență albă (dacă lumina incidentă este lumină albă). Acest lucru este destul de general, deoarece, cu excepția metalelor, reflexia majorității materialelor depinde de indicele lor de refracție, care variază foarte puțin cu lungimea de undă (deși această variație cauzează dispersia cromatică într-o prismă), astfel încât toate culorile să fie reflectate aproape cu aceeași intensitate. În schimb, reflexiile provenite din diferite surse pot fi colorate: reflecțiile metalice, cum ar fi aurul sau cuprul, sau reflexiile interferențiale: irizări, pene de păun, aripi de fluture, gândacul elytra sau acoperirea antireflexie a unei lentile. Importanța pentru vedere Privind la mediul înconjurător, marea majoritate a obiectelor vizibile sunt văzute în primul rând prin reflexia difuză de pe suprafața lor. Acest lucru este valabil cu câteva excepții, cum ar fi sticla, lichidele reflexive, metalele lustruite sau netede, obiectele lucioase și obiectele care emit lumină: soarele, lămpile și ecranele de calculator (care, totuși, emit lumină difuză). În aer liber este același lucru, poate cu excepția unui flux de apă transparent sau a culorilor irizate ale unui gândac. În plus, împrăștierea Rayleigh este responsabilă pentru culoarea albastră a cerului, iar împrăștierea Mie pentru culoarea albă a picăturilor de apă de nori. Lumina împrăștiată de pe suprafețele obiectelor este de departe lumina primară pe care oamenii o observă vizual. Interreflexia

155 Interreflexia difuză este un proces prin care lumina reflectată de un obiect loveste alte obiecte din zona înconjurătoare, luminându-le. Interreflexia difuză descrie în mod specific lumina reflectată de obiecte care nu sunt strălucitoare sau speculare. În termeni reali, aceasta înseamnă că lumina se reflectă pe suprafețe ne-strălucitoare, cum ar fi solul, pereții sau țesătura, pentru a ajunge în zone care nu sunt direct vizate de o sursă de lumină. Dacă suprafața difuză este colorată, lumina reflectată este de asemenea colorată, rezultând o colorare similară a obiectelor înconjurătoare. În grafica 3D computerizată, interreflexia difuză este o componentă importantă a iluminării globale. Există o serie de moduri de a modela interreflecxa difuză atunci când redați o scenă. Radiozitatea și cartografierea fotonilor sunt două metode utilizate în mod obișnuit. Refracția

156 (Lumina pe suprafața aer-plexiglas în acest experiment suferă refracție (raza inferioară) și reflecție (raza superioară). Refracția este schimbarea direcției de propagare a undelor datorată unei modificări a mediului de transmisie. Fenomenul este explicat prin conservarea energiei și conservarea impulsului. Datorită schimbării mediului, viteza de fază a undei este schimbată, dar frecvența acesteia rămâne constantă. Acest lucru este cel mai frecvent

157 observat atunci când o undă trece de la un mediu la altul la orice unghi diferit de 0 față de normală. Refracția luminii este fenomenul cel mai frecvent observat, dar orice tip de undă poate fi refractată atunci când interacționează cu un mediu; de exemplu atunci când undele sonore trec de la un mediu la altul sau când undele de apă trec în o apă de altă adâncime. Refracția urmează legea lui Snell, care prevede că pentru o pereche dată de medii și o undă cu o singură frecvență, raportul sinusurilor dintre unghiul incidenței θ 1 și unghiul de refracție θ 2 este echivalent cu raportul dintre vitezele de fază (v 1 /v 2 ) în cele două medii sau, echivalent, dintre indicii relativi ai refracției (n 2 /n 1 ) ai celor două medii. Epsilon (ε) și mu (μ) reprezintă constanta dielectrică și momentul magnetic ale diferitelor medii: În general, undele incidente sunt parțial refractate și parțial reflectate (refracție internă); detaliile acestui comportament sunt descrise de ecuațiile Fresnel. Explicaţie

158 (Refracția luminii la interfața dintre două medii cu indici de refracție diferiți, cu n 2 > n 1. Deoarece viteza de fază este mai mică în cel de-al doilea mediu (v 2 < v 1 ), unghiul de refracție θ 2 este mai mic decât unghiul de incidență θ 1 ; adică, raza din mediul cu indice superior este mai aproape de normală.) În optică, refracția este un fenomen care apare adesea atunci când undele se deplasează dintr-un mediu cu un indice de refracție dat la un mediu cu alt indice de refracție la un unghi oblic. La limita dintre medii, viteza de fază a undelor este modificată, de obicei provocând o schimbare de direcție. Lungimea de undă crește sau scade, dar frecvența acesteia rămâne constantă. De exemplu, o rază de lumină se va refracta când intră și iese din sticlă, deoarece există o schimbare a indicelui de refracție. O rază care se deplasează de-a lungul perimetrului (perpendicular pe margine) va suferi schimbări de viteză, dar nu de direcție. Refracția încă apare în acest caz (prin legea lui Snell, deoarece unghiul de incidență va fi 0 ). Înțelegerea acestui concept a dus la inventarea lentilelor și a telescopului refractar.

159 (Un obiect (în acest caz, un creion), scufundat în apă, pare a fi îndoit din cauza refracției: undele luminoase din direcția X schimbă direcția și astfel par să provină din Y. (Mai exact, pentru orice unghi de vedere, Y ar trebui să fie vertical deasupra lui X, iar creionul ar trebui să apară mai scurt, nu mai lung după cum se arată.) Refracția poate fi văzută când privim într-un castron de apă. Aerul are un indice de refracție de aproximativ , iar apa are un indice de refracție de aproximativ Dacă o persoană se uită la un obiect drept, cum ar fi un creion sau un pai, care este plasat înclinat parțial în apă, obiectul pare să se aplece la suprafața apei. Acest lucru se datorează îndoirii razelor de lumină în timp ce se deplasează de la apă la aer. Odată ce razele ajung la ochi, ochiul le urmărește înapoi ca linii drepte (linii de vedere). Liniile de vizare (prezentate ca linii întrerupte) se intersectează într-o poziție mai înaltă decât locul razelor reale. Acest lucru face creionul să apară mai înalt și apa să apară mai mică

160 decât este într-adevăr. Adâncimea cu care apa pare a fi mai mică atunci când este văzută de sus este cunoscută sub numele de adâncime aparentă. Acesta este un aspect important pentru pescuitul de la suprafață, deoarece va face ca peștele țintă să pară într-un loc diferit, iar pescarul trebuie să vizeze o adâncime mai mică pentru a prinde peștii. Dimpotrivă, un obiect de deasupra apei are o înălțime aparentă mai mare atunci când este văzut de sub apă. Pentru unghiuri mici de incidență (măsurate de la normal, când sinθ este aproximativ același cu tanθ), raportul dintre adâncimea aparentă și cea reală este raportul dintre indicele de refracție al aerului și cel al apei. Dar, pe măsură ce unghiul de incidență se apropie de 90, adâncimea aparentă se apropie de zero, deși crește reflexia, ceea ce limitează observarea la unghiuri mari de incidență. În schimb, înălțimea aparentă se apropie de infinit, pe măsură ce unghiul de incidență (de dedesubt) crește, dar chiar și mai devreme, când se apropie de unghiul reflexiei interne totale, deși imaginea dispare și din vedere, când această limită este atinsă.

161 (Diagrama de refracție a undelor de apă. Diagrama de mai sus arată un exemplu de refracție a undei de apă. Valurile se deplasează din stânga și trec peste o regiune mai puțin adâncă înclinat la un unghi față de frontul de undă. Valurile se deplasează mai lent în apa mai puțin adâncă, deci lungimea de undă scade și unda schimbă direcția la limită. Linia punctată reprezintă limita normală. Linia întreruptă reprezintă direcția inițială a undelor. Acest fenomen explică de ce valurile de pe țărm tind să lovească țărmul aproape de un unghi perpendicular. Pe măsură ce valurile se deplasează de la adâncime în apă mai puțin adâncă în apropierea țărmului, ele sunt refractate de la direcția inițială de deplasare până la un unghi mai normal față de țărm. Refracția este, de asemenea, responsabilă de curcubeu și de împărțirea luminii albe într-un spectru de curcubeu, pe măsură ce trece printro prismă de sticlă. Sticla are un indice de refracție mai mare decât aerul. Atunci când un fascicul de lumină albă trece din aer într-un material cu un indice de refracție care variază în funcție de frecvență, apare un fenomen cunoscut sub numele de dispersie, în care componentele colorate ale luminii albe sunt refractate în unghiuri diferite, adică schimbă direcția cu diferite valori la interfață, astfel încât acestea se separă. Diferitele culori corespund diferitelor frecvențe. În timp ce refracția permite fenomene cum ar fi curcubeiele, poate produce și fenomene optice specifice, cum ar fi mirajele și fata morgana. Acestea sunt cauzate de modificarea indicelui de refracție al aerului cu temperatura. Indicele de refracție al materialelor poate fi, de asemenea, neliniar, așa cum se întâmplă în efectul Kerr atunci când lumina cu intensitate ridicată conduce la un indice de refracție proporțional cu intensitatea luminii incidente. Recent, s-au creat metamateriale care au un indice de refracție negativ. Cu metamaterialele, putem obține, de asemenea, fenomene de refracție totală când impedanțele undelor celor două medii sunt potrivite. În acel caz nu există unde reflectate. De asemenea, deoarece refracția poate face ca obiectele să apară mai aproape decât sunt, face ca apa să pară că mărește obiectele. În primul rând, când lumina intră într-o picătură de apă, aceasta încetinește. Dacă suprafața apei nu

162 este plată, atunci lumina va schimba direcția pe o nouă cale. Această formă rotundă va îndoi lumina spre exterior și, pe măsură ce se împrăștie, imaginea care se vede devine mai mare. (Refracția luminii la interfața dintre două medii. O analogie care este adesea propusă pentru a explica refracția luminii este după cum urmează: "Imaginați-vă o bandă de mers care rulează în timp ce se trece pe bandă într-un unghi oblic de pe o zonă pavată (un mediu rapid) în noroi (un mediu mai lent) Persoana care intră în noroi va încetini, ceea ce va face ca traiectoria lui să se modifice cu un unghi mai mare de la normala la bandă (să facă un unghi mai mic față de direcția de mers). Efectele refracției între materiale pot fi minimizate prin potrivirea indicelui, o valoare apropiată a indicilor lor de refracție. Mirajul

163 (Diferite tipuri de miraje într-o singură locație luate de-a lungul a șase minute, care nu sunt indicate în ordinea temporală. Cadrul superior interior prezintă un miraj inferior al Insulelor Farallon. Al doilea cadru interior reprezintă Insulele Farallon cu un bliț verde în stânga. Cele două cadre de jos și cadrul principal arată miraje superioare ale Insulelor Farallon. În toate aceste cadre, mirajele superioare evoluează de la un miraj de 3 imagini (o imagine inversată între două drepte) la o imagine de 5 miraje, și apoi înapoi la un miraj de 2 imagini. Un astfel de afișaj este în concordanță cu o Fata Morgana. Toate cadrele, cu excepția celui superior, au fost fotografiate de la aproximativ de metri deasupra nivelului mării. Cadrul superior a

164 fost fotografiat de la nivelul mării. Un miraj este un fenomen optic natural, în care razele de lumină se îndoaie pentru a produce o imagine deplasată a obiectelor îndepărtate sau a cerului. Mirajele pot fi clasificate drept "inferioare" (mai jos), superioare (mai sus) și "Fata Morgana", un fel de miraj superior care constă dintr-o serie de imagini neobișnuit de elaborate, stivuite vertical, care formează un miraj rapid în schimbare. Spre deosebire de o halucinație, un miraj este un fenomen optic real care poate fi capturat pe cameră, deoarece razele luminoase sunt de fapt refractate pentru a forma imaginea falsă la locul observatorului. Ceea ce imaginea pare să reprezinte, totuși, este determinat de facultățile interpretative ale minții umane. De exemplu, imaginile inferioare de pe uscat pot fi confundate foarte ușor cu reflexiile unei mici zone de apă. Mirajul inferior

165 (Un miraj inferior în deșertul Mojave, primăvara) Pentru călătorii epuizați în deșert, un miraj inferior poate părea a fi un lac de apă în depărtare. Un astfel de miraj se numește "inferior" deoarece mirajul se află sub obiectul real. Obiectul real într-un miraj inferior este cerul (albastru) sau orice obiect îndepărtat (deci albăstrui) în aceeași direcție. Mirajul determină observatorul să vadă o zonă luminoasă și albastră la sol în depărtare. Razele de lumină provenind dintr-un anumit obiect îndepărtat se deplasează prin aproape aceleași straturi de aer și toate sunt îndoite cu aproximativ aceeași valoare. Prin urmare, razele care vin din partea de sus a obiectului vor ajunge mai jos decât cele din partea de jos. Imaginea este, de obicei, inversată vertical, sporind iluzia că imaginea cerului văzută la distanță este într-adevăr

166 o băltoacă de apă sau de ulei, acționând ca o oglindă. Imaginile inferioare nu sunt stabile. Aerul cald se înalță, iar aerul mai rece (fiind mai dens) coboară, astfel încât straturile se vor amesteca, generând turbulențe. Imaginea va fi distorsionată în consecință. Poate vibra; poate fi extinsă disproporționat vertical sau orizontal. Dacă există mai multe straturi de temperatură, mai multe miraje se pot amesteca, provocând probabil imagini duble. În orice caz, mirajele nu sunt de obicei mai mari de jumătate din înălțime (aceeași dimensiune aparentă ca soarele și luna) și doar pentru obiectele aflate la câțiva kilometri distanță. Încețoșarea

167 (Încețoșarea cauzată de evacuarea gazelor motorului cu jet. Încețoșarea, denumită și mirajul cald, se referă la mirajul inferior experimentat atunci când se vizualizează obiecte printr-un strat de aer încălzit; de exemplu vizualizarea obiectelor pe asfalt fierbinte sau prin gazele de evacuare produse de motoarele cu jet. Atunci când apare pe drumuri datorită asfaltului cald, acesta este adesea denumit miraj de drum. Convecția determină variația temperaturii aerului, iar variația dintre aerul cald la suprafața drumului și aerul rece mai dens de deasupra acestuia creează

168 un gradient în indicele de refracție al aerului. Acest lucru produce un efect estompat, care afectează capacitatea de a vedea clar obiecte, efectul fiind mai puternic atunci când imaginea este mărită printr-un telescop sau un teleobiectiv. (Mirajul cald de drum, "apa falsă" pe drum, cel mai frecvent exemplu de miraj inferior. Lumina de la cer, la un unghi mic față de drum, este refractată de gradientul indicelui, făcând să pară că cerul este reflectat de suprafața drumului. Mintea interpretează acest lucru ca o pânză de apă pe drum, deoarece apa reflectă cerul. Iluzia se estompează odată cu apropierea. Pe asfaltul șoselelor se poate vedea ca și cum s-ar fi vărsat apă, sau chiar

169 petrol. Aceste tipuri de miraje inferioare sunt adesea numite "miraje de deșert" sau "miraje de autostradă". Atât nisipul, cât și asfaltul pot deveni foarte fierbinți atunci când sunt expuse la soare, fiind cu ușurință cu mai mult de 10 C mai fierbinte decât aerul de un metru deasupra, suficient pentru a crea condiții potrivite pentru formarea mirajului. Mirajul superior (Miraj superior: avion pe gheață, stațiunea McMurdo din Antarctica.

170 Un miraj superior apare atunci când aerul de sub linia de vizibilitate este mai rece decât aerul de deasupra lui. Acest aranjament neobișnuit se numește o inversiune de temperatură, deoarece aerul cald deasupra aerului rece este opusul gradientului normal al temperaturii atmosferei. Trecând prin temperatura inversată, razele de lumină sunt îndoite și astfel imaginea apare deasupra obiectului adevărat, de unde și numele superior. Mirajele superioare sunt, în general, mai puțin frecvente decât mirajele inferioare, dar, când apar, ele tind să fie mai stabile, deoarece aerul rece nu are tendința de a se mișca și aerul cald nu are tendința de a se deplasa în jos. Mirajele superioare sunt destul de obișnuite în regiunile polare, în special pe suprafețele mari de gheață care au o temperatură uniformă scăzută. Mirajele superioare apar, de asemenea, la latitudini mai moderate, deși în aceste cazuri sunt mai slabe și tind să fie mai puțin uniforme și stabile. De exemplu, o linie de coastă îndepărtată poate să apară că se înalță și să pară mai sus (și, deci, poate mai aproape) decât este într-adevăr. Din cauza turbulențelor, ele pot apare ca niște țepe și turnuri care dansează. Un miraj superior poate fi inversat vertical sau nu, în funcție de distanța obiectului real și de gradientul de temperatură. De multe ori imaginea apare ca un amestec distorsionat de piese sus și jos. Mirajele superioare pot avea un efect neobișnuit datorită curburii Pământului. Dacă Pământul ar fi plat, razele de lumină care se îndoaie ar atinge curând solul și ar fi afectate numai obiectele din apropiere. Deoarece Pământul este rotund, dacă curba descendentă este similară cu curbura Pământului, razele de lumină pot călători pe distanțe foarte mari, chiar dincolo de orizont. Acest lucru a fost observat și documentat pentru prima dată în 1596, când o navă sub comanda lui Willem Barentsz în căutarea pasajului nord-est a ajuns să fie blocată în gheața de la Novaya Zemlya. Echipajul a fost atunci forțat să îndure iarna polară acolo. Ei au văzut că noaptea de iarnă se termină odată cu apariția unui Soare distorsionat cu două săptămâni mai devreme decât era de așteptat. Abia în secolul al XX-lea știința a putut să explice motivul: adevăratul Soare era încă sub orizont, dar razele sale luminoase urmau curbura Pământului. Acest efect este adesea numit mirajul Novaya Zemlya. Pentru fiecare 111,12 kilometri de călătorie a razelor de lumină în paralel cu suprafața Pământului, Soarele va apărea cu 1 mai sus la orizont. Stratul de

171 inversiune trebuie să aibă doar un gradient de temperatură corect pe întreaga distanță pentru a face posibil acest lucru. În același mod, navele care sunt în realitate atât de departe, încât nu trebuie să fie vizibile deasupra orizontului geometric, pot apărea la orizont sau chiar peste orizont ca niște miraje superioare. Acest lucru poate explica câteva povestiri despre navele care zboară sau orașele de coastă de pe cer, după cum au fost descrise de unii exploratori polari. Acestea sunt exemple de așanumite miraje arctice. Dacă gradientul de temperatură pe verticală este de +12,9 C la 100 de metri (unde semnul pozitiv înseamnă că temperatura devine mai caldă pe măsură ce se urcă mai sus), razele orizontale de lumină vor urma doar curbura Pământului, iar orizontul va apărea plat. Dacă gradientul este mai mic (cum este aproape întotdeauna), razele nu sunt suficient de îndoite și se pierd în spațiu, ceea ce reprezintă situația normală a unui "orizont" sferic, convex. În unele situații, obiectele îndepărtate pot fi ridicate sau coborâte, întinse sau scurtate fără implicarea mirajului. Fata Morgana

172 (Secvența unei Fata Morgana a Insulelor Farallon, așa cum se vede din San Francisco. Fata Morgana, a cărei denumire provine din traducerea în limba italiană a lui Morgan le Fay, sora vitregă din povești a regelui Arthur care își putea schimba forma, este un miraj extrem de complex. Apare cu alternanțe de zone comprimate și extinse, imagini înălțate și imagini inversate. Este un miraj cu aspect care se schimbă rapid.

173 Mirajele Fata Morgana sunt cele mai frecvente în regiunile polare, în special pe suprafețe mari de gheață cu o temperatură uniformă scăzută, dar ele pot fi observate aproape oriunde. În regiunile polare, Fata Morgana poate fi observată în zilele reci; în zonele deșertice și peste oceane și lacuri, se poate observa Fata Morgana în zilele fierbinți. Pentru a apare Fata Morgana, inversiunea temperaturii trebuie să fie suficient de puternică încât curburile razei de lumină în cadrul inversiunii să fie mai mari decât curbura Pământului. Razele se vor îndoi și vor crea arce. Un observator trebuie să se afle într-un strat atmosferic ductil pentru a putea vedea Fata Morgana. Fara Morgana poate fi observată de la orice altitudine din atmosfera Pământului, inclusiv în vârfuri de munte sau din avioane. Fata Morgana poate trece de la miraj superior la inferior și înapoi în câteva secunde, în funcție de condițiile în continuă schimbare ale atmosferei. Șaisprezece cadre ale mirajului Insulelor Farallon, care nu pot fi văzute la nivelul mării deloc în condiții normale, deoarece sunt situate sub orizont, au fost fotografiate în aceeași zi. Primele paisprezece cadre au elemente de Fata Morgana - alternări ale zonelor comprimate și extinse. Ultimele două cadre au fost fotografiate câteva ore mai târziu în jurul apusului. Aerul a fost mai rece, în timp ce oceanul a fost probabil puțin mai cald, ceea ce a făcut ca inversarea temperaturii să fie mai mică. Mirajul era încă prezent, dar nu era atât de complex ca cu câteva ore înainte de apus, și nu mai corespundea unei Fata Morgana, ci mai degrabă unui miraj superior. Distorsiunile imaginii și îndoirea luminii pot produce efecte spectaculoase. În cartea Pursuit: Chase și scufundarea lui "Bismarck", autorul Ludovic Kennedy descrie un incident care se presupune că a avut loc în Strâmtoarea Danemarcei în 1941, ca urmare a scufundării lui Hood. Bismarck, urmărit de croazierele britanice Norfolk și Suffolk, a ieșit din raza vizuală într-o ceață de mare. După doar câteva secunde, nava a reapărut navigând spre navele britanice la viteză mare. Alarmate, crucișătoarele s-au despărțit, anticipând un atac iminent, iar observatorii de pe ambele nave se uitau cu uimire cum nava de luptă germană a început să tremure, a devenit neclară și a dispărut. Monitorizarea radar din timpul acestor evenimente a indicat că Bismarck nu a făcut, de fapt, nicio manevră.

174 Miraje de noapte Condițiile de producere a unui miraj pot apare și noaptea. De cele mai multe ori, aceste condiții lipsesc. Cu toate acestea, în anumite cazuri, luminile vehiculelor în mișcare, aeronave, nave, clădiri etc. pot fi observate pe timp de noapte, chiar dacă, la fel ca în cazul mirajului din timpul zilei, obiectele nu vor fi observabile în mod real. Aceasta situație include mirajul obiectelor astronomice. Miraje ale obiectelor astronomice Un miraj al unui obiect astronomic este un fenomen optic natural, în care razele de lumină sunt îndoite pentru a produce imagini distorsionate sau multiple ale unui obiect astronomic. Mirajele pot fi observate pentru astfel de obiecte astronomice precum Soarele, Luna, planetele, stelele strălucitoare și cometele foarte strălucitoare. Cele mai frecvent sunt observate la apusul și răsăritul Soarelui. Dispersia

175 (Într-o prismă dispersivă, dispersia materialului (indicele de refracție dependent de lungimea de undă) determină difracția diferitelor culori la diferite unghiuri, împărțind lumina albă într-un spectru. În optică, dispersia este fenomenul în care viteza de fază a undelor depinde de frecvența lor. Mediile care au această proprietate comună pot fi denumite medii dispersive. Uneori termenul de dispersie cromatică este folosit pentru specificitate. Deși termenul este folosit în domeniul opticii pentru a descrie lumina și alte unde electromagnetice, dispersia în același sens se poate aplica oricărui tip de mișcare a undelor, cum ar fi dispersia acustică în cazul undelor sonore și seismice, în undele gravitaționale (unde oceanice) și pentru semnalele de telecomunicații de-a lungul liniilor de transmisie (cum ar fi cablu coaxial) sau fibră optică. În optică, o consecință importantă și familiară a dispersiei este modificarea unghiului de refracție a diferitelor culori de lumină, așa cum se vede în spectrul produs de o prismă dispersivă și în aberația cromatică a lentilelor. Designul lentilelor acromatice compuse, în care aberația cromatică este în

176 mare măsură anulată, utilizează o cuantificare a dispersiei unei sticlă dată de numărul Abbe V, unde numerele inferioare Abbe corespund unei dispersii mai mari pe spectrul vizibil. În unele aplicații, cum ar fi telecomunicațiile, faza absolută a unei unde nu este adesea importantă, ci numai propagarea pachetelor de unde sau "impulsuri"; în acest caz, pot fi de interes doar variații ale vitezei de grup cu frecvența, așa-numita dispersie a vitezei de grup. (O lampă fluorescentă compactă văzută printr-o prismă Amici.

177 vision_prism_pnr%c2%b00114.jpg) Exemple Cel mai cunoscut exemplu de dispersie este probabil un curcubeu, în care dispersia determină separarea spațială a unei lumini albe în componente de diferite lungimi de undă (diferite culori). Cu toate acestea, dispersia are și un efect în multe alte circumstanțe: de exemplu, dispersia vitezei de grup determină împrăștierea impulsurilor în fibrele optice, degradarea semnalelor pe distanțe lungi; de asemenea, o anulare între dispersia grup-viteză și efectele neliniare conduce la unde soliton. Dispersia materialelor

178 (Variația indicelui de refracție cu de lungimea de undă în vid pentru diferite tipuri de sticlă. Lungimile de undă ale luminii vizibile sunt umbrite în gri.

179 (Influențe ale adaosurilor selectate ale componentelor de sticlă asupra dispersiei medii a unei sticle de bază specifice (n F valabil pentru λ = 486 nm (albastru), n C valabil pentru λ = 656 nm (roșu))) Dispersia materialelor poate fi un efect dorit sau nedorit în aplicațiile optice. Dispersia luminii prin prismele de sticlă este utilizată pentru a construi spectrometre și spectroradiometre. Grilajele holografice sunt de asemenea utilizate, deoarece permit o discriminare mai precisă a lungimilor de undă. Cu toate acestea, în lentile, dispersia provoacă aberații cromatice, un efect nedorit care poate degrada imaginile în microscoape, telescoape și obiective fotografice. Viteza de fază, v, a unei unde într-un mediu uniform dat este dată de

180 v = c/n unde c este viteza luminii în vid și n este indicele de refracție al mediului. În general, indicele de refracție este o funcție a frecvenței f a luminii, astfel n = n(f), sau alternativ, în raport cu lungimea de undă a undelor n = n(λ). Dependența lungimii de undă a indicelui de refracție al unui material este cuantificată de obicei prin numărul Abbe sau coeficienții săi într-o formulă empirică, cum ar fi ecuațiile Cauchy sau Sellmeier. Din cauza relațiilor Kramers-Kronig, dependența lungimii de undă a părții reale a indicelui de refracție este legată de absorbția materialului, descrisă de partea imaginară a indicelui de refracție (numită și coeficientul de extincție). În special, pentru materialele nemagnetice (μ = μ 0 ), susceptibilitatea χ care apare în relațiile Kramers-Kronig este susceptibilitatea electrică χ e = n 2-1. Cea mai frecvent observată consecință a dispersiei în optică este separarea luminii albe într-un spectru de culoare printr-o prismă. Din legea lui Snell se poate observa că unghiul de refracție a luminii într-o prismă depinde de indicele de refracție al materialului prismatic. Din moment ce indicele de refracție variază cu lungimea de undă, rezultă că unghiul la care lumina este refractată va varia de asemenea cu lungimea de undă, determinând o separare unghiulară a culorilor cunoscute sub denumirea de dispersie unghiulară. Pentru lumina vizibilă, indicele de refracție n ale celor mai transparente materiale (de exemplu, aer, sticlă) scade cu lungimea de undă în creștere λ: sau alternativ: 1 < n(λ roșu ) < n(λ galben ) < n(λ albastru ), dn/dλ < 0. În acest caz, se consideră că mediul are dispersie normală. Dacă indicele crește cu lungimea de undă în creștere (care este în mod obișnuit cazul în ultraviolet), se consideră că mediul are dispersie anormală. La interfața unui astfel de material cu aer sau vid (indice ~ 1), legea lui Snell

181 prezice că lumina incidentă la un unghi θ la normală va fi refractată la un unghi arcsin(sinθ/n). Astfel, lumina albastră, cu un indice de refracție mai mare, va fi îndoită mai puternic decât lumina roșie, rezultând bine-cunoscutul model curcubeu. Curcubeul (Curcubeu dublu și curcubeu multiplu în interiorul arcului primar. Umbra capului fotografului de pe fundal marchează centrul cercului curcubeului (punctul antisolar). Un curcubeu este un fenomen meteorologic cauzat de reflexia, refracția și dispersia luminii în picăturile de apă, rezultând un spectru de lumină care apare pe cer. Are forma unui arc circular multicolor. Curcubeiele cauzate de lumina soarelui apar întotdeauna în secțiunea de cer vizavi de soare. Curcubeiele pot fi cercuri complete. Cu toate acestea, observatorul vede în mod normal numai un arc format din picături iluminate deasupra solului și

182 centrat pe o linie de la soare la ochiul observatorului. Într-un curcubeu primar, arcul arată roșu pe partea exterioară și violet pe partea interioară. Acest curcubeu este cauzat de reflexia luminii atunci când intră într-o picătură de apă, apoi se reflectă în interior pe spatele picăturii și se reface din nou când o părăsește. Într-un curcubeu dublu, un al doilea arc este văzut în afara arcului primar și are ordinea culorilor inversate, cu roșu pe partea interioară a arcului. Acest lucru este cauzat de faptul că lumina se reflectă de două ori pe interiorul picăturii înainte de a o părăsi. Prezentare generală

183 capătului unui curcubeu în Parcul Național Jasper. (Imaginea

184 Un curcubeu nu este localizat la o anumită distanță de observator, ci provine dintr-o iluzie optică cauzată de picăturile de apă privite dintr-un anumit unghi în raport cu o sursă de lumină. Astfel, un curcubeu nu este un obiect și nu poate fi abordat fizic. Într-adevăr, este imposibil ca un observator să vadă un curcubeu din picăturile de apă în orice unghi diferit de cel obișnuit de 42 de grade față de direcția opusă sursei de lumină. Chiar dacă un observator vede un alt observator care pare "sub" sau "la capătul" unui curcubeu, al doilea observator va vedea un curcubeu diferit - mai departe - în același unghi considerat de primul observator. Curcubeiele acoperă un spectru continuu de culori. Orice benzi distincte percepute sunt un artefact de viziune a culorii umane și nicio bandă de niciun tip nu este văzută într-o fotografie alb-negru a unui curcubeu, doar o gradare netedă a intensității la maximum, care apoi se estompează spre cealaltă parte. Pentru culorile văzute de ochiul uman, secvența cea mai frecvent citată și amintită este cea de șapte culori a lui Newton, roșu, oranj, galben, verde, albastru, indigo și violet, amintită de mnemonicul ROGVAIV. Curcubeiele pot fi cauzate de multe forme de apă în aer. Acestea includ nu numai ploaia, ci și ceața, pulverizarea și roua în aer. Numărul de culori în spectru sau curcubeu Un spectru obținut utilizând o prismă de sticlă și o sursă punctuală este un continuum de lungimi de undă fără benzi. Numărul de culori pe care ochiul uman le poate distinge într-un spectru este de ordinul a 100. În consecință, sistemul de culori Munsell (un sistem din secolul XX pentru descrierea numerică a culorilor, bazat pe pași egali pentru percepția vizuală umană) distinge 100 nuanțe. Dispersia aparenta a culorilor principale este un artefact al percepției umane, iar numărul exact al culorilor principale este o alegere oarecum arbitrară.

185 Newton, care a recunoscut că ochii lui nu erau foarte sensibili în diferențierea

186 culorilor, inițial (1672) a împărțit spectrul în cinci culori principale: roșu, galben, verde, albastru și violet. Mai târziu a inclus oranj (portocaliu) și indigo, oferind șapte culori principale prin analogie cu numărul de note pe o scară muzicală. Newton a ales să împartă spectrul vizibil în șapte culori dintro credință derivată din convingerile greco-sofiste antice, care considerau că există o legătură între culori, notele muzicale, obiectele cunoscute din Sistemul Solar și zilele săptămânii. (Curcubeu (mijloc: real, jos: calculat) comparativ cu spectrul real (sus): culori nesaturate și profil de culoare diferit. Potrivit lui Isaac Asimov, "Este obișnuit să enumerăm indigo ca o culoare situată între albastru și violet, dar niciodată nu mi s-a părut că indigo merită demnitatea de a fi considerată o culoare separată." Modelul de culoare al unui curcubeu diferă de un spectru, iar culorile sunt

187 mai puțin saturate. Există o distorsionare spectrală într-un curcubeu datorită faptului că pentru o anumită lungime de undă există o distribuție a unghiurilor de ieșire, mai degrabă decât un unghi unic de înclinație. În plus, un curcubeu este o versiune neclară a arcului obținut dintr-o sursă punctuală, deoarece diametrul discului soarelui (0,5 ) nu poate fi neglijat în comparație cu lățimea unui curcubeu (2 ). Prin urmare, numărul de benzi de culoare ale unui curcubeu poate fi diferit de numărul de benzi dintr-un spectru, în special dacă picăturile sunt deosebit de mari sau mici. Prin urmare, numărul de culori ale unui curcubeu este variabil. Dacă, totuși, cuvântul curcubeu este folosit inexact pentru a înțelege spectrul, el este în acest caz numărul de culori principale din spectru. Întrebarea dacă toată lumea vede șapte culori într-un curcubeu este legată de ideea de relativitate lingvistică. S-au făcut sugestii că există universalitate în modul în care este perceput un curcubeu. Cu toate acestea, cercetările mai recente sugerează că numărul de culori distincte observate și cum sunt numite depind de limbajul care se folosește, de persoanele al căror limbaj are mai puține cuvinte de culoare, de cei care văd mai puține benzi colorate discrete, etc. Explicaţie

188 (Razele de lumină intră într-o picătură de ploaie dintr-o direcție (de obicei, o linie dreaptă de la soare), se reflectă pe partea din spate a picăturii de ploaie și se răsfiră când părăsesc picăturile de ploaie, având intensitatea maximă la unghiurile de 40,89-42 (Notă: între 2 și 100% din lumină este reflectată la fiecare dintre cele trei suprafețe întâlnite, în funcție de unghiul de incidență.) Această diagramă arată doar căile relevante pentru curcubeu.) Când lumina soarelui întâlnește o picătură de ploaie, o parte a luminii se reflectă, iar restul intră în picăturile de ploaie. Lumina este refractată la suprafața picăturii de ploaie. Când această lumină ajunge la partea din spate a

189 picăturii de ploaie, o parte din ea se reflectă înapoi. Când lumina reflectată intern ajunge din nou la suprafață, încă o dată unele sunt reflectate intern și unele sunt refractate în momentul în care ies din picătură. (Lumina care se reflectă pe picătură, iese prin spate sau care continuă să circule în interiorul picăturii după cea de-a doua întâlnire cu suprafața, nu este relevantă pentru formarea curcubeului primar.) Efectul global este acela că o parte din lumina primită este reflectată înapoi în intervalul de la 0 la 42, cu cea mai intensă lumină la 42. Acest unghi este independent de dimensiunea picăturii, dar depinde de indicele său de refracție. Apa de mare are un indice de refracție mai mare decât apa de ploaie, deci raza unui "curcubeu" în stropii de mare este mai mică decât a unui curcubeu adevărat. Acest lucru este vizibil cu ochiul liber printr-o aliniere necorespunzătoare a acestor arcuri. Motivul pentru care lumina care se întoarce este cea mai intensă la aproximativ 42 este că acesta este un punct de cotitură - lumina ajungând la învelișul exterior al picăturii se întoarce la mai puțin de 42, precum lumina care intră în picătură aproape de centrul ei. Există o bandă circulară de lumină care se întoarce complet în jurul valorii de 42. Dacă soarele ar fi un laser care emite raze paralele, monocromatice, atunci luminanța (luminozitatea) arcului ar avea tendința să crească spre infinit la acest unghi (ignorând efectele de interferență). Dar, deoarece luminanța soarelui este finită, iar razele sale nu sunt paralele (acoperă aproape jumătate din cer), luminanța nu tinde la infinit. În plus, valoarea refractată a luminii depinde de lungimea de undă și, prin urmare, de culoarea sa. Acest efect se numește dispersie. Lumina albastră (lungimea de undă mai mică) este refractată la un unghi mai mare decât lumina roșie, dar datorită reflexiei razelor luminoase din spatele picăturii lumina albastră iese din picătură într-un unghi mai mic decât raza de lumină albă incidentă originală, față de lumina roșie. Datorită acestui unghi, albastrul este văzut pe interiorul arcului curcubeului primar și roșu în exterior. Rezultatul este nu numai acela că dă culori diferite diferitelor părți ale curcubeului, ci și că diminuează luminozitatea. (Un "curcubeu" format din picături de lichid fără dispersie ar fi alb, dar mai luminos decât un curcubeu normal.)

190 (Lumina albă se separă în diferite culori la intrarea în picătură datorită dispersiei, cauzând astfel lumina roșie să fie refăcută mai puțin decât lumina albastră.) Lumina din spatele picăturii de ploaie nu suferă o reflecție internă totală și o parte din lumină iese prin spate. Cu toate acestea, lumina care iese prin spatele picăturii de ploaie nu creează un curcubeu între observator și soare, deoarece spectrele emise din partea din spate a picăturii de ploaie nu au o intensitate maximă, așa cum este cazul la celelalte curcubeie vizibile, și astfel culorile se amestecă, în loc să formeze un curcubeu. Nu există un singur curcubeu într-o anumită locație, ci mai multe; totuși, numai unul poate fi văzut în funcție de locația și direcția privirii

191 observatorului când picăturile sunt iluminate cu lumină de la Soare. Toate picăturile de ploaie refractă și reflectă lumina Soarelui în același mod, dar numai lumina de la unele picături de ploaie ajunge la ochiul observatorului. Această lumină este ceea ce constituie curcubeul pentru acel observator. Întregul sistem compus din razele Soarelui, capul observatorului și picăturile de apă (sferice) are o simetrie axială în jurul axei prin capul observatorului și paralel cu razele Soarelui. Curcubeul este curbat deoarece setul tuturor picăturilor de ploaie care au unghiul drept între observator, picătură și soare, se află pe un con, cu vârful spre Soare, cu observatorul în vârf. Baza conului formează un cerc la un unghi de față de linia dintre capul observatorului și umbrele acestora, dar 50% sau mai mult din cerc este sub orizont, cu excepția cazului în care observatorul este suficient de sus deasupra suprafeței pământului și vede totul, de exemplu într-un avion. În mod alternativ, un observator cu punctul de observație adecvat poate vedea cercul complet într-o fântână sau în picăturile unei cascade. Reflexia internă totală (Reflexia internă totală a fasciculului laser într-un bloc de sticlă acrilică) Reflexia internă totală este fenomenul care apare atunci când o undă propagată atinge o limită medie la un unghi mai mare decât un anumit unghi critic față de normala la suprafață. Dacă indicele de refracție este mai mic pe cealaltă parte a limitei și unghiul incident este mai mare decât unghiul critic, una nu poate trece și este în întregime reflectată. Unghiul critic este unghiul de incidență deasupra căruia are loc reflexia internă totală. Acest lucru este în

192 mod obișnuit un fenomen optic, în care sunt implicate unde de lumină, dar are loc cu multe tipuri de unde, cum ar fi undele electromagnetice în general sau undele sonore. Atunci când o undă atinge o limită între diferite materiale cu indici de refracție diferiți, unda va fi în general parțial refractată la suprafața frontală și parțial reflectată. Cu toate acestea, dacă unghiul de incidență este mai mare (adică direcția propagării este mai aproape de a fi paralelă cu limita) decât unghiul critic - unghiul de incidență la care lumina este refractată astfel încât să se deplaseze de-a lungul graniței - atunci unda va nu va trece granița, ci va fi reflectată total înapoi în plan intern. Acest lucru se poate întâmpla numai când unda într-un mediu cu un indice de refracție superior (n 1 ) atinge o limită cu un mediu cu un indice de refracție mai mic (n 2 ). De exemplu, va avea loc dacă lumina ajunge în aer din sticlă, dar nu și atunci când ajunge în sticlă din aer.

193 (Reflexie totală internă într-un bloc de sticlă acrilică semicircular. Explicația optică Reflexia internă totală a luminii poate fi demonstrată utilizând un bloc semicircular de sticlă sau plastic. O "cutie de raze" trimite un fascicul îngust de lumină (o "rază") pe mediul de sticlă. Forma semicirculară asigură faptul că o rază care îndreaptă spre centrul feței plane va lovi suprafața curbată într-

194 un unghi drept; acest lucru va împiedica refracția la limita aer/sticlă a suprafeței curbe. La limita sticlă/aer a suprafeței plane, ceea ce se întâmplă va depinde de unghi. Dacă θ c este unghiul critic, atunci următoarele scenarii descriu ce se va întâmpla în funcție de mărimea unghiului incident. Dacă θ θ c, raza se va diviza; o parte din rază se va reflecta la limită, iar cealaltă se va refracta pe măsură ce trece. Aceasta nu este reflexia internă totală. Dacă θ > θ c, întreaga rază se reflectă la graniță. Nimic din ea nu va trece dincolo. Aceasta se numește reflexie internă totală. Această proprietate fizică face ca fibrele optice să fie utile și binoclurile prismatice posibile. Este, de asemenea, ceea ce dă diamantelor scânteia lor distinctivă, deoarece diamantul are un indice de refracție neobișnuit de mare. Unghiul critic

195 (Ilustrația legii lui Snell, n 1 sinθ i = n 2 sinθ t ) Unghiul critic este unghiul de incidență pentru care unghiul de refracție este de 90. Unghiul de incidență este măsurat în raport cu normala la limita refracției. Luați în considerare o rază de lumină care trece din sticlă în aer. Lumina care iese din interfață este curbată spre geam. Atunci când unghiul incident este crescut suficient, unghiul transmis (în aer) atinge 90 de grade. În acest moment nu se transmite nicio lumină în aer. Unghiul critic θ c este dat de legea lui Snell, n 1 sinθ i = n 2 sinθ t

196 Rearanjând Legea lui Snell, obținem incidența sinθ i = (n 2/ n 1) sinθ t Pentru a găsi unghiul critic, găsim valoarea pentru θ i atunci când θ t = 90 și deci sinθ t = 1. Valoarea rezultată a lui θ i este egală cu unghiul critic θ c. Acum, putem rezolva pentru θ i, și obținem ecuația pentru unghiul critic: θ c = θ i = arcsin(n 2/ n 1 ) Dacă raza incidentei este exact la un unghi critic, raza refractată este tangentă la limita la punctul de incidență. Dacă, de exemplu, lumina vizibilă se deplasează în sticlă acrilică (cu un indice de refracție de aproximativ 1,50) în aer (cu un indice de refracție de 1,00), calculul ar da unghiul critic pentru lumina acrilică în aer, care este θ c = arcsin(1,00/1,50) = 41,8. Lumina incidentă la granița cu un unghi mai mic de 41,8 ar fi parțial transmisă, în timp ce lumina incidentă la granița cu un unghi mai mare față de normală ar fi reflectat în întregime în interior. Dacă fracția n 2/ n 1 este mai mare decât 1, atunci arcsin nu este definit - ceea ce înseamnă că reflexia internă totală nu are loc nici chiar la unghiuri de impact foarte aproape razante. Deci, unghiul critic este definit numai când n 2/ n 1 este mai mic sau egal cu 1.

197 (Refracția luminii la interfața dintre două medii, inclusiv reflexia internă totală. Reflexia internă totală eșuată În condiții obișnuite, undele evanescente transmit energie netă prin interfață. Totuși, dacă un al treilea mediu cu un indice de refracție mai mare decât cel de-al doilea mediu cu indice scăzut este plasat la mai puțin de câteva lungimi de undă distanță de interfața dintre primul mediu și cel de-al doilea mediu, unda evanescentă va fi diferită de cea obișnuită și aceasta va trece energie din cel de-al doilea în cel de-al treilea mediu. Acest proces se numește reflexie internă totală "eșuată" și este foarte similară cu tunelul cuantic. Modelul tunelului cuantic este analogic din punct de vedere matematic dacă se consideră că câmpul electromagnetic este funcția de undă a fotonului. Mediul cu indice scăzut poate fi considerat o barieră de potențial prin care fotonii pot trece prin tunel. Coeficientul de transmisie pentru reflexia internă totală eșuată este foarte sensibil la distanța dintre cel de-al treilea mediu și al doilea mediu (funcția este aproximativ exponențială până când spațiul este aproape închis), astfel încât acest efect a fost adesea folosit pentru a modula transmisia și reflexia optică cu o mare gamă dinamică. Schimbarea de fază la reflexia internă totală Un aspect important al reflecției interne totale este apariția unei schimbări de

198 fază semnificative (mai degrabă decât 0 sau 180 ) la reflexie. Din punct de vedere matematic, acest lucru este exprimat de coeficienții de reflexie Fresnel care dobândesc o parte imaginară. Acest avans de fază rezultă deoarece unghiul de incidență crește dincolo de unghiul critic, dar inegal pentru componentele de polarizare s și p ale undei incidente. Această schimbare de fază dependentă de polarizare a fost descoperită și explicată cantitativ de Augustin-Jean Fresnel, care a folosit-o în invenția sa, rombul Fresnel, în care unghiurile de incidență sunt ajustate astfel încât cele două reflexii interne să determine o deplasare relativă de fază de 90 între două polarizări ale unei unde incidente. Aceasta efectuează aceeași funcție ca o placă cu un sfert de undă, dar este mai acromatică (schimbarea de fază are mai puțină dependență de lungimea de undă). Oricare tip de întârziere cu un sfert de undă poate fi folosit, de exemplu, pentru a transforma polarizarea liniară în polarizare circulară (pe care Fresnel a descoperit-o) și invers. Schimbarea de fază dependentă de polarizare este și motivul pentru care modurile ghidate TE și TM au relații de dispersie diferite. Lentile

199 (O lentilă biconvexă. O lentilă este un dispozitiv optic transmisiv care concentrează sau dispersează un fascicul luminos prin refracție. O lentilă simplă constă dintr-o singură bucată de material transparent, în timp ce o lentilă compusă constă din mai multe lentile (elemente) simple, aranjate de obicei de-a lungul unei axe comune. Lentilele sunt realizate din materiale cum ar fi sticla sau plasticul și sunt prelucrate si lustruite sau turnate în forma dorită. O lentilă poate focaliza lumina pentru a forma o imagine, spre deosebire de o prismă,

200 care refractă lumina fără focalizare. Dispozitivele care concentrează sau dispersează în mod similar undele și alte radiații decât lumina vizibilă sunt de asemenea numite lentile, cum ar fi lentilele pentru microunde, lentilele electronice, lentilele acustice sau lentilele explozive. Construcția lentilelor simple Majoritatea lentilelor sunt lentile sferice: cele două suprafețe sunt părți ale suprafețelor sferelor. Fiecare suprafață poate fi convexă (bombată în afara lentilei), concavă (curbura în interiorul lentilei) sau plană (plată). Linia care unește centrele sferelor care alcătuiesc suprafețele lentilelor se numește axa lentilei. De obicei, axa lentilelor trece prin centrul fizic al lentilei, datorită modului în care sunt fabricate. Lentilele pot fi tăiate sau șlefuite după fabricație pentru a le oferi o altă formă sau dimensiune. Axa obiectivului poate să nu treacă apoi prin centrul fizic al lentilei. Lentilele torice sau sfero-cilindrice au suprafețe cu două raze diferite de curbură în două planuri ortogonale. Ele au o puteri focale diferite în diferite meridiane. Aceasta formează o lentilă astigmatică. Un exemplu sunt lentilele de ochelari care sunt folosite pentru a corecta astigmatismul ochilor. Lentilele asferice sunt mai complexe. Acestea sunt lentile în care una sau ambele suprafețe au o formă care nu este nici sferică, nici cilindrică. Formele mai complicate permit astfel de lentile să formeze imagini cu mai puțină aberație decât lentilele simple standard, dar ele sunt mai dificile și mai costisitoare de realizat. Tipuri de lentile simple

201 ( Lentilele sunt clasificate după curbura celor două suprafețe optice. O lentilă este biconvexă (sau dublu convexă sau doar convexă) dacă ambele suprafețe sunt convexe. Dacă ambele suprafețe au aceeași rază de curbură, lentila este echiconvexă. O lentilă cu două suprafețe concave este biconcavă (sau doar concavă). Dacă una dintre suprafețe este plată, lentila este plan-convexă sau plan-concavă în funcție de curbura celeilalte suprafețe. O lentilă cu o latură convexă și una concavă este convex-concavă sau menisc. Acest tip de lentilă este cel mai frecvent utilizat în lentilele corective. Dacă lentila este biconvexă sau plan-convexă, un fascicul colimat de lumină care trece prin lentilă converge într-un loc (focar) în spatele lentilei. În acest caz, lentila este numită lentilă pozitivă sau convergentă. Distanța de la lentilă la focar este distanța focală a lentilei, care este frecvent abreviată f în diagrame și ecuații.

202 (

203 ( Dacă lentila este biconcavă sau plan-concavă, un fascicul colimat de lumină care trece prin lentilă este divergent (răspândit); lentila este numită astfel o lentilă negativă sau divergentă. Fasciculul, după trecerea prin lentilă, pare să provină dintr-un anumit punct de pe axa din față a obiectivului. Distanța de la acest punct la obiectiv este, de asemenea, cunoscută sub numele de lungime focală, deși este negativă în raport cu lungimea focală a unei lentile convergente.

204 (

205 ( Lentilele convex-concave (menisc) pot fi fie pozitive, fie negative, în funcție de curburile relative ale celor două suprafețe. O lentilă cu menisc negativ are o suprafață concavă mai abruptă și este mai subțire în centru decât la periferie. Dimpotrivă, lentilele cu menisc pozitiv au o suprafață convexă mai abruptă și sunt mai groase în centru decât la periferie. O lentilă ideală subțire, cu două suprafețe de curbură egală, ar avea o putere optică zero, ceea ce înseamnă că nu converge și nici nu împrăștie lumina. Toate lentilele reale au grosime diferită de zero, ceea ce face o lentilă reală cu suprafețe curbe identice ușor pozitive. Pentru a obține o putere optică exact zero, o lentilă menisc trebuie să aibă curbări ușor inegale pentru a ține cont de efectul grosimii lentilei. Ecuația lui Lensmaker Distanța focală a unei lentile în aer poate fi calculată pornind de la ecuația lentilelor: 1/f = (n-1) [1/R 1-1/R 2 + (n-1)d/nr 1 R 2 ],

206 unde f este lungimea focală a lentilei, n este indicele de refracție al materialului lentilei, R 1 este raza de curbură (cu semn, vezi mai jos) a suprafeței lentilei mai aproape de sursa de lumină, R 2 este raza de curbură a suprafeței lentilei mai departe de sursa de lumină și d este grosimea lentilei (distanța de-a lungul axei lentilei dintre cele două vârfuri de suprafață). Distanța focală f este pozitivă pentru lentilele convergente și negativă pentru lentilele divergente. Reciprocitatea lungimii focale, 1/f, este puterea optică a lentilei. Dacă distanța focală este în metri, aceasta oferă puterea optică în dioptrii (metrică inversă). Lentilele au aceeași distanță focală atunci când lumina se deplasează din spate spre față, ca atunci când lumina trece din față în spate. Alte proprietăți ale lentilelor, cum ar fi aberațiile, nu sunt aceleași în ambele direcții. Convenția de semn pentru razele de curbură R1 și R2 Semnele razei de curbură a lentilelor indică dacă suprafețele corespunzătoare sunt convexe sau concave. Conceptul de semn folosit pentru a reprezenta acest lucru variază, dar în general R pozitiv indică faptul că un centru de curbură al suprafeței este în continuarea direcției de deplasare a razei (dreapta, în diagrame), în timp ce R negativ înseamnă că razele care ajung la suprafață au trecut deja de centrul de curbură. În consecință, pentru suprafețele exterioare ale lentilelor, așa cum s-a arătat mai sus, R 1 > 0 și R 2 < 0 indică suprafețe convexe (utilizate pentru convergența luminii într-o lentilă pozitivă), în timp ce R 1 < 0 și R 2 > 0 indică suprafețe concave. Reciproca razei de curbură se numește curbură. O suprafață plană are curbură zero, iar raza de curbură este infinită. Aproximarea lentilelor subțiri Dacă d este mic în comparație cu R 1 și R 2, atunci aproximarea lentilelor subțiri poate fi făcută. Pentru o lentilă în aer, f este dat de 1/f (n - 1) [1/R 1-1/R 2 ].

207 Lentile compuse Lentilele simple sunt supuse aberațiilor optice. În multe cazuri, aceste aberații pot fi compensate într-o mare măsură prin utilizarea unei combinații de lentile simple cu aberații complementare. Obiectivul compus este o colecție de lentile simple de diferite forme și realizate din materiale cu indici de refracție diferiți, aranjați unul după celălalt cu o axă comună. Cel mai simplu caz este cazul în care lentilele sunt plasate în contact: dacă lentilele cu lungimi focale f 1 și f 2 sunt "subțiri", distanța focală combinată f a lentilelor este dată de 1/f = 1/f 1 + 1/f 2. Deoarece 1/f este puterea unui obiectiv, se poate observa că puterile lentilelor subțiri în contact sunt aditive. Dacă două lentile subțiri sunt separate în aer de o anumită distanță d, lungimea focală pentru sistemul combinat este dată de 1/f = 1/f 1 + 1/f 2 - d/f 1 f 2. Distanța de la punctul focal frontal al lentilelor combinate la prima lentilă se numește lungimea focală frontală (LFF): LFF = f 1 (f 2 - d)/((f 1 + f 2 ) - d). În mod similar, distanța dintre cea de-a doua lentilă și punctul focal spate al sistemului combinat este lungimea focală spate (LFS): LFS = f 2 (d - f 1 )/(d - (f 1 + f 2 ). Pe măsură ce d tinde la zero, lungimile focale tind către valoarea f dată de lentilele subțiri care intră în contact. Dacă distanța de separare este egală cu suma lungimilor focale (d = f 1 + f 2 ), LFF și LFS sunt infinite. Aceasta corespunde unei perechi de lentile care

208 transformă un fascicul paralel (colimat) într-un alt fascicul colimat. Acest tip de sistem este numit sistem afocal, deoarece nu produce convergență sau divergență nete a fasciculului. Două lentile la această separare formează cel mai simplu tip de telescop optic. Deși sistemul nu modifică divergența unui fascicul colimat, acesta modifică lățimea fasciculului. Mărirea unui astfel de telescop este dată de M = - f 2 /f 1, care este raportul dintre lățimea fasciculului de ieșire și lățimea fasciculului de intrare. Observați convenția semnelor: un telescop cu două obiective convexe (f 1 > 0, f 2 > 0) produce o mărire negativă, indicând o imagine inversată. O lentilă convexă plus o concavă (f 1 > 0 > f 2 ) produce o mărire pozitivă și imaginea este verticală. Formarea imaginilor prin lentile O lentilă pozitivă sau convergentă în aer focalizează un fascicul colimat care se deplasează de-a lungul axei obiectivului într-un punct (cunoscut ca punctul focal) la o distanță f de la lentilă. În schimb, o sursă punctuală de lumină plasată în punctul focal este transformată în fascicul colimat de către lentilă. Aceste două cazuri sunt exemple de formare a imaginii în lentile. În primul caz, un obiect la o distanță infinită (reprezentat de un fascicul colimat de unde) este focalizat pe o imagine în punctul focal al lentilei. În cel de-al doilea, un obiect la distanța focală de lentilă este văzut ca imagine la infinit. Planul perpendicular pe axa obiectivului situat la o distanță f de la lentilă se numește plan focal. Dacă distanțele de la obiect la lentilă și de la lentilă la imagine sunt S 1 și respectiv S 2, pentru o lentilă cu o grosime neglijabilă în aer, distanțele sunt legate de formula lentilelor subțiri: 1/S 1 + 1/S 2 = 1/f. Acest lucru poate fi pus și în forma "newtoniană":

209 x 1 x 2 = f 2, unde x 1 = S 1 - f și x 2 = S 2 - f. (O lentilă a unei camere formează o imagine reală a unui obiect îndepărtat. Prin urmare, dacă un obiect este plasat la o distanță S 1 > f de la o lentilă pozitivă cu distanța focală f, vom găsi o distanță a imaginii S 2 conform acestei formule. Dacă un ecran este plasat la o distanță S 2 de pe partea opusă a lentilei, se formează o imagine pe acesta. Acest tip de imagine, care poate fi proiectată pe un ecran sau un senzor de imagine, este cunoscută ca o imagine reală.

210 (Formarea imaginii virtuale folosind o lentilă pozitivă ca lupă. Acesta este principiul aparatului foto și al ochiului uman. Reglarea focalizării unei camere foto ajustează S 2, deoarece folosirea unei distanțe de imagine diferită de cea cerută de această formulă produce o imagine defocalizată (neclară) pentru un obiect la o distanță S 1 de cameră. Altfel, modificarea S 2 provoacă obiecte la un S 1 diferit pentru a o perfectă focalizare. În unele cazuri, S 2 este negativ, ceea ce indică faptul că imaginea este formată pe partea opusă a lentilei de unde sunt luate în considerare aceste raze. Din moment ce razele de lumină divergente emise de obiectiv nu ajung niciodată

211 în focar, și acele raze nu sunt prezente fizic în punctul în care par să formeze o imagine, aceasta se numește o imagine virtuală. Spre deosebire de imaginile reale, o imagine virtuală nu poate fi proiectată pe un ecran, dar apare unui observator care se uită prin obiectiv ca și cum ar fi un obiect real la locul acelei imagini virtuale. De asemenea, apare pentru o lentilă subsecventă ca și cum ar fi un obiect în acea locație, astfel încât al doilea obiectiv să poată focaliza din nou acea lumină într-o imagine reală, S 1 fiind apoi măsurată de la locația imaginii virtuale din spatele primei lentile la a doua lentilă. Acesta este exact ceea ce face ochiul când privim printr-o lupă. Lupa creează o imagine virtuală (mărită) în spatele luptei, dar aceste raze sunt apoi re-create în imagine de către lentilele ochiului pentru a forma o imagine reală pe retină. (O lentilă negativă produce o imagine virtuală micșorată.

212 (O lentilă Barlow (B) recreează imaginea unui obiect virtual (focalizare a căii roșii în raze roșii) într-o imagine reală mărită (razele verzi spre focar)) Folosind o lentilă pozitivă cu distanța focală f, o imagine virtuală rezultă atunci când S 1 < f, obiectivul fiind astfel utilizat ca o lupă (mai degrabă decât dacă S 1 >> f ca pentru o cameră). Folosirea unei lentile negative (f < 0) cu un obiect real (S 1 > 0) poate produce numai o imagine virtuala (S 2 < 0), conform formulei de mai sus. De asemenea, este posibil ca distanța obiectului S 1 să fie negativă, caz în care lentila vede un așa-numit obiect virtual. Acest lucru se întâmplă atunci când obiectivul este introdus într-un fascicul convergent (focalizat de o lentilă anterioară) înaintea localizării imaginii sale reale. În acest caz, chiar și o lentilă negativă poate proiecta o imagine reală, așa cum o face o lentilă Barlow. Pentru un obiectiv subțire, distanțele S 1 și S 2 sunt măsurate de la obiect și imagine la poziția obiectivului, așa cum este descris mai sus. Atunci când grosimea lentilei nu este mult mai mică decât S 1 și S 2 sau există mai multe elemente ale lentilelor (o lentilă compusă), trebuie să măsurați, de fapt, obiectul și imaginea în planurile principale ale lentilei. Dacă distanțele S 1 sau S 2 trec printr-un alt mediu decât aerul sau vidul, este necesară o analiză mai

213 complicată. Mărirea Mărirea liniară a unui sistem de creare a imaginilor utilizând o singură lentilă este dată de M = - S 2 /S 1 = f/(f - S 1 ), unde M este factorul de mărire definit ca raportul dimensiunii unei imagini față de mărimea obiectului. Convenția de semn de aici spune că dacă M este negativ, așa cum este pentru imaginile reale, imaginea este inversată în raport cu obiectul. Pentru imaginile virtuale M este pozitiv, astfel încât imaginea este dreaptă. Mărirea liniară M nu este întotdeauna cea mai utilă măsură de creștere a puterii. De exemplu, atunci când se caracterizează un telescop vizual sau binocluri care produc doar o imagine virtuală, cineva ar fi mai preocupat de mărirea unghiulară - care exprimă cât de mare este un obiect îndepărtat prin telescop, comparativ cu ochiul liber. În cazul unei camere, contează scala plăcii, care compară dimensiunea aparentă (unghiulară) a unui obiect îndepărtat cu dimensiunea imaginii reale produsă la focalizare. Scala plăcii este reciproca lungimii focale a lentilei camerei; lentilele sunt clasificate ca obiective cu focare mare sau lentile cu unghi larg în funcție de lungimile focale. Folosirea unei măsurări necorespunzătoare a măririi poate fi corectă din punct de vedere formal, dar produce un număr fără sens. De exemplu, folosind o lupă cu o distanță focală de 5 cm, ținută la 20 cm de ochi și la 5 cm de obiect, produce o imagine virtuală la infinit de dimensiune liniară infinită: M =. Dar mărirea unghiulară este de 5, ceea ce înseamnă că obiectul apare de 5 ori mai mare decât ochiul. Când fotografiați luna utilizând o cameră cu obiectiv de 50 mm, nu vă interesează mărirea liniară M -50 mm/ km = -1, Dimpotrivă, scala plăcii aparatului foto este de aproximativ 1 /mm, din care se poate concluziona că imaginea de 0,5 mm pe film corespunde unei dimensiuni unghiulare a lunii văzute de la pământ de aproximativ 0,5.

214 În cazul extrem, unde un obiect este la o distanță infinită, S 1 =, S 2 = f și M = -f/ = 0, indicând faptul că imaginea obiectului se va forma în un singur punct din planul focal. De fapt, diametrul spotului proiectat nu este practic zero, deoarece difracția plasează o limită inferioară dimensiunii funcției de împrăștiere a punctului. Aceasta se numește limita de difracție. (Imaginile literelor negre într-o lentilă subțire convexă cu lungimea focală f sunt redate în roșu. Razele selectate sunt reprezentate pentru literele E, I și K, respectiv, în albastru, verde și portocaliu. De notat că E (la 2f) are o imagine de dimensiune egală, reală și inversată la infinit; I (la f) are imaginea sa la infinit, și K (la f/2) are o imagine dublă, virtuală și dreaptă. Defecte ale lentilelor Lentilele nu formează imagini perfecte, și o lentilă introduce întotdeauna un anumit grad de distorsiune sau aberație care face ca imaginea să fie o replică

215 imperfectă a obiectului. Proiectarea atentă a sistemului de lentile pentru o aplicație specială minimizează aberațiile. Mai multe tipuri de aberații afectează calitatea imaginii, inclusiv aberația sferică, coma și aberația cromatică. Aberații sferice Aberațiile sferice apar deoarece suprafețele sferice nu au forma ideală pentru o lentilă, dar sunt de departe cea mai simplă formă la care sticla poate fi măcinată și lustruită. Aberațiile sferice determină fluxurile paralele, dar îndepărtate de axa obiectivului, să fie focalizate într-un loc ușor diferit de fluxurile apropiate de axă. Aceasta se manifestă ca o estompare a imaginii. Lentile în care sunt folosite suprafețe mai apropiate de ideale, non-sferice, se numesc lentile asferice. Acestea au fost în trecut complex de realizat și adesea extrem de costisitoare, dar progresele tehnologice au redus considerabil costurile de producție pentru astfel de lentile. Aberațiile sferice pot fi reduse la minimum prin alegerea cu atenție a curburii suprafeței pentru o anumită aplicație. De exemplu, o lentilă plan-convexă, care este utilizată pentru a focaliza un fascicul colimat, produce un punct focal mai puternic atunci când este utilizată cu partea convexă spre sursa fasciculului.

216 ( Coma Coma, sau aberația comatică, derivă numele ei din aspectul ca de cometă a imaginii aberate. Coma apare atunci când se creează imaginea pentru un obiect de pe axa optică a lentilei, razele trecând prin lentilă la un unghi față de axa θ. Razele care trec prin centrul unei lentile cu distanța focală f sunt focalizate la un punct cu distanța f tan θ de la axă. Razele care trec prin marginea exterioară a obiectivului sunt focalizate în puncte diferite, fie mai departe de axă (coma pozitivă) fie mai aproape de axă (coma negativă). În general, un fascicul de raze paralele care trec prin lentilă la o distanță fixă de centrul lentilei este focalizat pe o imagine în formă de inel în planul focal, cunoscut ca un cerc comatic. Suma tuturor acestor cercuri are ca rezultat o imagine în formă de V sau ca o cometă. Ca și în cazul aberațiilor sferice, coma poate fi minimizată (și în unele cazuri eliminată) prin alegerea curburii celor două suprafețe ale lentilei pentru a se potrivi cu aplicația. Lentilele în

217 care atât aberația sferică cât și coma sunt reduse la minimum sunt considerate lentile de cea mai bună calitate. ( Aberația cromatică Aberația cromatică este cauzată de dispersia materialului lentilelor - variația indicelor său de refracție, n, cu lungimea de undă a luminii. Deoarece, din formulele de mai sus, f este dependentă de n, rezultă că lumina cu diferite lungimi de undă este focalizată pe poziții diferite. Aberația cromatică a unei lentile este văzută ca franjuri de culoare în jurul imaginii. Acesta poate fi minimizat prin utilizarea unui dublet acromatic (sau acromat) în care două materiale cu dispersie diferită sunt lipite împreună pentru a forma o singură lentilă. Acest lucru reduce cantitatea de aberație cromatică pe o anumită gamă de lungimi de undă, deși nu produce corecție perfectă. Utilizarea acromatelor a fost un pas important în dezvoltarea microscopului optic. Un apocromat

218 este un sistem de lentile sau lentile cu corecție a aberației cromatice și mai bune, combinată cu corecția aberației sferice îmbunătățite. Apocromatele sunt mult mai scumpe decât acromatele. Diferite materiale ale lentilelor pot fi de asemenea utilizate pentru a minimiza aberațiile cromatice, cum ar fi acoperirile specializate sau lentilele realizate din fluorit de cristal. Această substanță naturală are cel mai mare număr Abbe cunoscut, ceea ce indică faptul că materialul are dispersie redusă. (

219 ( Alte tipuri de aberații Alte tipuri de aberații includ curbarea câmpului, distorsiunea tip butoi și perniță de ace, și astigmatismul. Difracția diafragmei Chiar dacă o lentilă este proiectată să minimizeze sau să elimine aberațiile descrise mai sus, calitatea imaginii este încă limitată de difracția luminii care trece prin diafragma finită a obiectivului. O lentilă cu difracție limitată este cea în care aberațiile au fost reduse la punctul în care calitatea imaginii este în

220 primul rând limitată prin difracție în condițiile de proiectare. Undele luminoase (Optica fizică) (Difracția undelor) În fizică, optica fizică sau optica undelor este ramura care studiază interferențele, difracția, polarizarea și alte fenomene pentru care aproximarea

221 razei optice geometrice nu este validă. Această utilizare tinde să nu includă efecte cum ar fi zgomotul cuantic în comunicarea optică, care este studiat în sub-ramura teoriei coerenței. Optica fizică este și numele unei aproximări utilizate în mod obișnuit în optică, inginerie electrică și fizică aplicată. În acest context, este o metodă intermediară între optica geometrică, care ignoră efectele de undă și electromagnetismul, și electromagnetismul ca undă completă, care este o teorie precisă. Cuvântul "fizic" înseamnă că este mai fizică decât optica geometrică sau radiologică și nu că este o teorie fizică exactă. Această aproximare constă în utilizarea opțiunii de raze pentru a estima câmpul pe o suprafață și apoi a integra câmpul respectiv pe suprafață pentru a calcula câmpul transmis sau împrăștiat. Aceasta seamănă cu aproximarea lui Born, prin faptul că detaliile problemei sunt tratate ca o perturbație. În optică, este un mod standard de estimare a efectelor de difracție. În radio, această aproximare este utilizată pentru a estima unele efecte care seamănă cu efectele optice. Ea modelează mai multe efecte de interferență, difracție și polarizare, dar nu dependența difracției de polarizare. Deoarece este o aproximare de înaltă frecvență, este adesea mai precisă în optică decât în cazul radioului. În optică, aceasta constă, în mod obișnuit, în integrarea câmpului estimat cu raze peste o lentilă, oglindă sau diafragmă, pentru a calcula câmpul transmis sau împrăștiat. În cazul difuziei radarului, aceasta înseamnă, de obicei, considerarea curentului care se găsește pe un plan tangent de material similar cu curentul din fiecare punct frontal, respectiv partea iluminată geometric, a unui dispersor. Curentul pe părțile umbrite este considerat zero. Câmpul împrăștiat aproximativ este apoi obținut printr-o integrală peste acești curenți aproximativi. Acest lucru este util pentru corpuri cu forme mari convexe netede și pentru suprafețe disipative (cu reflexie scăzută). Câmpul sau de raze optice curentul nu este, în general, exact în apropierea marginilor sau a limitelor umbrelor, cu excepția cazului în care acestea sunt completate de calcule de difracție și pentru unde rampante.

222 Teoria standard a opticii fizice are unele defecte în evaluarea câmpurilor împrăștiate, ceea ce duce la scăderea acurateței în afara direcției reflexive. O teorie îmbunătățită introdusă în 2004 oferă soluții exacte la problemele care implică difracția undelor prin dirijarea dispersoarelor. Principiul Huygens Fresnel (Difracția undelor în viziunea lui Huygens și Fresnel. Fresnel_principle.svg) Principiul Huygens-Fresnel (numit după fizicianul olandez Christiaan Huygens și fizicianul francez Augustin-Jean Fresnel) este o metodă de analiză aplicată problemelor de propagare a undelor atât în limitele câmpului

223 îndepărtat, cât și în difracția în câmpul din vecinătate. Se afirmă că fiecare punct de pe front este el însuși sursa undelor sferice. Istorie (Refracția undelor în viziunea lui Huygens. Fresnel_principle.svg)

224 În 1678, Huygens a sugerat că fiecare punct la care ajunge o perturbare luminoasă devine o sursă de undă sferică; suma acestor unde secundare determină forma undei în orice moment ulterior. El a presupus că undele secundare se deplasează numai în direcția "înainte" și nu a explicat în teorie de ce se întâmplă așa. A putut să furnizeze o explicație calitativă a propagării undelor liniare și sferice și să deducă legile reflexiei și refracției folosind acest principiu, dar nu a explicat abaterile de la propagarea rectilinie care apare atunci când lumina întâlnește muchii, orificii și ecrane cunoscute în mod obișnuit ca efecte de difracție. Aceste erori au fost în cele din urmă explicate de David A.B. Miller în Ideea este că sursa este un dipol (nu monopolul asumat de Huygens), care se anulează în direcția reflectată. În 1818, Fresnel a arătat că principiul lui Huygens, împreună cu propriul său principiu de interferență, ar putea explica atât propagarea rectilinie a luminii, cât și efectele de difracție. Pentru a obține un acord cu rezultatele experimentale, el a trebuit să includă ipoteze arbitrare suplimentare despre faza și amplitudinea undelor secundare, precum și un factor de oblicitate. Aceste ipoteze nu au o bază fizică evidentă, sar au condus la previziuni care au fost de acord cu numeroase observații experimentale, inclusiv spotul Arago. Poisson a fost membru al Academiei Franceze, care a revizuit lucrarea lui Fresnel. El a folosit teoria lui Fresnel pentru a prezice că un punct luminos ar trebui să apară în centrul umbrei unui mic disc și deduce din aceasta că teoria era incorectă. Cu toate acestea, Arago, un alt membru al academiei, a efectuat experimentul și a arătat că predicția a fost corectă. (Lisle observase în fapt aceasta cu cincizeci de ani în urmă.) Aceasta a fost una dintre investigațiile care au condus la victoria teoriei ondulatorii a luminii asupra teoriei corpusulare predominante. Principiul Huygens-Fresnel oferă o bază bună pentru înțelegerea și prezicerea propagării undei clasice a luminii. Cu toate acestea, există limitări ale principiului, și nu toți experții sunt de acord că este o reprezentare exactă a realității - de exemplu, Melvin Schwartz a susținut că "principiul Huygens oferă răspunsul corect, dar din motive greșite". Formula de difracție a lui Kirchhoff oferă o bază matematică riguroasă pentru difracție, bazată pe ecuația undelor. Ipotezele arbitrare făcute de Fresnel

225 pentru a ajunge la ecuația Huygens-Fresnel apar automat din matematică în această derivare. Un exemplu simplu al funcționării principiului poate fi văzut când două camere sunt conectate printr-o ușă deschisă și un sunet este produs într-un colț îndepărtat al uneia dintre ele. O persoană din cealaltă cameră va auzi sunetul ca și cum ar proveni de la ușă. În ceea ce privește a doua cameră, aerul vibrant în ușă este sursa sunetului. Teoria lui Huygens și funcția de undă fotonică modernă Teoria lui Huygens a servit ca o explicație fundamentală a naturii ondulatorii a interferențelor luminoase și a fost dezvoltată în continuare de Fresnel și Young, dar nu a rezolvat pe deplin toate observațiile, cum ar fi experimentul cu dublă fantă cu intensitate joasă, realizat pentru prima dată de G. I. Taylor în Abia la începutul și la jumătatea anilor 1900, în discuțiile despre teoria cuantică, în special discuțiile timpurii la Conferința Solvay de la Bruxelles din 1927, Louis de Broglie a propus ipoteza lui că fotonul este ghidat de o funcție de undă. Funcția de undă prezintă o explicație mult mai diferită a benzilor de lumină observate și întunecate într-un experiment cu fante duble. Feynman explică parțial faptul că un foton va urma o cale predeterminată care este o alegere a uneia dintre multele căi posibile. Aceste căi alese formează modelul; în zonele întunecate nu apare niciun foton iar în zonele luminoase apar mulți fotoni. Calea fotonului sau funcția de undă aleasă este determinată de mediu: punctul de origine al fotonului (atomul), fanta și ecranul. Funcția de undă este o soluție pentru această geometrie. Abordarea funcției de undă a fost dovedită în continuare prin experimente suplimentare cu două fante cu electroni în Italia și Japonia în anii 1970 și Principiul lui Huygens și teoria câmpului cuantic Principiul lui Huygens poate fi văzut ca o consecință a omogenității spațiu - spațiul este uniform în toate locațiile. Orice perturbare creată într-o regiune suficient de mică a spațiului omogen (sau într-un mediu omogen) se propagă din acea regiune în toate direcțiile geodezice. Undele create de această perturbare, la rândul lor, creează perturbări în alte regiuni și așa mai departe.

226 Suprapunerea tuturor undelor are ca rezultat modelul observat de propagare a undelor. Omogenitatea spațiului este fundamentală pentru teoria câmpului cuantic, unde funcția de undă a oricărui obiect se propagă de-a lungul tuturor căilor neobstrucționate disponibile. Când este integrată pe toate căile posibile, cu un factor de fază proporțional cu acțiunea, interferența funcțiilor de undă prezice corect fenomenele observabile. Fiecare punct de pe frontul undelor acționează ca sursă de unde secundare care se întind în conul de lumină cu aceeași viteză ca unda. Noul front al undelor se găsește prin construirea tangentei suprafeței la undele secundare. În alte dimensiuni spațiale În 1900, Jacques Hadamard a observat că principiul lui Huygensnu mai este valabil când numărul de dimensiuni spațiale este par. Din aceasta, el a dezvoltat un set de conjecturi care rămân un subiect activ al cercetării. În special, s-a descoperit că principiul lui Huygens se află pe o clasă mare de spații omogene derivate din grupul Coxeter (astfel, de exemplu, grupurile Weyl ale algebrelor simple Lie). Declarația tradițională a principiului Huygens pentru operatorul d'alembertian dă naștere la ierarhia KdV, în mod analog operatorul Dirac dă naștere la ierarhia AKNS. Difracția luminii

227 (Modelul de difracție al fasciculului laser roșu realizat pe o placă după trecerea printr-o mică deschidere circulară într-o altă placă.

228 Difracția se referă la diverse fenomene care apar când o undă întâlnește un obstacol sau o fantă. Este definită ca o încovoiere a luminii în jurul colțurilor unui obstacol sau a unei deschideri în regiunea umbrei geometrice a obstacolului. În fizica clasică, fenomenul de difracție este descris ca interferența undelor în conformitate cu principiul Huygens-Fresnel. Aceste comportamente caracteristice sunt expuse atunci când o undă întâlnește un obstacol sau o fantă care este comparabilă în mărime cu lungimea de undă. Efecte similare apar atunci când o undă luminoasă se deplasează printr-un mediu cu un indice de refracție variabil sau când o undă sonoră se deplasează printr-un mediu cu impedanță acustică variabilă. Difracția are un impact asupra spațiului acustic. Difracția are loc cu toate undele, inclusiv undele sonore, undele de apă și undele electromagnetice cum ar fi lumina vizibilă, razele X și undele radio. Deoarece obiectele fizice au proprietăți asemănătoare undelor (la nivel atomic), difracția are loc și cu materia și poate fi studiată în conformitate cu principiile mecanicii cuantice. Cercetătorul italian Francesco Maria Grimaldi a inventat cuvântul "difracție" și a fost primul care a înregistrat observații exacte ale fenomenului în În timp ce difracția apare ori de câte ori undele care se propagă se confruntă cu astfel de modificări, efectele ei sunt, în general, cele mai pronunțate pentru undele a căror lungime de undă este aproximativ comparabilă cu dimensiunile obiectului de difracție sau fantei. Dacă obiectul obstrucționabil oferă deschideri multiple, apropiate, poate rezulta un model complex de intensitate variabilă. Acest lucru se datorează adăugării sau interferenței diferitelor părți ale unei unde care se deplasează către observator prin căi diferite, unde diferite lungimi ale traseului au ca rezultat diferite faze. Formalismul de difracție poate descrie, de asemenea, modul în care undele de mărime finită se propagă în spațiul liber. De exemplu, profilul extins al fasciculului laser, forma fasciculului unei antene radar și câmpul vizual al unui traductor ultrasonic pot fi analizate cu ajutorul ecuațiilor de difracție. Exemple

229 (Aureola solară în aburul izvoarelor calde. O aureolă este un fenomen optic produs de lumină retroîmprăștiată (o combinație de difracție, reflexie și refracție) către sursa sa printr-un nor de picături de apă de dimensiuni uniforme.) Efectele difracției sunt adesea observate în viața de zi cu zi. Cele mai

230 remarcabile exemple de difracție sunt cele care implică lumina; de exemplu, pistele îndepărtate pe un CD sau DVD acționează ca o rețea de difracție pentru a forma modelul curcubeu familiar întâlnit când ne uităm la un disc. Acest principiu poate fi extins pentru a institui grile cu o structură astfel încât să producă orice model de difracție dorit; holograma de pe un card de credit este un exemplu. Difracția în atmosferă de particule mici poate provoca un inel luminos vizibil în jurul unei surse de lumină puternică, cum ar fi soarele sau luna. O umbră a unui obiect solid, folosind lumina dintr-o sursa compacta, prezintă franjuri mici în apropierea marginilor sale. Spectrul care se observă atunci când lumina laser cade pe o suprafață optică este de asemenea un fenomen de difracție. Toate aceste efecte sunt o consecință a faptului că lumina se propagă ca o undă. Difracția poate apărea cu orice fel de undă. Undele oceanului se difractă în jurul digurilor și a altor obstacole. Undele sonore se pot difracta în jurul obiectelor, de aceea se poate auzi cineva chiar și atunci când se ascunde în spatele unui copac. Difracția poate fi, de asemenea, o preocupare în unele aplicații tehnice; aceasta stabilește o limită fundamentală a rezoluției unei camere, a unui telescop sau a unui microscop. Mecanism În fizica tradițională clasică, difracția apare datorită modului în care se propagă undele; acest lucru este descris de principiul Huygens-Fresnel și de principiul suprapunerii undelor. Propagarea unei unde poate fi vizualizată luând în considerare fiecare particulă a mediului transmis pe o suprafață de undă ca sursă punctuală pentru o undă sferică secundară. Deplasarea undei la orice punct ulterior este suma acestor unde secundare. Atunci când undele sunt adunate împreună, suma lor este determinată de fazele relative și de amplitudinile undelor individuale, astfel încât amplitudinea totală a undelor poate avea orice valoare între zero și suma amplitudinilor individuale. Prin urmare, modelele de difracție au de obicei o serie de maxime și minime. În înțelegerea modernă cuantică a propagării luminii printr-o fantă (sau fante), fiecare foton are ceea ce este cunoscut ca o funcție de undă care descrie calea sa de la emițător prin fantă la ecran. Funcția de undă (calea pe care o va lua fotonul) este determinată de mediul fizic, cum ar fi geometria

231 fantei, distanța ecranului și condițiile inițiale când este creat fotonul. În experimentele importante (un experiment cu două fante cu intensitate redusă a fost efectuat mai întâi de G. I. Taylor în 1909), a fost demonstrată existența funcției de undă a fotonului. În abordarea cuantică, modelul de difracție este creat prin distribuirea căilor, observarea benzilor luminoase și întunecate arată prezența sau absența fotonilor în aceste zone (fără interferență!). Abordarea cuantică are unele asemănări izbitoare cu principiul Huygens- Fresnel, în acest principiu lumina devine o serie de surse luminoase distribuite individual în fante, care este similar cu numărul limitat de căi (sau funcții de undă) disponibile pentru călătoriile fotonilor prin fantă. Există diferite modele analitice care permit calcularea câmpului difractat, incluzând ecuația de difracție Kirchhoff-Fresnel care derivă din ecuația undelor, aproximarea difracției Fraunhofer a ecuației Kirchhoff care se aplică câmpului îndepărtat, și aproximarea difracției Fresnel care se aplică câmpului apropiat. Cele mai multe configurații nu pot fi rezolvate în mod analitic, ci pot oferi soluții numerice prin intermediul metodelor elementului finit și a elementelor de limită. Este posibil să se obțină o înțelegere calitativă a multor fenomene de difracție prin analizarea modului în care variază fazele relative ale surselor secundare de undă individuale și în special a condițiilor în care diferența de fază este egală cu o jumătate de ciclu, caz în care undele se vor anula una pe alta. Cele mai simple descrieri ale difracției sunt cele în care situația poate fi redusă la o problemă bidimensională. Pentru undele de apă, acesta este deja cazul; undele de apă se propagă numai pe suprafața apei. Pentru lumină, adesea putem neglija o direcție dacă obiectul de difracție se extinde în acea direcție pe o distanță mult mai mare decât lungimea de undă. În cazul luminii strălucitoare prin găuri circulare mici, va trebui să ținem cont de natura tridimensională completă a problemei. Difracția luminii Difracția printr-o singură fantă O fantă lungă de lățime infinitezimală, care este iluminată de lumină, difractă

232 lumina într-o serie de unde circulare, iar flancul care iese din fantă este o undă cilindrică de intensitate uniformă. O fantă care este mai lată decât o lungime de undă produce efecte de interferență în spațiul din aval al fantei. Acestea pot fi explicate prin presupunerea că fanta se comportă ca și cum ar avea un număr mare de surse punctuale distanțate uniform pe lățimea fantei. Analiza acestui sistem este simplificată dacă luăm în considerare lumina unei singure lungimi de undă. Dacă lumina incidentă este coerentă, toate aceste surse au aceeași fază. Incidența luminii la un punct dat în spațiul din aval al fantei este alcătuită din contribuțiile fiecăreia dintre aceste surse punctuale și dacă fazele relative ale acestor contribuții variază cu 2π sau mai mult, ne putem aștepta să găsim minime și maxime în lumina difractată. Astfel de diferențe de fază sunt cauzate de diferențele în lungimile traiectoriei cu care razele care contribuie ating punctul din fantă. (Graficul și imaginea de difracție cu o singură fantă. Putem găsi unghiul la care se obține un prim minim în lumina difuză prin

233 următorul raționament. Lumina dintr-o sursă situată la marginea superioară a fantei interferează distructiv cu o sursă situată la mijlocul fantei, atunci când diferența de traiectorie dintre acestea este egală cu λ/2. În mod similar, sursa chiar sub vârful fantei va interfera distructiv cu sursa situată chiar sub mijlocul fantei în același unghi. Putem continua acest raționament de-a lungul întregii înălțimi a fantei pentru a concluziona că condiția pentru interferența distructivă pentru întreaga fantă este aceeași cu condiția pentru interferența distructivă dintre două fante înguste la o distanță care este jumătate din lățimea fantei. Diferența de traiectorie este aproximativ d sin(θ)/2 astfel încât intensitatea minimă să aibă loc la un unghi θ min dat de d sinθ min = λ unde d este lățimea fantei, θ min este unghiul de incidență la care se produce intensitatea minimă și λ este lungimea de undă a luminii. Interferența optică

234 (Crearea de franjuri de interferență printr-o suprafață optică pe o suprafață reflectorizantă. Radiațiile luminoase dintr-o sursă monocromatică trec prin sticlă și reflectă atât suprafața inferioară a planului, cât și suprafața suportului. Spațiul mic dintre suprafețe face ca cele două raze reflectate să aibă lungimi diferite ale traiectoriei. În plus, raza reflectată de placa inferioară suferă o inversare de fază de 180 Ca urmare, în locațiile (a) unde diferența de cale este un multiplu impar de λ/2, undele se adună. În

235 locațiile b) unde diferența de traiectorie este un multiplu egal de λ/2, undele se anulează. Deoarece decalajul dintre suprafețe variază ușor în lățime în diferite puncte, sunt văzute o serie de benzi luminoase și întunecate alternante, franjurile de interferență.) Deoarece frecvența undelor luminoase (~ 1014 Hz) este prea mare pentru a fi detectată de detectoarele disponibile în prezent, este posibil să se observe numai intensitatea unui model de interferență optică. Intensitatea luminii la un anumit punct este proporțională cu pătratul amplitudinii medii a undelor. Astfel, modelul de interferență indică diferența de fază dintre cele două unde, cu maxima care apare atunci când diferența de fază este un multiplu de 2π. Dacă cele două fascicule sunt de o intensitate egală, maximele sunt de patru ori mai strălucitoare ca fasciculele individuale, iar minimele au intensitate zero. Cele două unde trebuie să aibă aceeași polarizare pentru a da naștere la franjuri de interferență, deoarece nu este posibil ca undele de polarizări diferite să se anuleze reciproc sau să se adune împreună. În schimb, atunci când se adaugă unde de polarizare diferite, acestea dau naștere unei unde de stare de polarizare diferită. Cerințele sursei de lumină Discuția de mai sus presupune că undele care interferează reciproc sunt monocromatice, adică au o singură frecvență - aceasta necesită ca acestea să fie infinite în timp. Acest lucru nu este, totuși, nici practic, nici necesar. Două unde identice cu durată finită a căror frecvență este fixă în acea perioadă vor genera un model de interferență în timp ce se suprapun. Două unde identice care constau dintr-un spectru îngust de unde de frecvență cu durată finită vor genera o serie de modele de franjuri cu spațieri ușor diferite și dacă distribuția spațierilor este semnificativ mai mică decât distanța medie a franjurilor, un model de franjuri va fi din nou observat în timpul în care cele două unde se suprapun. Sursele convenționale de lumină emit unde de frecvențe diferite și în momente diferite de la diferite puncte ale sursei. Dacă lumina este împărțită

236 în două unde și apoi re-combinată, fiecare undă de lumină individuală poate genera un model de interferență cu cealaltă jumătate, dar tiparele individuale ale franjurilor generate vor avea diferite faze și distanțe și, în mod normal, nu va fi observat niciun model general de franjuri. Cu toate acestea, sursele de lumină cu un singur element, cum ar fi lămpile cu vapori de sodiu sau cu mercur, au linii de emisie cu spectre de frecvență destul de înguste. Când acestea sunt filtrate spațial și în culoare, și apoi împărțite în două unde, ele pot fi suprapuse pentru a genera franjuri de interferență. Toate interferometriile anterioare inventării laserului au fost realizate folosind astfel de surse și au avut o gamă largă de aplicații de succes. Un fascicul laser se apropie, în general, mult mai îndeaproape de o sursă monocromatică și este mult mai simplu să se genereze franjuri de interferență utilizând un laser. Ușurința cu care se pot observa franjurile de interferență cu ajutorul fasciculului laser poate provoca uneori probleme în faptul că reflexiile răzlețe pot genera franjuri de interferență falsă care pot duce la erori. În mod normal, în interferometrie se utilizează un singur fascicul laser, deși interferența a fost observată și utilizând două lasere independente ale căror frecvențe au fost suficient de potrivite pentru a satisface cerințele de fază.

237 (Interferența luminii albe într-o bulă de săpun. Iridescența se datorează interferențelor subțiri. De asemenea, este posibil să se observe franjuri de interferență utilizând lumina albă. Un model de franjuri de lumină albă poate fi considerat a fi alcătuit dintr-un "spectru" de modele de franjuri, fiecare având spațieri ușor diferite. Dacă toate modelele de franjuri sunt în fază în centru, atunci franjurile vor crește în mărime pe măsură ce lungimea de undă scade, iar intensitatea însumată va arăta între trei și patru franjuri de culoare diferită. Young descrie acest lucru foarte elegant, în discuția sa despre interferențe cu

238 două fante. Din moment ce franjurile de lumină albă sunt obținute numai atunci când cele două unde au parcurs distanțe egale față de sursa de lumină, ele pot fi foarte utile în interferometrie, deoarece permit franjuri cu diferențe de cale zero. Dispozitive optice Pentru a genera franjuri de interferență, lumina de la sursă trebuie împărțită în două unde care trebuie apoi re-combinate. În mod tradițional, interferometrele au fost clasificate fie ca sisteme de divizare a amplitudinii, fie ca sisteme de divizare a frontului de undă. Într-un sistem de divizare a amplitudinii, un divizor de fascicule este utilizat pentru a împărți lumina în două fascicule care călătoresc în direcții diferite, care apoi sunt suprapuse pentru a produce modelul de interferență. Interferometrul Michelson și interferometrul Mach-Zehnder sunt exemple de sisteme de divizare de amplitudine. În sistemele de divizare a fronturilor de undă, undele sunt divizate în spațiu exemple sunt interferometrul cu gât dublu al lui Young și oglinda Lloyd. Interferența poate fi observată și în fenomenele de zi cu zi, cum ar fi iridescența și colorarea structurală. De exemplu, culorile observate într-un balon de săpun apar din cauza interferenței de lumină care reflectă suprafețele din față și din spate ale filmului de săpun subțire. În funcție de grosimea filmului, culorile diferite interferează constructiv și distructiv. Interferometria optică Interferometria a jucat un rol important în dezvoltarea fizicii și are, de asemenea, o gamă largă de aplicații în domeniul măsurării fizice și inginerești. Interferometrul cu fantă dublă al lui Thomas Young din 1803, a arătat franjuri de interferență atunci când două fante mici au fost iluminate cu lumina dintro altă fantă mică, care a fost iluminată de lumina soarelui. Young a reușit să estimeze lungimea de undă a diferitelor culori din spectrul de frecvență din

239 spațierea franjurilor. Experimentul a jucat un rol major în acceptarea generală a teoriei undelor luminoase. În mecanica cuantică, acest experiment este considerat a demonstra natura inseparabilă a undelor și particulelor de lumină și alte particule cuantice (dualitatea undă-particulă). Lui Richard Feynman îi plăcea să spună că toate mecanicile cuantice pot fi obținute din gândirea cu atenție a implicațiilor acestui experiment unic. Rezultatele experimentului Michelson-Morley sunt în general considerate a fi prima dovadă puternică împotriva teoriei unui eter luminifer și în favoarea relativității speciale. Interferometria a fost utilizată pentru definirea și calibrarea standardelor de lungime. Atunci când metrul a fost definit ca distanța dintre două semne pe o bară de platină-iridiu, Michelson și Benoît au folosit interferometria pentru a măsura lungimea de undă a liniei de cadmiu roșu în noul standard și au arătat că ar putea fi utilizată ca standard de lungime. Șaizeci de ani mai târziu, în 1960, metrul din noul sistem SI a fost definit ca fiind egal cu ,73 lungimi de undă ale liniei de emisie portocaliu-roșu în spectrul electromagnetic al atomului krypton-86 în vid. Această definiție a fost înlocuită în 1983 prin definirea metrului drept distanța parcursă de lumină în vid în timpul unui anumit interval de timp. Interferometria este încă fundamentală în stabilirea lanțului de calibrare în măsurarea lungimii. Interferometria este utilizată la calibrarea etaloanelor de lungime și în mașinile de măsurat coordonatele. Este, de asemenea, utilizată în testarea componentelor optice. Interferența pe straturi subțiri

240 (Se observă un model de interferențe colorat atunci când lumina se reflectă din marginile de sus și de jos ale unui film subțire de ulei. Interferențele pe un strat subțire reprezintă un fenomen natural în care undele luminoase reflectate de limitele superioare și inferioare ale unui strat

241 subțire interferează cu altele, intensificând sau reducând lumina reflectată. Atunci când grosimea stratului este un multiplu impar de un sfert de lungime de undă a luminii, undele reflectate de pe ambele suprafețe interferează anulându-se reciproc. Deoarece unda nu poate fi reflectată, este transmisă complet. Atunci când grosimea este un multiplu de jumătate de lungime de undă a luminii, cele două unde reflectate se întăresc una pe alta, mărind reflecția și reducând transmisia. Astfel, când lumina albă, care constă dintr-o gamă de lungimi de undă, este incidentă pe film, anumite lungimi de undă (culori) sunt intensificate, în timp ce altele sunt atenuate. Interferențele în strat subțire explică culorile multiple observate în lumina reflectată de bulele de săpun și filmele de ulei pe apă. Este, de asemenea, mecanismul din spatele acțiunii acoperirilor antireflecție utilizate pe ochelari și lentile de cameră. (

242 Culori în lumina reflectată dintr-o bulă de săpun. Studierea luminii reflectate sau transmise de un strat subțire poate dezvălui informații despre grosimea stratului sau indicele de refracție efectiv al mediului stratului. Straturile subțiri au numeroase aplicații comerciale, incluzând acoperiri antireflexive, oglinzi și filtre optice. Teorie

243 (Demonstrarea diferenței de lungime a căii optice pentru lumina reflectată de la limitele superioare și inferioare ale stratului subțire. Un strat subțire este un strat de material cu grosime în intervalul subnanometric până la microni. Pe măsură ce lumina atinge suprafața unui strat,

244 acesta este transmis sau reflectat la suprafața superioară. Lumina care este transmisă ajunge la suprafața de jos și poate fi din nou transmisă sau reflectată. Ecuațiile Fresnel oferă o descriere cantitativă a cantității de lumină care va fi transmisă sau reflectată la o interfață. Lumina reflectată de suprafețele superioare și inferioare va interfera. Gradul de interferență constructivă sau distructivă dintre cele două unde luminoase depinde de diferența dintre faza lor. Această diferență, la rândul ei, depinde de grosimea stratului, de indicele de refracție al stratului și de unghiul de incidență al undei originale pe strat. În plus, o deplasare de fază de 180 sau π poate fi introdusă la reflexie la o limită în funcție de indicii de refracție ai materialelor de pe ambele părți ale limitei. Această schimbare de fază apare dacă indicele de refracție al mediului prin care trece lumina este mai mic decât indicele de refracție al materialului pe care îl luminează. Cu alte cuvinte, dacă n 1 < n 2 și lumina se deplasează de la materialul 1 la materialul 2, atunci apare o schimbare de fază după reflexie. Modelul luminii care rezultă din această interferență poate apărea fie ca benzi luminoase și întunecate, fie ca benzi colorate, în funcție de sursa luminii incidentate.

245 (Interferențe de strat subțire cauzate de acoperirea de dezgheț ITO pe o fereastră a cabinei Airbus. Sursă monocromatică

246 (Benzina pe apă prezintă un model de franjuri strălucitoare și întunecate atunci când este iluminată cu lumină laser de 589nm. În cazul în care lumina incidentă este monocromatică, modelele de interferențe apar ca benzi luminoase și întunecate. Tabelele de lumină corespund regiunilor în care interferențele constructive se produc între undele reflectate și benzile întunecate corespund regiunilor distructive de interferență. Deoarece grosimea stratului variază de la o locație la alta, interferența se poate schimba de la constructiv la distructiv. Un bun exemplu al acestui fenomen, denumit "inelele lui Newton", demonstrează modelul de interferență care rezultă atunci când lumina se reflectă dintr-o suprafață sferică adiacentă unei suprafețe plane. Inelele concentrice sunt observate atunci când suprafața este iluminată cu lumină monocromatică. Acest

247 fenomen este folosit cu planșe optice pentru măsurarea formei și a planeității suprafețelor. Sursa de bandă largă Dacă lumina incidentă este în bandă largă sau albă, cum ar fi lumina de la soare, modelele de interferențe apar ca benzi colorate. Diferitele lungimi de undă ale luminii creează interferențe constructive pentru diferite grosimi ale stratului. Diferitele regiuni ale stratului apar în culori diferite, în funcție de grosimea stratului local. Interacțiunea de fază (Interacțiune în fază constructivă.

248 (Interacțiune în fază distructivă. Cifrele arată două fascicule de lumină incidentă (A și B). Fiecare fascicul produce un fascicul reflectat (punctat). Reflexiile de interes sunt reflectarea fasciculului A de pe suprafața inferioară și reflectarea fasciculului B de pe suprafața superioară. Aceste fascicule reflectate se combină pentru a produce un fascicul rezultat (C). Dacă fluxurile reflectate sunt în fază (ca în prima figură) fasciculul rezultat este relativ puternic. Dacă, pe de altă parte, fascicolele reflectate au o fază opusă, fasciculul rezultat este atenuat (ca în figura a doua). Relația de fază dintre cele două raze reflectate depinde de relația dintre lungimea de undă a fasciculului A din strat și grosimea stratului. Dacă fasciculul pe distanța totală A care se deplasează în strat este un multiplu întreg al lungimii de undă a fasciculului din strat, atunci cele două fascicule reflectate sunt în fază și se amestecă constructiv (așa cum este reprezentat în prima figură). Dacă distanța parcursă de fasciculul A este un multiplu impar întreg de jumătate de lungime de undă a luminii din film, fasciculele

249 interferează distructiv (la fel ca în figura a doua). Astfel, filmul prezentat în aceste figuri reflectă mai puternic la lungimea de undă a fasciculului de lumină din prima figură și mai puțin puternic la cea a fasciculului din figura a doua. Aplicații (O fereastră optică acoperită cu un antireflex. La un unghi de 45, acoperirea este puțin mai groasă decât lumina incidentă, determinând lungimea de undă centrală să se deplaseze spre roșu, iar reflexiile apar la capătul purpuriu al spectrului. La 0, pentru care acest strat de acoperire a fost proiectat, aproape nici o reflexie nu este observată.) Peliculele subțiri sunt utilizate comercial în antireflexie, în oglinzi și filtre optice. Acestea pot fi proiectate pentru a controla cantitatea de lumină

250 reflectată sau transmisă la o suprafață pentru o anumită lungime de undă dată. Un etalon Fabry-Pérot profită de interferența stratului subțire pentru a alege în mod selectiv ce lungimi de undă de lumină sunt permise să transmită prin dispozitiv. Aceste straturi sunt create prin procedee de depunere în care materialul este adăugat la un substrat într-o manieră controlată. Metodele includ depunerea chimică a vaporilor și diferite tehnici de depunere fizică prin vapori. Straturile subțiri se găsesc și în natură. Multe animale au un strat de țesut în spatele retinei, tapetum lucidum, care ajută la colectarea de lumină. Efectele interferențelor stratului subțire pot fi observate și în sulurile de ulei și bulele de săpun. Spectrul de reflexie al unui strat subțire prezintă oscilații distincte, iar extrema spectrului poate fi folosită pentru a calcula grosimea stratului subțire. Elipsometria este o tehnică adesea folosită pentru a măsura proprietățile straturilor subțiri. Într-un experiment tipic de elipsometrie, lumina polarizată se reflectă pe o suprafață de strat și este măsurată de un detector. Se măsoară raportul complex de reflexie, ρ, al sistemului. O analiză a modelului este efectuată apoi, în care această informație este utilizată pentru a determina grosimea stratului și indicii de refracție. Interferometria dublă de polarizare este o tehnică emergentă pentru măsurarea indicelui de refracție și a grosimii straturilor subțiri pe scară moleculară și modul în care acestea se schimbă atunci când sunt stimulate. Polarizarea

251 (Polarizare circulară pe fir de cauciuc, transformată în polarizare liniară.

252 Polarizarea este o proprietate aplicată undelor transversale care specifică orientarea geometrică a oscilațiilor. Într-o undă transversală, direcția oscilației este transversală față de direcția de mișcare a undelor, astfel încât oscilațiile pot avea direcții diferite perpendiculare pe direcția undei. Un exemplu simplu de undă transversală polarizată este vibrațiile care se deplasează de-a lungul unui fir (vezi imaginea); de exemplu, într-o coardă a unui instrument muzical de ex. chitara. În funcție de modul în care este ciupită coarda, vibrațiile pot fi în direcție verticală, orizontală sau sub un unghi perpendicular pe coardă. Dimpotrivă, în undele longitudinale, cum ar fi undele sonore într-un lichid sau gaz, deplasarea particulelor în oscilație este întotdeauna în direcția propagării, astfel încât aceste unde nu prezintă polarizare. Undele transversale care prezintă polarizare includ unde electromagnetice cum ar fi undele de lumină și radio, undele gravitaționale și undele sonore transversale (undele de forfecare) în solide. În unele tipuri de unde transversale, deplasarea undei este limitată la o singură direcție, deci nici acestea nu prezintă polarizare; de exemplu, în undele de suprafață în lichide (unde de gravitație), deplasarea undei particulelor este întotdeauna într-un plan vertical. O undă electromagnetică precum lumina constă dintr-un câmp electric oscilant cuplat și un câmp magnetic care sunt întotdeauna perpendiculare; prin convenție, "polarizarea" undelor electromagnetice se referă la direcția câmpului electric. În polarizarea liniară, câmpurile oscilează într-o singură direcție. În polarizarea circulară sau eliptică, câmpurile se rotesc cu o viteză constantă într-un plan în timp ce unda se deplasează. Rotația poate avea două direcții posibile; dacă câmpurile se rotesc în sensul mâinii drepte față de direcția de deplasare a undelor, se numește polarizare circulară de dreapta sau, dacă câmpurile se rotesc în sensul mâinii stângi, se numește polarizare circulară de stânga. Lumina sau alte radiații electromagnetice din mai multe surse, cum ar fi soarele, flăcările și lămpile cu incandescență, constau din trenurile cu undă scurtă cu un amestec egal de polarizări; aceasta se numește lumină nepolarizată. Lumina polarizată poate fi produsă prin trecerea unei lumini nepolarizate printr-un filtru polarizator, care permite trecerea unor unde de o singură polarizare. Cele mai comune materiale optice (cum ar fi sticla) sunt izotropice și nu afectează polarizarea luminii care trece prin ele; totuși, unele

253 materiale - cele care prezintă birefringență, dicroism sau activitate optică - pot schimba polarizarea luminii. Unele dintre acestea sunt folosite pentru a face filtre de polarizare. Lumina este, de asemenea, polarizată parțial când se reflectă de pe o suprafață. Conform mecanicii cuantice, undele electromagnetice pot fi privite și ca fluxuri de particule numite fotoni. Când privim în acest fel, polarizarea unei unde electromagnetice este determinată de o proprietate mecanică cuantică a fotonilor numită spinul lor. Un foton are una din cele două posibilități de rotire: poate să se rotească fie într-un sens spre dreapta, fie într-un sens spre stânga în direcția de deplasare. Undele electromagnetice polarizate circular sunt compuse din fotoni cu un singur tip de spin, fie de dreapta, fie de stânga. Undele polarizate liniar constau dintr-un număr egal de fotoni de spin de dreapta și de stânga, cu faza lor sincronizată astfel încât să se suprapună pentru a da oscilații într-un plan. Polarizarea este un parametru important în domeniile științei care studiază undele transversale, cum ar fi optica, seismologia, radioul și microundele. Sunt afectate în mod special tehnologii cum ar fi laserele, telecomunicațiile fără fir și fibră optică, și radarele. Propagarea și polarizarea undelor Cele mai multe surse de lumină sunt clasificate ca fiind incoerente și nepolarizate (sau numai "parțial polarizate"), deoarece constau dintr-un amestec aleatoriu de unde cu diferite caracteristici spațiale, frecvențe (lungimi de undă), faze și stări de polarizare. Cu toate acestea, pentru înțelegerea undelor electromagnetice și în special a polarizării, este mai ușor să se țină seama doar de unde plane coerente; acestea sunt unde sinusoidale de o anumită direcție (sau vector de undă), frecvență, fază și stare de polarizare. Caracterizarea unui sistem optic în raport cu o undă plană cu acei parametri dați poate fi apoi folosită pentru a prezice răspunsul său la un caz mai general, deoarece o undă cu orice structură spațială specificată poate fi descompusă într-o combinație de unde plane (așa-numitul spectrul său unghiular). Stările incoerente pot fi modelate stocastic ca o combinație ponderată a unor astfel de unde necorelate, cu o distribuție a frecvențelor (spectrul său), faze și polarizări.

254 Unde electromagnetice transversale (O undă electromagnetică polarizată vertical de lungime de undă λ are vectorul său de câmp electric E (roșu) care oscilează în direcția verticală. Câmpul magnetic B (sau H) este întotdeauna în unghi drept cu el (albastru) și ambele sunt perpendiculare pe direcția de propagare (z). Undele electromagnetice (precum lumina) care se deplasează în spațiu liber sau în alt mediu izotrop non-atenuant sunt descrise în mod corespunzător drept unde transversale, ceea ce înseamnă că vectorul E al câmpului electric al undelor plane și câmpul magnetic H sunt în direcții perpendiculare pe (sau "transversale" la) direcția de propagare a undelor; E și H sunt, de asemenea, perpendiculare între ele. Considerând o undă monocromatică de frecvență optică f (lumina lungimii de undă în vid λ are o frecvență de f = c/λ unde c este viteza luminii), să luăm direcția de propagare ca axa z. Fiind o undă transversală, câmpurile E și H trebuie să conțină componente numai în direcțiile x și y, în timp ce E z = H z = 0. Folosind notația complexă (sau fazor), obținem câmpurile electrice fizice și magnetice instantanee care trebuie date de părțile reale ale cantităților complexe care apar în ecuații. Unde netransversale În plus față de undele transversale, există multe mișcări de unde în care oscilația nu se limitează la direcții perpendiculare pe direcția propagării, cazuri în care polarizarea unei unde coerente nu poate fi descrisă pur și

255 simplu folosind un vector Jones. Doar luând în considerare undele electromagnetice, într-un mediu anizotrop (cum ar fi cristalele birefringente), câmpul electric sau magnetic poate avea componente atât longitudinale cât și transversale. În aceste cazuri, deplasarea electrică D și densitatea fluxului magnetic B se supun geometriei normale, dar datorită anizotropiei în susceptibilitatea electrică (sau în permeabilitatea magnetică), acum dată de un tensor, direcția E (sau H) poate diferi de D (sau B). Chiar și în mediile izotropice, așa-numitele unde neomogene pot fi lansate într-un mediu al cărui indice de refracție are o parte semnificativă imaginară (sau "coeficient de extincție"), cum ar fi metalele; aceste câmpuri nu sunt, de asemenea, strict transversale. Undele de suprafață sau undele care se propagă într-un ghid de undă (cum ar fi o fibră optică) nu sunt, în general, unde transversale, dar ar putea fi descrise ca un mod transversal electric sau magnetic sau un mod hibrid. Chiar și în spațiul liber, componentele de câmp longitudinal pot fi generate în zone focale, unde aproximația undelor plane se descompune. Un exemplu extrem este lumina polarizată radial sau tangențial, în centrul căruia câmpul electric sau respectiv cel magnetic este în întregime longitudinal (de-a lungul direcției de propagare). Pentru undele longitudinale, cum ar fi undele de sunet în fluide, direcția de oscilație este definită de-a lungul direcției de deplasare, astfel încât problema polarizării nu este în mod normal menționată. Pe de altă parte, undele sonore dintr-un solid pot fi transversale și longitudinale, pentru un total de trei componente de polarizare. În acest caz, polarizarea transversală este asociată cu direcția forței de forfecare și a deplasării în direcții perpendiculare pe direcția de propagare, în timp ce polarizarea longitudinală descrie comprimarea solidului și vibrațiile de-a lungul direcției de propagare. Difuzarea diferențială a polarizărilor transversale și longitudinale este importantă în seismologie. Starea de polarizare Polarizarea este cel mai bine înțeleasă, considerând inițial numai stările de polarizare pură și numai o undă sinusoidală coerentă la o anumită frecvență

256 optică. Vectorul din diagrama adiacentă poate descrie oscilația câmpului electric emis de un laser cu un singur mod (a cărui frecvență de oscilație ar fi de obicei de ori mai rapidă). Câmpul oscilează în planul x-y, în lungul suprafeței, cu unda propagându-se în direcția z, perpendicular pe suprafață. Primele două diagrame de mai jos urmăresc vectorul câmpului electric pe un ciclu complet de polarizare liniară la două orientări diferite; acestea sunt fiecare considerate o stare distinctă de polarizare. Rețineți că polarizarea liniară la 45 poate fi văzută și ca adăugarea unei unde orizontale polarizată (la fel ca în figura cea mai din stânga) și o undă polarizată vertical cu aceeași amplitudine în aceeași fază.

257 Acum, dacă s-ar introduce o schimbare de fază între aceste componente de polarizare orizontală și verticală, s-ar obține, în general, polarizarea eliptică, așa cum se arată în a treia figură. Când schimbarea de fază este exact ± 90, atunci se produce polarizarea circulară (a patra și a cincea figură). Astfel este creată polarizarea circulară în practică, pornind de la o lumină polarizată liniar și folosindu-se o placă cu un sfert de undă pentru a introduce o astfel de schimbare de fază. Rețineți că polarizarea circulară sau eliptică poate implica o rotire fie în sensul acelor de ceasornic fie în sens invers acelor de ceasornic a câmpului. Acestea corespund unor stări distincte de polarizare, cum ar fi cele două polarizări circulare prezentate mai sus. Desigur, orientarea axelor x și y utilizate în această descriere este arbitrară. Alegerea unui astfel de sistem de coordonate și vizualizarea elipsei de polarizare în ceea ce privește componentele polarizării x și y, corespunde definiției vectorului Jones în termeni de polarizări de bază. În mod normal s- ar alege axe pentru a se potrivi unei probleme particulare, cum ar fi x fiind în planul de incidență. Deoarece există coeficienți de reflexie separați pentru polarizările liniare în și ortogonale față de planul de incidență (polarizările p și s), această alegere simplifică foarte mult calculul reflexiei unei unde de la o suprafață. Mai mult decât atât, se pot folosi ca funcții de bază orice pereche de stări de polarizare ortogonale, nu doar polarizări liniare. De exemplu, alegerea polarizărilor circulare dreapta și stânga ca funcții de bază simplifică rezolvarea problemelor care implică birefringența circulară (activitatea optică) sau dicroismul circular. Elipsa de polarizare

258 Luați în considerare o undă monocromatică pur polarizată. Dacă cineva urma

259 să traseze vectorul câmpului electric pe un ciclu de oscilație, ar fi obținută o elipsă, în general, așa cum se arată în figură, corespunzând unei stări particulare de polarizare eliptică. Rețineți că polarizarea liniară și polarizarea circulară pot fi văzute drept cazuri speciale de polarizare eliptică. O stare de polarizare poate fi apoi descrisă în raport cu parametrii geometrici ai elipsei și cu "sensul mâinii", adică dacă rotirea în jurul elipsei este în sensul acelor de ceasornic sau în sensul invers acelor de ceasornic. O parametrizare a figurii eliptice specifică unghiul de orientare ψ, definit ca unghiul dintre axa principală a elipsei și axa x, împreună cu elipticitatea ε = a/b, raportul dintre axa principală și cea mică a elipsei. (cunoscut și ca raport axial). Parametrul elipticității este o parametrizare alternativă a excentricității elipsei e = (1 - b 2 /a 2 ) sau unghiul de elipticitate, χ = arctan b/a = arctan 1/ε așa cum este arătat în figură. Unghiul χ este, de asemenea, semnificativ în sensul că latitudinea (unghiul de la ecuator) al stării de polarizare reprezentată în sfera Poincaré este egală cu ± 2x. Cazurile speciale de polarizare liniară și circulară corespund unei elipticități ε infinită și unitară (sau χ zero și respectiv 45 ). Polarizarea fotonilor Polarizarea fotonilor este descrierea mecanică cuantică a undelor electromagnetice plane sinusoidale clasice polarizate. Un foton individual poate fi descris ca având o polarizare circulară dreaptă sau stângă sau o suprapunere a celor două. În mod echivalent, un foton poate fi descris ca având o polarizare liniară orizontală sau verticală, sau o suprapunere a celor două. Descrierea polarizării fotonilor conține multe dintre conceptele fizice și o mare parte din mecanismele matematice ale descrierilor cuantice mai implicate, cum ar fi mecanica cuantică a unui electron într-un puț de potențial și constituie o bază fundamentală pentru înțelegerea fenomene cuantice mai complicate. O mare parte din mecanismele matematice ale mecanicii cuantice, cum ar fi vectorii de stare, amplitudinile de probabilitate, operatorii unitari și operatorii hermitici, apar în mod natural din ecuațiile clasice Maxwell din descriere. Vectorul de stare a polarizării cuantice pentru foton, de exemplu, este identic cu vectorul Jones, folosit de obicei pentru a descrie

260 polarizarea unei unde clasice. Operatorii unitari provin din cerința clasică de conservare a energiei unei unde clasice care se propagă prin mediu fără pierderi care modifică starea de polarizare a undelor. Operatorii hermitici urmează apoi transformările infinitezimale ale unei stări de polarizare clasice. Multe dintre implicațiile mașinăriei matematice sunt ușor de verificat experimental. De fapt, multe dintre experimente pot fi realizate cu două perechi (sau o pereche spartă) de ochelari de soare polaroid. Legătura cu mecanica cuantică se face prin identificarea unei mărimi minime a pachetului, numită foton, pentru energia din câmpul electromagnetic. Identificarea se bazează pe teoriile lui Planck și pe interpretarea acestor teorii de către Einstein. Principiul corespondenței permite apoi identificarea impulsului și momentului unghiular (numit spin), precum și a energiei, cu fotonul. Vederea tridimensională (Percepția în adâncime)

261 (Perspectiva, dimensiunea relativă, ocluziunea și gradienții de textura, toate contribuie la aspectul tridimensional al acestei fotografii. Percepția în adâncime (percepția în profunzime) este capacitatea vizuală de a percepe lumea în trei dimensiuni (3D) și distanța unui obiect. Senzația de adâncime este termenul corespunzător pentru animale, deoarece deși se știe că animalele pot detecta distanța unui obiect (din cauza capacității lor de a se deplasa cu exactitate sau de a răspunde în mod consecvent, în funcție de această distanță), nu se știe dacă acestea "percep" acest lucru în același mod

262 subiectiv ca oamenii. Percepția în adâncime apare dintr-o varietate de indicii de adâncime. Acestea sunt în mod obișnuit clasificate în indici binoculari, care se bazează pe primirea de informații senzoriale în trei dimensiuni, atât din ochi cât și din indiciile monoculare care pot fi reprezentate în doar două dimensiuni și observate cu un singur ochi. Indicațiile binoculare includ stereoscopia, convergența ochilor, disparitatea și adâncimea de la viziunea binoculară prin exploatarea paralaxelor. Indicațiile monoculare includ distanța (obiectele îndepărtate prezintă unghiuri vizuale mai mici decât obiectele apropiate), granulația, mărimea și paralaxa mișcării. Indicii monoculare Indiciile monoculare oferă informații despre adâncime atunci când se vizionează o scenă cu un singur ochi. Paralaxa de mișcare: Atunci când un observator se mișcă, mișcarea relativă aparentă a mai multor obiecte staționare pe fundal oferă indicii despre distanța lor relativă. Dacă se cunosc informații despre direcția și viteza de mișcare, paralaxa de mișcare poate furniza informații absolute de adâncime. Acest efect poate fi văzut clar atunci când conduci într-o mașină. Lucrurile din apropiere trec mai repede, în timp ce obiectele îndepărtate apar ca fiind staționare. Unele animale care nu au o viziune binoculară datorită faptului că ochii lor au un câmp de vedere comun îngust folosesc paralaxa mișcării mai mult decât oamenii pentru percepția adâncimii (de exemplu, unele tipuri de păsări își mișcă rapid capul pentru a obține paralaxa mișcării, iar veverițele se mișcă în direcții ortogonale față de un obiect de interes pentru a face același lucru). Adâncime de mișcare: Atunci când un obiect se deplasează spre observator, proiecția retinei unui obiect se extinde în timp, ceea ce duce la percepția mișcării într-o linie spre observator. Un alt nume pentru acest fenomen este adâncimea de expansiune optică. Schimbarea dinamică a stimulilor permite observatorului să nu vadă numai obiectul ca fiind în mișcare, ci să perceapă și distanța față de obiectul în mișcare. Astfel, în acest context, mărimea în schimbare servește ca un indiciu de distanță. Un fenomen asociat este

263 capacitatea sistemului vizual de a calcula timpul de contact al unui obiect care se apropie din viteza expansiunii optice - o abilitate utilă în contexte variind de la conducerea unei mașini la jocul cu minge. Cu toate acestea, calculul timpul de contact este, în mod strict vorbind, percepția vitezei, mai degrabă decât a adâncimii. Efect de adâncime cinetică: Dacă o figură rigidă staționară (de exemplu, un cub de sârmă) este plasată în fața unei surse punctuale de lumină, astfel încât umbra acesteia să cadă pe un ecran translucid, un observator din cealaltă parte a ecranului va vedea un model bidimensional de linii. Dar dacă cubul se rotește, sistemul vizual va extrage informațiile necesare pentru a percepe a treia dimensiune din mișcările liniilor și se va vedea un cub. Acesta este un exemplu al efectului de adâncime cinetică. Efectul apare și atunci când obiectul rotativ este solid (mai degrabă decât o figură conturată), cu condiția ca umbra proiectată să fie formată din linii care au colțuri sau puncte finale definite și că aceste linii se schimbă atât în lungime cât și în orientare în timpul rotației. Perspectiva: Proprietatea liniilor paralele de a converge la distanță, la infinit, ne permite să reconstruim distanța relativă a două părți ale unui obiect sau a caracteristicilor peisajului. Un exemplu ar fi să stăm pe un drum drept, privind în depărtare pe șosea și observând că drumul se îngustează cu cât este mai departe de noi. Mărime relativă: Dacă se știe că două obiecte sunt de aceeași dimensiune (de exemplu, doi copaci), dar dimensiunea lor absolută este necunoscută, indicii de mărime relativă pot furniza informații despre adâncimea relativă a celor două obiecte. Dacă cineva observă unul sub un unghi vizual mai mare pe retină decât pe celălalt, obiectul cu unghiul vizual mai mare apare mai aproape. Dimensiune familiară: Deoarece unghiul vizual al unui obiect proiectat pe retină scade cu distanța, această informație poate fi combinată cu cunoașterea anterioară a dimensiunii obiectului pentru a determina adâncimea absolută a obiectului. De exemplu, oamenii sunt în general familiarizați cu dimensiunea unui automobil mediu. Această cunoaștere prealabilă poate fi combinată cu informații despre unghiul pe care-l creează pe retină pentru a determina adâncimea absolută a unui automobil într-o scenă.

264 Dimensiune absolută: Chiar dacă dimensiunea reală a obiectului este necunoscută și există un singur obiect vizibil, un obiect mai mic pare mai departe decât un obiect mare în aceeași locație Perspectivă aeriană: Datorită împrăștierii luminii de către atmosferă, obiectele care se află la o distanță mare au un contrast de luminanță mai scăzut și o saturație a culorii mai scăzută. Din această cauză, imaginile par mai neclare cu cât sunt mai departe de punctul de vedere al unei persoane. În grafica computerizată, acest lucru este adesea numit "ceață la distanță". Partea din față are un contrast ridicat; fundalul are un contrast scăzut. Obiectele care diferă numai în contrast cu un fundal par să fie la adâncimi diferite. Culoarea obiectelor îndepărtate este de asemenea deplasată spre albastru (de exemplu, munții îndepărtați). Unii pictori, în special Cézanne, folosesc pigmenți "calzi" (roșii, galbeni și portocalii) pentru a aduce elementele mai în față, și "reci" (albastru, violet și verde-albastru) pentru a indica elementele mai departe de planul imaginii. Acomodare: Acesta este un avantaj oculomotor pentru percepția adâncimii. Când încercăm să ne concentrăm asupra unor obiecte îndepărtate, mușchii ciliari întind lentilele oculare, făcându-le mai subțiri și, prin urmare, schimbând distanța focală. Senzațiile kinestezice ale mușchilor ciliari (mușchii intraoculari) care se contractă și se relaxează sunt trimise spre cortexul vizual unde se utilizează pentru interpretarea distanței/adâncimii. Acomodarea este eficientă numai pentru distanțe mai mici de 2 metri. Ocultație: Ocultația (denumită și interpunere) se întâmplă atunci când suprafețele apropiate se suprapun peste suprafețele îndepărtate. Dacă un obiect blochează parțial vederea unui alt obiect, oamenii îl percep mai aproape. Această informație permite observatorului să creeze un "clasament" de proximitate relativă. Prezența ocluziilor monoculare ambientale constă în textura și geometria obiectului. Aceste fenomene sunt capabile să reducă latența de percepție a adâncimii atât în cazul stimulilor naturali cât și artificiali. Perspectivă curbilinie: La extremele exterioare ale câmpului vizual, liniile paralele devin curbe, ca într-o fotografie realizată printr-o lentilă ochi de pește. Acest efect, deși este eliminat de obicei atât din artă cât și din fotografie prin trunchierea sau încadrarea unei imagini, sporește foarte mult

265 sentimentul spectatorului de a fi poziționat într-un spațiu real tridimensional. (Perspectiva clasică nu are nici o utilitate pentru așa-numita "denaturare", deși în fapt "distorsiunile" se supun strict legilor optice și furnizează informații vizuale perfect valide, la fel ca și perspectiva clasică pentru partea din câmpul de vizibilitate din cadrul său.) Gradientul texturii: Detaliile fine despre obiectele din apropiere pot fi văzute clar, în timp ce astfel de detalii nu sunt vizibile pe obiecte îndepărtate. Gradienții de textura sunt granulații ale unui obiect. De exemplu, pe un drum lung cu pietriș, pietrișul din apropierea observatorului poate fi văzut în mod clar ca formă, dimensiune și culoare. În depărtare, textura drumului nu poate fi net diferențiată. Iluminare și umbrire: Modul în care lumina cade pe un obiect și se reflectă pe suprafețele sale, și umbrele care lăsate de obiecte, oferă un indiciu eficient pentru creier pentru a determina forma obiectelor și poziția lor în spațiu. Blur de defocalizare: Blurarea selectivă a imaginii este foarte frecvent utilizată în fotografie și video pentru a stabili impresia de profunzime. Acest lucru poate acționa ca un indiciu monocular chiar și atunci când toate celelalte indicii sunt eliminate. Aceasta poate contribui la perceperea profunzimii imaginilor pe retină naturale, deoarece adâncimea de focalizare a ochiului uman este limitată. În plus, există mai mulți algoritmi de estimare a adâncimii bazați pe defocalizare și neclaritate. Unii păianjeni care sar utilizează defocalizarea imaginii pentru a obține adâncimea. Elevație: Atunci când un obiect este vizibil în raport cu orizontul, avem tendința să percepem obiecte care sunt mai aproape de orizont ca fiind mai îndepărtate de noi și obiecte care sunt mai departe de orizont ca fiind mai aproape de noi. În plus, dacă un obiect se deplasează dintr-o poziție aproape de orizont în o poziție mai mare sau mai mică decât orizontul, va apărea să se apropie mai mult de observator. Indici binoculare Indicațiile binoculare oferă informații despre adâncime atunci când se vizionează o scenă cu ambii ochi.

266 Stereoscopia sau disparitatea retinală (binoculară), sau paralaxă binoculară: Animalele care au ochii plasați frontal pot utiliza, de asemenea, informații derivate din proiecția diferită a obiectelor pe fiecare retină pentru a evalua adâncimea. Prin utilizarea a două imagini ale aceleiași scene obținute din unghiuri ușor diferite, este posibilă triangularea distanței față de un obiect cu un grad ridicat de precizie. Fiecare ochi privește un unghi ușor diferit al unui obiect văzut de ochii din stânga și din dreapta. Acest lucru se întâmplă din cauza paralaxei de separare orizontală a ochilor. Dacă un obiect este departe, diferența dintre imaginea care se încadrează pe ambele retine va fi mică. Dacă obiectul este aproape, discrepanța va fi mare. Stereoscopia este cea care îi face pe oameni să se gândească că percep profunzimea atunci când văd filme 3D și fotografii stereoscopice. Convergenţă: Aceasta este un indiciu oculomotor binocular pentru percepția de distanță/adâncime. Din cauza stereoscopiei, cei doi ochi se concentrează pe același obiect. În acest sens, acestea converg. Convergența va întinde mușchii extraoculari. Așa cum se întâmplă cu indiciul de acomodare monocular, senzațiile kinestezice ale acestor mușchi extraoculari ajută, de asemenea, la perceperea profunzimii/distanței. Unghiul de convergență este mai mic atunci când ochiul se fixează pe obiecte îndepărtate. Convergența este eficientă pentru distanțe mai mici de 10 metri. Stereoscopia umbrei: A. Medina Puerta a demonstrat că imaginile retinale fără disparitate de paralaxă, dar cu umbre diferite, sunt fuzionate în mod stereoscopic, conferind percepția adâncimii scenei imaginate. El a numit fenomenul "stereoscopia umbrei". Umbrele sunt, prin urmare, un indiciu stereoscopic important pentru percepția adâncimii. Din aceste indicii diferite, doar convergența, acomodarea și dimensiunea familiară oferă informații despre distanța absolută. Toate celelalte indicii sunt relative (adică, ele pot fi folosite numai pentru a spune care obiecte sunt mai apropiate față de altele). Stereoscopia este doar relativă deoarece o discrepanță mai mare sau mai mică pentru obiectele din apropiere ar putea însemna fie că aceste obiecte diferă mai mult sau mai puțin substanțial în profunzime relativă fie că obiectul perceput este mai aproape sau mai departe (cu cât scena este mai departe, cu atât este mai mică disparitate retinală care indică aceeași diferență de adâncime.)

267 Percepția tridimensională în artă Fotografiile care captează perspectiva sunt imagini bidimensionale care ilustrează adesea iluzia profunzimii. Fotografia folosește mărimea, contextul de mediu, iluminatul, gradientul textural și alte efecte pentru a surprinde iluzia profunzimii. Stereoscoapele și filmele 3D utilizează viziunea binoculară forțând spectatorul să vadă două imagini create din poziții (puncte de vedere) ușor diferite. Charles Wheatstone a fost primul care a discutat despre percepția adâncimii ca un indiciu al disparității binoculare. El a inventat stereoscopul, care este un instrument cu două oculare care afișează două fotografii ale aceleiași locații/scene, luate din unghiuri diferite. Când se observă, separat de fiecare ochi, perechile de imagini induc un sentiment de profunzime. În schimb, un teleobiectiv - utilizat în sporturile televizate, de exemplu, pentru a mări imaginile publicului din stadion - are efectul opus. Observatorul vede dimensiunile și detaliile scenei ca și cum ar fi destul de aproape pentru a le atinge, dar perspectiva camerei este încă derivată din poziția sa efectivă de o sută de metri distanță, astfel încât fețele de fundal și obiectele apar la aceeași dimensiune ca cele din prim-plan. Artiștii experimentați sunt foarte conștienți de diferitele metode de indicare a adâncimii spațiale (umbrirea culorii, ceață la distanță, perspectivă și mărimea relativă) și profită de ele pentru a face ca lucrările lor să pară "reale". Observatorul simte că ar fi posibil să ia de nas personajul unui portret de Rembrandt, de ex., sau să ia un măr dintr-o natură moartă a lui Cezanne - sau să pășească în interiorul unui peisaj și să se plimbați printre copaci și pietre. Cubismul s-a bazat pe ideea încorporării punctelor multiple de vedere într-o imagine pictată, ca și cum ar simula experiența vizuală a faptului că este fizic în prezența subiectului și văzând-o din diferite unghiuri. Experimentele radicale ale lui Georges Braque, ale lui Pablo Picasso, din Nu à la cheminée a lui Jean Metzinger, La Femme aux Phlox a lui Albert Gleizes, sau Turnul Eiffel al lui Robert Delaunay, utilizează unghiul exploziv al cubismului pentru a exagera iluzia tradițională a spațiului tridimensional. Utilizarea subtilă a mai multor puncte de vedere poate fi găsită în lucrările de pionierat ale lui Cézanne, care a anticipat și a inspirat primii cubiști actuali. Peisajele și naturile moarte ale lui Cézanne sugerează puternic percepția profunzimii artistului. În același timp, ca și ceilalți post-impresioniști, Cézanne învățase

268 din arta japoneză semnificația respectării dreptunghiului plat (bidimensional) al imaginii în sine; Hokusai și Hiroshige au ignorat sau chiar inversat perspectiva liniară și, astfel, a reamintit observatorului că o imagine poate fi "adevărată" doar atunci când recunoaște adevărul propriului său plan plat. Prin contrast, pictura europeană "academică" a fost dedicată unui fel de tehnică Big Lie că suprafața pânzei este doar o ușă fermecătoare către o scenă "reală" care se desfășoară dincolo și că sarcina principală a artistului este de a distrage privitorul de la orice dezamăgire a conștientizării prezenței pânzei pictate. Cubismul și, într-adevăr, cea mai mare parte a artei moderne este o încercare de a se confrunta, dacă nu de a rezolva, paradoxul de a sugera adâncimea spațială pe o suprafață plană și de a explora această contradicție inerentă prin metode inovatoare de vizualizare, precum și noi metode de desen și pictură. Holografia

269 (Două fotografii ale unei singure holograme luate din puncte de vedere diferite)

270 Holografia este știința și practica de a face holograme. De obicei, o hologramă este o înregistrare fotografică a câmpului de lumină, mai degrabă decât a unei imagini formate dintr-o lentilă, și este utilizată pentru a afișa o imagine complet tridimensională a subiectului holografic, care este văzută fără ajutorul unor sticle speciale sau alte dispozitive optice intermediare. Holograma însăși nu este o imagine și, de obicei, este neinteligibilă atunci când este privită în lumină ambientală difuză. Este o codificare a câmpului luminos ca un model de interferență a variațiilor aparent aleatorii în opacitate, densitate sau profil de suprafață al mediului fotografic. Atunci când are o iluminare corespunzătoare, modelul de interferență produce difracția luminii obținând o reproducere a câmpului luminii originale și obiectele care se află în el par să mai fie încă acolo, prezentând repere vizuale de adâncime, cum ar fi paralaxa și perspectiva, care se schimbă realist cu orice schimbare în poziția relativă a observatorului. În forma sa pură, holografia necesită utilizarea luminii laser pentru iluminarea subiectului și pentru vizualizarea hologramei finite. Într-o comparație de o parte și cealaltă în condiții optime, o imagine holografică este vizual de nedistins de subiectul actual. Poate fi reprodus un nivel microscopic al detaliilor pe întregul volum de spațiu înregistrat. În practica obișnuită, totuși, compromisurile majore ale calității imaginii sunt făcute pentru a elimina necesitatea de iluminare cu laser atunci când vizualizați holograma și, uneori, în măsura posibilului, și atunci când faceți acest lucru. Portretul holografic recurge adesea la o procedură de imagistică intermitentă non-holografică, pentru a evita laserele pulsatorii de mare putere aleatorii, care altfel văd imaginea, să "înghețe" optic subiecții vii, exact așa cum cere procesul de înregistrare holografică extrem de intolerant la mișcări. Hologramele pot fi, de asemenea, în întregime generate de calculator pentru a arăta obiecte sau scene care nu au existat niciodată. Holografia este distinctă de tehnologiile lenticulare și alte tehnologii de afișare 3D autostereoscopice, care pot produc rezultate asemănătoare superficial, dar se bazează pe imagistica obișnuită a lentilelor. Iluzii de scenă și alte imagini neobișnuite, derutante sau aparent magice, sunt de multe ori numite în mod incorect holograme. Cum funcționează

271 (Înregistrarea unei holograme.

272 (Reconstruirea unei holograme)

273 (Fotografie aproape de o suprafață a hologramei. Obiectul din hologramă este o jucărie. Nu este mai ușor să discernem subiectul unei holograme de acest model decât să identificăm ce muzică a fost înregistrată prin vizionarea suprafeței unui CD. Rețineți că holograma este descrisă mai degrabă de rețeaua de puncte, decât de modelul "ondulatoriu".) Holografia este o tehnologie care permite ca un câmp de lumină, care este în

274 general produsul unei surse de lumină împrăștiată de obiecte, să fie înregistrat și reconstruit ulterior când câmpul luminos original nu mai este prezent, în absența obiectelor originale. Holografia poate fi considerată oarecum similară înregistrării sonore, unde un câmp sonor creat de materia vibrantă, cum ar fi instrumente muzicale sau corzi vocale, este codificat astfel încât să poată fi reprodus mai târziu, fără prezența materiei vibrante originale. Laser În holografia laser, holograma este înregistrată folosind o sursă de lumină laser, care este foarte pură în culoare și ordonată în compoziția sa. Pot fi utilizate diverse setări și pot fi realizate mai multe tipuri de holograme, dar toate implică interacțiunea dintre lumina provenind din direcții diferite și producerea unui model de interferență microscopică înregistrată fotografic pe o placă, film sau alt mediu. Într-un aranjament obișnuit, fasciculul laser este împărțit în două, unul cunoscut ca fascicul de obiect, iar celălalt ca fascicul de referință. Fasciculul de obiect este extins prin trecerea acestuia printr-o lentilă și folosit pentru a ilumina subiectul. Mediul de înregistrare este situat acolo unde această lumină, după ce este reflectată sau împrăștiată de subiect, va ajunge pe el. În cele din urmă, marginile mediului vor servi ca o fereastră prin care subiectul este văzut, astfel încât locația sa este aleasă cu acest lucru în minte. Faza de referință este extinsă și făcută să strălucească direct pe mediu, unde interacționează cu lumina provenită de la subiect pentru a crea modelul de interferență dorit. La fel ca fotografia convențională, holografia necesită un timp de expunere adecvat pentru a afecta corect mediul de înregistrare. Spre deosebire de fotografierea convențională, în timpul expunerii, sursa de lumină, elementele optice, mediul de înregistrare și subiectul trebuie să rămână perfect nemișcate unul față de celălalt, până la aproximativ un sfert din lungimea de undă a luminii, altfel modelul de interferență se estompează și holograma se strică. Cu subiecți vii și unele materiale instabile, acest lucru este posibil numai dacă se utilizează un puls foarte intens și extrem de scurt de lumină laser, o procedură periculoasă care este rară, rareori fiind făcută în afara setărilor de laborator științific și industrial. Sunt tipice expuneri care durează câteva

275 secunde până la câteva minute, utilizând un laser cu operare continuă, care funcționează mai puțin. Aparatura O hologramă poate fi realizată prin direcționarea unei părți a fasciculului luminos direct în mediul de înregistrare, iar cealaltă parte pe obiect, astfel încât o parte din lumina împrăștiată să cadă pe mediul de înregistrare. Un aranjament mai flexibil pentru înregistrarea unei holograme necesită ca fasciculul laser să fie îndreptat printr-o serie de elemente care îl schimbă în moduri diferite. Primul element este un divizor de fascicule care împarte fasciculul în două părți identice, fiecare vizând direcții diferite: Un fascicul (cunoscut sub numele de fascicul de iluminare sau de obiect) se transmite folosind lentile și se îndreaptă spre scenă folosind oglinzi. O parte din lumina împrăștiată (reflectată) din scenă cade apoi pe mediul de înregistrare. Al doilea fascicul (cunoscut ca fascicul de referință) se transmite de asemenea prin utilizarea lentilelor, dar este dirijat astfel încât să nu vină în contact cu scena, în schimb se deplasează direct pe mediul de înregistrare. Mai multe materiale diferite pot fi folosite ca mediu de înregistrare. Unul dintre cele mai frecvente este un film foarte asemănător cu filmul fotografic (emulsie fotografică cu halogenuri de argint), dar cu o concentrație mult mai mare de granulații reactive la lumină, ceea ce îl face capabil de o rezoluție mult mai ridicată de care are nevoie hologramele. Un strat al acestui mediu de înregistrare (de exemplu, halogenura de argint) este atașat la un substrat transparent, care este de obicei sticlă, dar poate fi și plastic. Procesul Când cele două fascicule laser ajung în mediul de înregistrare, undele lor luminoase se intersectează și interferează reciproc. Acest tip de interferență este imprimat pe mediul de înregistrare. Modelul în sine este aparent întâmplător, deoarece reprezintă modul în care lumina scenei a interferat cu sursa de lumină originală - dar nu și sursa de lumină originală în sine.

276 Modelul de interferență poate fi considerat o versiune codată a scenei, care necesită o anumită cheie - sursa de lumină originală - pentru a vedea conținutul acesteia. Această cheie lipsă este oferită ulterior prin folosirea unui laser identic cu cel folosit pentru înregistrarea hologramei pe filmul developat. Când acest fascicul iluminează holograma, este difuzat de modelul de suprafață al hologramei. Aceasta produce un câmp luminos identic cu cel produs inițial de scenă și împrăștiat pe hologramă. Vs. fotografie Holografia poate fi mai bine înțeleasă prin examinarea diferențelor sale față de fotografia obișnuită: O hologramă reprezintă o înregistrare a informațiilor referitoare la lumina provenită de la scena originală împrăștiată într-o serie de direcții, mai degrabă decât dintr-o singură direcție, ca într-o fotografie. Aceasta permite vizualizarea scenei dintr-o serie de unghiuri diferite, ca și cum ar fi fost încă prezente. O fotografie poate fi înregistrată utilizând surse normale de lumină (lumină solară sau iluminare electrică), în timp ce pentru a înregistra o hologramă este necesar un laser. În fotografie este necesar o lentilă pentru înregistrarea imaginii, în timp ce în holografie, lumina de la obiect este împrăștiată direct pe mediul de înregistrare. O înregistrare holografică necesită ca un al doilea fascicul de lumină (fasciculul de referință) să fie îndreptat către mediul de înregistrare. O fotografie poate fi văzută într-o gamă largă de condiții de iluminare, în timp ce hologramele pot fi văzute doar cu forme specifice de iluminare. Atunci când o fotografie este tăiată la jumătate, fiecare bucată prezintă jumătate din scenă. Când o hologramă este tăiată la jumătate, toată scena poate fi văzută în fiecare bucată. Acest lucru se datorează faptului că, în timp ce fiecare punct dintr-o fotografie reprezintă numai lumină împrăștiată dintr-un singur punct al scenei, fiecare punct al unei înregistrări holografice include informații despre lumina împrăștiată din

277 fiecare punct al scenei. Se poate considera că vizualizați o stradă în afara casei printr-o fereastră de 120 cm 120 cm, apoi printr-o fereastră de 60 cm 120 cm. Se pot vedea toate lucrurile prin fereastra mai mica (prin deplasarea capului pentru a schimba unghiul de vizualizare), dar vizualizatorul poate vedea mai mult dintr-o dată prin fereastra de 120 cm. O fotografie este o reprezentare bidimensională care poate reproduce doar un efect tridimensional rudimentar, în timp ce raza de vizualizare reprodusă a unei holograme adaugă mult mai multe indicii de percepție a adâncimii care au fost prezente în scenă originală. Aceste semnale sunt recunoscute de creierul uman și traduse în aceeași percepție a unei imagini tridimensionale ca atunci când scena inițială ar fi putut fi văzută. O fotografie mapează în mod clar câmpul luminos al scenei originale. Suprafața hologramei dezvoltate constă dintr-un model foarte fin, aparent aleatoriu, care pare să nu aibă nicio legătură cu scena pe care a înregistrat-o. Fizica holografiei Pentru o mai bună înțelegere a procesului, este necesar să se înțeleagă interferențele și difracția. Interferența are loc atunci când unul sau mai multe fronturi de undă sunt suprapuse. Difracția are loc atunci când un front de undă întâlnește un obiect. Procesul de producere a unei reconstrucții holografice este explicat mai jos doar în termeni de interferență și difracție. Este oarecum simplificat, dar este suficient de precis pentru a da o înțelegere a modului în care funcționează procesul holografic. Fronturile de undă plane O rețea de difracție este o structură cu un model repetat. Un exemplu simplu este o placă metalică cu fante tăiate la intervale regulate. O undă de lumină care se află pe o rețea este împărțită în mai multe unde; direcția acestor unde de difracție este determinată de spațierea rețelei și lungimea de undă a luminii. O hologramă simplă poate fi creată prin suprapunerea a două unde plane de la aceeași sursă de lumină pe un mediu de înregistrare holografic. Cele două

278 unde interferează, rezultând un model de franjuri drepte, a cărui intensitate variază sinusoidal pe întreaga suprafață. Spațierea modelului de franjuri este determinată de unghiul dintre cele două unde și de lungimea de undă a luminii. Modelul de lumină înregistrat este o rețea de difracție. Atunci când este iluminat numai de unul dintre undele folosite pentru a-l crea, se poate arăta că una dintre undele difractate apare în același unghi ca și cel de incidență a celui de-a doua undă, astfel încât cea de a doua undă a fost "reconstruită. Astfel, modelul de lumină înregistrat este o înregistrare holografică așa cum este definită mai sus. Surse punctuale

279 (Planul zonal sinusoidal.

280 Dacă mediul de înregistrare este iluminat cu o sursă punctuală și cu o undă plană incidentă normală, modelul rezultat este un plan zonal sinusoidal, care acționează ca o lentilă Fresnel negativă a cărui distanță focală este egală cu separarea sursei punctuale și a planului de înregistrare. Atunci când unda plană luminează o lentilă negativă, este extinsă într-o undă care pare să se abată de la punctul focal al obiectivului. Astfel, atunci când modelul înregistrat este iluminat cu unda plană inițială, o parte din lumină este difuzată într-un fascicul divergent echivalent undei sferice originale; o înregistrare holografică a sursei punctuale a fost creată. Atunci când unda plană intră într-un unghi diferit de normală la momentul înregistrării, modelul format este mai complex, dar acționează în continuare ca o lentilă negativă dacă este iluminată la unghiul original. Obiecte complexe Pentru a înregistra o hologramă a unui obiect complex, un fascicul laser este mai întâi împărțit în două fascicule de lumină. Un singur fascicul iluminează obiectul, care apoi împrăștie lumina pe mediul de înregistrare. Conform teoriei difracției, fiecare punct al obiectului acționează ca o sursă de lumină punctuală, astfel încât mediul de înregistrare poate fi considerat a fi iluminat de un set de surse punctuale situate la distanțe diferite față de mediu. Al doilea fascicul (de referință) iluminează direct mediul de înregistrare. Fiecare undă a surselor punctuale interferează cu fasciculul de referință, dând naștere la planul zonal sinusoidal propriu în mediul de înregistrare. Modelul rezultat este suma tuturor acestor "plane zonale", care se combină pentru a produce un model aleatoriu (punctiform) ca în fotografia de mai sus. Atunci când holograma este iluminată de fasciculul de referință original, fiecare dintre planurile zonale individuale reconstruiește undele obiectului care le-a produs și aceste fronturi de undă individuale sunt combinate pentru a reconstrui întregul fascicul al obiectului. Observatorul percepe un front de undă care este identic cu frontul de undă împrăștiat din obiect pe mediul de înregistrare, astfel încât să apară că obiectul este încă pe poziție, chiar dacă a fost îndepărtat.

281 Emisia luminii (Surse de lumină) (Un oraș iluminat cu surse artificiale de lumină - cu incandescență, halogeni, LED-uri, lasere) Există multe surse de lumină. Un corp la o temperatură dată emite un spectru caracteristic de radiație a corpului negru. O sursă termică simplă este lumina soarelui, radiațiile emise de cromosfera Soarelui la aproximativ 6000 de Kelvin (5730 grade Celsius, grade Fahrenheit) în regiunea vizibilă a spectrului electromagnetic atunci când sunt reprezentate în unități de lungimi de undă și aproximativ 44% care ajunge la sol este vizibilă. Un alt exemplu sunt becurile cu incandescență, care emit doar aproximativ 10% din energia lor ca lumină vizibilă, iar restul în infraroșu. O sursă de lumină termică

282 obișnuită sunt particulele solide strălucitoare din flăcări, dar acestea emit și cea mai mare parte a radiației lor în infraroșu și doar o fracțiune în spectrul vizibil. Vârful spectrului corpului negru este în infraroșu adânc, la o lungime de aproximativ 10 micrometri, pentru obiecte relativ reci, cum ar fi ființele umane. Pe măsură ce crește temperatura, vârful se deplasează la lungimi de undă mai scurte, producând mai întâi o strălucire roșie, apoi una albă și, în final, o culoare albastru-alb, pe măsură ce vârful se deplasează din partea vizibilă a spectrului și în ultraviolet. Aceste culori pot fi văzute atunci când metalul este încălzit la "roșu cald" sau "alb cald". Emisia termică alb-albastră nu este adesea observată, cu excepția stelelor (culoarea finală pur albastră într-o flacără de gaz sau o torță a sudorului este, de fapt, datorată emisiei moleculare, în special prin radicalii CH (care emit o bandă de lungime de undă în jurul valorii de 425 nm, și nu este văzută în stele sau radiații termice pure). Atomii emit și absorb lumina la energiile caracteristice. Aceasta produce "linii de emisie" în spectrul fiecărui atom. Emisiile pot fi spontane, ca în diode emițătoare de lumină, lămpi cu descărcare de gaze (cum ar fi lămpi cu neon și semne de circulație sau reclame cu neon, lămpi cu vapori de mercur etc.) și flăcări (lumina din gazul cald în sine - o flacără de gaze emite lumină galbenă caracteristică). Emisiile pot fi, de asemenea, stimulate, ca la un laser sau la un maser cu microunde. Decelerația unei particule încărcate libere, cum ar fi un electron, poate produce radiații vizibile: radiația ciclotronică, radiația sincrotronică și radiația brassstrahlung sunt toate exemple ale acestei situații. Particulele care se deplasează printr-un mediu mai rapid decât viteza luminii din acest mediu pot produce radiații vizibile Cherenkov. Anumite substanțe chimice produc radiații vizibile prin chemoluminescență. În ființele vii, acest proces se numește bioluminescență. De exemplu, licuricii produc lumină în acest fel, iar ambarcațiunile care se deplasează prin apă pot perturba planctonul care produce o strălucire. Anumite substanțe produc lumină atunci când sunt iluminate prin radiații mai energice, proces cunoscut sub numele de fluorescență. Unele substanțe emit lumină lentă după excitație prin radiații mai energice. Aceasta este cunoscută

283 sub numele de fosforescență. Materialele fosforescente pot fi, de asemenea, excitate prin bombardarea lor cu particule subatomice. Catodoluminescența este un exemplu. Acest mecanism este utilizat în televizoare cu tuburi catodice și monitoare de calculator. Anumite alte mecanisme pot produce lumină: Bioluminescența Radiația Cherenkov Electroluminescența Scintilația Sonoluminescența Triboluminescența Atunci când conceptul de lumină include fotoni de energie foarte mare (raze gamma), mecanismele de generare suplimentare includ: Anihilarea particulelor și antiparticulelor Dezintegrarea radioactivă Excitarea (Stări excitate)

284 (După absorbția energiei, un electron poate sări de la starea de bază la o stare excitată de energie mai mare.) În mecanica cuantică, o stare excitată a unui sistem (atom, moleculă sau nucleu) este orice stare cuantică a sistemului care are o energie mai mare decât starea de bază (adică mai multă energie decât minimul absolut). Excitația este o creștere a nivelului de energie deasupra unei stări de energie arbitrare. În fizică există o definiție tehnică specifică pentru nivelul de energie care este adesea asociat cu un atom ajuns într-o stare excitată. Temperatura unui grup de particule indică nivelul de excitație (cu excepția

285 notabilă a sistemelor care prezintă temperatură negativă). Durata de viață a unui sistem într-o stare excitată este, de obicei, scurtă: emisia spontană sau indusă a unei cuante de energie (cum ar fi un foton sau un fonon) apare de obicei la scurt timp după ce sistemul este promovat în starea excitată, aducând sistemul înapoi într-o stare cu o energie mai mică (o stare mai puțin excitată sau starea de bază). Această revenire la un nivel de energie mai scăzut este deseori descrisă ca dezintegrare și este inversul excitației. Stările excitate de lungă durată sunt deseori numite metastabile. Izomerii nucleari cu durată lungă de viață și oxigenul singlet sunt două astfel de exemple.

286 (Excitații ale orbitalilor din cupru 3d pe planul CuO2 al unui superconductor Tc înalt; starea de bază (albastră) este orbitalul x2-y2, orbitele excitate sunt în verde, săgețile ilustrează spectroscopia cu raze X inelastice) Un exemplu simplu al acestui concept vine prin considerarea atomului de hidrogen. Starea de bază a atomului de hidrogen corespunde faptului că are un electron unic al atomului în cea mai mică orbită posibila (adică, funcția de undă sferic simetrică "1s", care până acum a demonstrat că are cele mai mici numere cuantice posibile). Prin adăugarea unei energiei suplimentare atomului (de

287 exemplu, prin absorbția unui foton cu o energie adecvată), electronul se poate mișca într-o stare excitată (una cu unul sau mai mulți numere cuantice mai mari decât minimul posibil). Dacă fotonul are prea multă energie, electronul va înceta să fie legat de atom și atomul va deveni ionizat. După excitație, atomul se poate întoarce la starea de bază sau la o stare excitată mai scăzută, prin emiterea unui foton cu o energie caracteristică. Emisiile de fotoni de la atomi în diferite stări excitate conduc la un spectru electromagnetic care prezintă o serie de linii de emisie caracteristice (inclusiv, în cazul atomului de hidrogen, seria Lyman, Balmer, Paschen și Brackett). Un atom aflat într-o stare excitată se numește un atom Rydberg. Un sistem de atomi foarte excitați pot forma o stare excitată condensată de lungă durată, de ex. o fază condensată creată complet din atomi excitați: materia Rydberg. Hidrogenul poate fi, de asemenea, excitat de căldură sau electricitate. O colecție de molecule care formează un gaz poate fi considerată într-o stare excitată dacă una sau mai multe molecule sunt ridicate la nivele de energie cinetică astfel încât distribuția de viteză rezultată să se îndepărteze de distribuția Boltzmann în echilibru. Acest fenomen a fost studiat în cazul unui gaz bi-dimensional în detaliu, analizând timpul necesar pentru a se relaxa la echilibru. Stările excitate sunt adesea calculate folosind cluster cuplat, teoria perturbației Møller-Plesset, câmpul multi-configurațional auto-consecvent, interacțiunea de configurare și teoria funcțională a densității dependente de timp. Excitarea unui sistem (un atom sau moleculă) de la starea de excitare redusă la o stare excitată de energie înaltă, cu absorbția unui foton, se numește absorbție de stare excitată. Stimularea excitată a stării este posibilă numai atunci când un electron a fost deja excitat de la starea de bază la o stare excitată mai joasă. Absorbția stării excitate este, de obicei, un efect nedorit, dar poate fi util în pomparea de conversie ascendentă. Măsurătorile de absorbție a stării excitate se efectuează folosind tehnici specifice. Cu toate acestea, nu este ușor să se măsoare în comparație cu absorbția de la bază.

288 O altă consecință este reacția atomului în starea excitată, ca în fotochimie. Stările excitate generează reacții chimice. Spectrul de emisie al luminii (Spectrul de emisie al unei lămpi cu halogenuri metalice. Spectrul de emisie al unui element chimic sau compus chimic este spectrul frecvențelor radiației electromagnetice emise ca urmare a unui atom sau a unei molecule care face o tranziție de la o stare de energie înaltă la o stare de energie mai scăzută. Energia fotonică a fotonului emis este egală cu diferența energetică dintre cele două stări. Există multe tranziții electronice posibile pentru fiecare atom și fiecare tranziție are o diferență energetică specifică.

289 Această colecție de tranziții diferite, care conduc la diferite lungimi de undă radiate, formează un spectru de emisii. Spectrul de emisii al fiecărui element este unic. Prin urmare, spectroscopia poate fi utilizată pentru identificarea elementelor în materie în cazul compoziției necunoscute. În mod similar, spectrele de emisie ale moleculelor pot fi utilizate în analiza chimică a substanțelor. (O demonstrație a liniilor D de sodiu, D nm (stânga) și D nm (dreapta), cu ajutorul unui fitil cu apă sărată într-o flacără. Emisie În fizică, emisia este procesul prin care o stare mecanică cuantică de energie

290 mai mare a unei particule este convertită la o valoare mai mică prin emisia unui foton, rezultând producerea de lumină. Frecvența luminii emise este o funcție de energiei tranziției. Deoarece energia trebuie conservată, diferența energetică dintre cele două stări este egală cu energia transportată de foton. Starea energetică a tranzițiilor poate duce la emisii pe o gamă foarte largă de frecvențe. De exemplu, lumina vizibilă este emisă prin cuplarea stărilor electronice în atomi și molecule (atunci fenomenul se numește fluorescență sau fosforescență). Pe de altă parte, tranzițiile în învelișul nuclear pot emite raze gama de energie ridicată, în timp ce tranzițiile de spin nuclear emit unde radio de energie joasă. Emitanța unui obiect cuantifică cantitatea de lumină emisă de el. Aceasta poate fi legată de alte proprietăți ale obiectului prin legea lui Stefan- Boltzmann. Pentru majoritatea substanțelor, cantitatea de emisie variază în funcție de temperatură și de compoziția spectroscopică a obiectului, ceea ce duce la apariția temperaturii de culoare și a liniilor de emisie. Măsurătorile precise la numeroase lungimi de undă permit identificarea unei substanțe prin spectroscopie de emisie. Emisiile de radiații sunt descrise în mod tipic folosind mecanica cuantică semi-clasică: nivelele și distanțele energetice ale particulelor sunt determinate de mecanica cuantică și lumina este tratată ca un câmp electric oscilant care poate determina o tranziție dacă este în rezonanță cu frecvența naturală a sistemului. Problema mecanicii cuantice este tratată folosind teoria perturbării dependente de timp și conduce la rezultatul general cunoscut sub numele de regula de aur a lui Fermi. Descrierea a fost înlocuită de electrodinamica cuantică, deși versiunea semi-clasică continuă să fie mai utilă în majoritatea calculelor practice. Origini Atunci când electronii din atom sunt excitați, de exemplu prin încălzire, energia suplimentară împinge electronii la orbitale de energie mai mari. Când electronii cad înapoi și părăsesc starea excitată, energia este re-emisă sub forma unui foton. Lungimea de undă (sau echivalentul, frecvența) fotonului este determinată de diferența de energie dintre cele două stări. Aceste fotoni emiși formează spectrul elementului.

291 Faptul că numai anumite culori apar într-un spectru de emisie atomică a unui element înseamnă că numai anumite frecvențe de lumină sunt emise. Fiecare dintre aceste frecvențe este legată de energie prin formula: E foton = hν unde E foton este energia fotonului, ν este frecvența acestuia, iar h este constanta lui Planck. Aceasta concluzionează că doar fotoni cu energii specifice sunt emiși de atom. Principiul spectrului emisiilor atomice explică culorile variate din semnele neonului, precum și rezultatele testelor de flacără chimică. Frecvențele luminii pe care le poate emite un atom sunt dependente de stările în care electronii pot exista. Atunci când este excitat, un electron se deplasează la un nivel de energie mai mare sau orbital. Când electronul cade înapoi la nivelul de bază, lumina este emisă. (Spectrul emisiilor de hidrogen) Imaginea de mai sus prezintă spectrul emisiilor de lumină vizibilă pentru hidrogen. Dacă ar fi existat doar un singur atom de hidrogen, atunci o singură lungime de undă ar fi observată într-un anumit moment dat. Se observă mai multe posibile emisii, deoarece eșantionul conține mai mulți atomi de hidrogen care se află în diferite stări de energie inițiale și ajung la diferite stări de energie finală. Aceste combinații diferite conduc la emisii simultane la diferite lungimi de undă. (Spectrul emisiilor de fier)

292 Radiații din molecule Pe lângă tranzițiile electronice discutate mai sus, energia unei molecule se poate schimba și prin tranziții rotative, vibraționale și vibronice (combinate vibraționale și electronic). Aceste tranziții de energie duc adesea la grupuri strâns separate de multe linii spectrale diferite, cunoscute sub numele de benzi spectrale. Spectrele de bandă nerezolvate pot să apară ca un continuu spectral. Incandescența

293 (Scânteile metalului incandescent folosite pentru a aprinde acest arzător Bunsen emit lumină variind de la culoarea albă până la portocaliu în roșu sau albastru.

294 Această schimbare se corelează cu temperatura lor în timp ce se răcește în aer. Flacăra însăși nu este incandescentă, deoarece culoarea ei albastră provine din tranzițiile cuantificate care rezultă din oxidarea radicalilor CH. Incandescența este emiterea unei radiații electromagnetice (inclusiv a luminii vizibile) de un corp fierbinte ca urmare a temperaturii sale. Termenul derivă din verbul latin incandescere, a străluci alb. Incandescenta este un caz special de radiație termică. Incandescența se referă, în mod specific, la lumină vizibilă, în timp ce radiația termică se referă și la infraroșu sau la orice altă radiație electromagnetică. Observații și utilizare

295 (Culoarea vizibilă a unui obiect încălzit la incandescență (de la 550 C la 1300 C).

296 _1300_C).svg) În practică, aproape toate substanțele solide sau lichide încep să strălucească în jurul valorii de 798 K (525 C) (977 F), cu o culoare roșie blândă, chiar dacă are loc sau nu o reacție chimică care produce lumină ca rezultat al unui proces exoterm. Această limită este denumită punctul Draper. Incandescența nu scade sub această temperatură, dar este prea slabă în spectrul vizibil pentru a fi perceptibilă. La temperaturi mai înalte, substanța devine mai strălucitoare și culoarea se schimbă de la roșu spre alb și, în final, albastru. Incandescența este exploatată în becuri incandescente, în care un filament este încălzit la o temperatură la care o fracțiune de radiație se găsește în spectrul vizibil. Majoritatea radiațiilor, totuși, sunt emise în partea infraroșie a spectrului, ceea ce face ca lumina incandescentă să fie relativ ineficientă ca sursă de lumină. Dacă filamentul ar putea deveni mai fierbinte, eficiența ar crește; totuși, în prezent nu există materiale capabile să reziste la astfel de temperaturi care ar fi adecvate pentru utilizarea în lămpi. Sursele de lumină mai eficiente, cum ar fi lămpile fluorescente și LED-urile, nu funcționează prin incandescență. Lumina Soarelui este incandescența suprafeței "albe fierbinți" a Soarelui. Spectrul de absorbție (Spectroscopia de absorbție)

297 (Spectrul solar cu linii Fraunhofer așa cum apare vizual.) Spectrul de absorbție al unui material este fracțiunea de radiație incidentă absorbită de material într-o gamă de frecvențe. Spectrul de absorbție este determinat în primul rând de compoziția atomică și moleculară a materialului. Radiația este mai probabil să fie absorbită la frecvențe care se potrivesc cu diferența de energie dintre două stări mecanice cuantice ale moleculelor. Absorbția care apare ca urmare a unei tranziții între două stări este menționată ca o linie de absorbție și un spectru este de obicei compus din mai multe linii. Frecvențele în care se produc liniile de absorbție, precum și intensitățile lor relative, depind în principal de structura electronică și moleculară a eșantionului. Frecvențele vor depinde, de asemenea, de interacțiunile dintre moleculele din eșantion, de structura cristalului din solide și de mai mulți factori de mediu (de exemplu temperatura, presiunea, câmpul electromagnetic). Liniile vor avea de asemenea o lățime și o formă care sunt în primul rând determinate de densitatea spectrală sau densitatea stărilor sistemului. Teorie Liniile de absorbție sunt de obicei clasificate prin natura schimbării mecanice cuantice indusă în moleculă sau atom. Liniile rotaționale, de exemplu, apar când starea de rotație a unei molecule este schimbată. Liniile rotaționale se găsesc de obicei în regiunea spectrală cu microunde. Liniile vibraționale corespund schimbărilor în starea vibrațională a moleculei și se găsesc de obicei în regiunea infraroșie. Liniile electronice corespund unei schimbări în starea electronică a unui atom sau a unei molecule și se găsesc de obicei în regiunea vizibilă și ultravioletă. Absorbțiile cu raze X sunt asociate cu excitarea electronilor din interiorul cochiliei în atomi. Aceste schimbări pot fi, de asemenea, combinate (de exemplu tranziții de vibraționale-rotaționale), conducând la noi linii de absorbție la energia combinată a celor două schimbări. Energia asociată schimbării mecanice cuantice determină în principal frecvența liniei de absorbție, dar frecvența poate fi schimbată prin mai multe

298 tipuri de interacțiuni. Câmpurile electrice și magnetice pot provoca o schimbare. Interacțiunile cu moleculele vecine pot provoca schimbări. De exemplu, liniile de absorbție ale moleculei de fază gazoasă se pot schimba semnificativ atunci când molecula este într-o fază lichidă sau solidă și interacționează mai puternic cu moleculele învecinate. Lățimea și forma liniilor de absorbție sunt determinate de instrumentul utilizat pentru observare, de materialul care absoarbe radiația și de mediul fizic al materialului respectiv. Este comun ca liniile să aibă forma unei distribuții gaussiene sau lorentziene. Este, de asemenea, obișnuit ca o linie să fie descrisă numai prin intensitatea și lățimea sa, în loc de caracterizarea întregii forme. Intensitatea integrată - obținută prin integrarea zonei sub linia de absorbție - este proporțional cu cantitatea de substanță absorbantă prezentă. Intensitatea este, de asemenea, legată de temperatura substanței și de interacțiunea mecanică cuantică între radiație și absorbant. Această interacțiune este cuantificată de momentul de tranziție și depinde de starea inferioară particulară de la care începe tranziția și de starea superioară la care este conectată. Lățimea liniilor de absorbție poate fi determinată de spectrometrul utilizat pentru înregistrarea acestuia. Un spectrometru are o limită inerentă pentru cât de îngustă poate fi o linie pentru rezoluție și astfel lățimea observată poate fi la această limită. Dacă lățimea este mai mare decât limita de rezoluție, atunci este determinată în primul rând de mediul absorberului. Un absorbant lichid sau solid, în care moleculele vecine interacționează puternic unul cu celălalt, tinde să aibă linii de absorbție mai largi decât un gaz. Creșterea temperaturii sau a presiunii materialului absorbant va avea tendința de a crește lățimea liniei. Este, de asemenea, obișnuit ca mai multe tranziții învecinate să fie destul de apropiate una de cealaltă încât liniile lor se suprapun și linia globală rezultată este, prin urmare, mai largă.

299 (O imagine de ansamblu a absorbției radiației electromagnetice Acest exemplu descrie principiul general care folosește lumina vizibilă ca exemplu specific: O sursă de fascicol alb care emite lumină cu mai multe lungimi de undă este focalizată pe o probă (perechile de culori complementare sunt indicate de liniile galbene punctate). Atunci fotonii care se potrivesc cu decalajul energetic al moleculelor prezente (lumina verde in acest exemplu) sunt absorbite pentru a excita molecula. Alți fotoni transmit fără să fie afectați și, dacă radiația este în regiunea vizibilă ( nm), culoarea eșantionului este culoarea complementară a luminii absorbite. Prin compararea atenuării luminii transmise cu incidentul, se poate obține un spectru de absorbție. Relația cu spectrul de transmisie Spectrele de absorbție și transmisie reprezintă informații echivalente și se pot calcula una din cealaltă printr-o transformare matematică. Un spectru de transmisie va avea intensitățile maxime la lungimi de undă unde absorbția este mai slabă deoarece se transmite mai multă lumină prin eșantion. Un spectru de absorbție va avea intensitățile maxime la lungimi de undă unde absorbția este mai puternică. Relația cu spectrul de emisie

300 Emisia este un proces prin care o substanță eliberează energie sub forma unei radiații electromagnetice. Emisiile pot să apară la orice frecvență la care poate să apară absorbția și acest lucru permite ca liniile de absorbție să fie determinate dintr-un spectru de emisie. Spectrul de emisie va avea, de obicei, un model de intensitate diferit față de spectrul de absorbție, totuși, cele două nu sunt echivalente. Spectrul de absorbție poate fi calculat din spectrul de emisie utilizând modele teoretice adecvate și informații suplimentare despre stările mecanice cuantice ale substanței. Relația cu spectrul de dispersie și reflecție Spectrele de dispersie și reflexie ale unui material sunt influențate atât de indicele de refracție, cât și de spectrul său de absorbție. Într-un context optic, spectrul de absorbție este cuantificat în mod obișnuit prin coeficientul de extincție, iar coeficienții de extincție și index sunt legați cantitativ prin relația Kramers-Kronig. Prin urmare, spectrul de absorbție poate fi derivat dintr-un spectru de dispersie sau reflecție. Acest lucru necesită în mod obișnuit ipoteze sau modele simplificatoare, astfel încât spectrul de absorbție derivat este o aproximare. Spectroscopia de absorbție (Prima detectare directă și analiza chimică a atmosferei unei planete din afara sistemului nostru solar în Sodiul filtrează lumina stelei HD în timp ce planeta Jupiter trece prin față.) Spectroscopia de absorbție se referă la tehnicile spectroscopice care

301 măsoară absorbția radiației, în funcție de frecvență sau lungime de undă, datorită interacțiunii cu o probă. Eșantionul absoarbe energia, adică fotoni, din câmpul radiant. Intensitatea absorbției variază în funcție de frecvență, iar această variație este spectrul de absorbție. Spectroscopia de absorbție se realizează pe spectrul electromagnetic. Spectroscopia de absorbție este utilizată ca instrument de analiză chimică pentru a determina prezența unei substanțe particulare într-o probă și, în multe cazuri, pentru a cuantifica cantitatea de substanță prezentă. Spectroscopia cu spectru vizibil în infraroșu și ultraviolete este deosebit de comună în aplicațiile analitice. Spectroscopia de absorbție este folosită și în studiile de fizică moleculară și atomică, spectroscopie astronomică și teledetecție. Există o gamă largă de abordări experimentale pentru măsurarea spectrelor de absorbție. Cel mai comun aranjament este de a direcționa un fascicul generat de radiație la o probă și de a detecta intensitatea radiației care trece prin el. Energia transmisă poate fi utilizată pentru a calcula absorbția. Sursa, aranjarea eșantionului și tehnica de detectare variază semnificativ în funcție de domeniul de frecvență și de scopul experimentului. Fluorescența

302 (Mineralele fluorescente emit lumină vizibilă atunci când sunt expuse la lumina ultravioletă. Fluorescența este emisia de lumină de către o substanță care a absorbit lumină sau altă radiație electromagnetică. Este o formă de luminescență. În majoritatea cazurilor, lumina emisă are o lungime de undă mai lungă și, prin urmare, o energie mai mică decât radiația absorbită. Cel mai frapant exemplu de fluorescență apare atunci când radiația absorbită este în regiunea ultravioletă a spectrului și astfel invizibilă pentru ochiul uman, în timp ce lumina emisă este în regiunea vizibilă, ceea ce conferă substanței fluorescente o culoare distinctă care poate fi văzută numai când este expus la lumina UV. Materialele fluorescente încetează să lumineze aproape imediat când sursa de radiație se oprește, spre deosebire de materialele fosforescente, care continuă să emită lumină pentru o perioadă ulterioară.

303 Fluorescența are multe aplicații practice, cum ar fi mineralogia, gemologia, medicina, senzorii chimici (spectroscopia fluorescentă), etichetarea fluorescentă, coloranții, detectoarele biologice, detecția razelor cosmice și, cel mai adesea, lămpile fluorescente. Fluorescența apare frecvent în natură în unele minerale și în diferite stări biologice din multe ramuri ale regnului animal. Principii fizice Fotochimie Fluorescența apare atunci când un electron orbital al unei molecule, atom sau nanostructură se relaxează la starea de bază prin emiterea unui foton dintr-o stare de excitare singlet: Excitație: S 0 + hν ex S 1 Fluorescență (emisie): S 1 S 0 + hν em + căldura Aici hv este un termen generic pentru energia fotonică cu h = constantă Planck și ν = frecvența luminii. Frecvențele specifice ale luminii incitante și emise depind de sistemul particular. S 0 se numește starea de bază a fluoroforului (moleculă fluorescentă), iar S 1 este prima stare de excitare singlet excitată (electronică). O moleculă în S 1 se poate relaxa prin diverse căi concurente. Aceasta poate suferi o relaxare non-radiativă în care energia de excitație este disipată sub formă de căldură (vibrații) a solventului. Moleculele organice excitate se pot relaxa, de asemenea, prin conversie într-o stare triplă, care se poate relaxa ulterior prin fosforescență sau printr-o etapă de relaxare secundară nonradiativă. Relaxarea din S 1 poate apărea și prin interacțiunea cu o a doua moleculă prin stingerea fluorescenței. Oxigenul molecular (O 2 ) stopează extrem de eficient fluorescența doar datorită stării sale triplete neobișnuite.

304 În majoritatea cazurilor, lumina emisă are o lungime de undă mai lungă și, prin urmare, o energie mai mică decât radiația absorbită; acest fenomen este cunoscut sub numele de deplasarea Stokes. Cu toate acestea, atunci când radiația electromagnetică absorbită este intensă, este posibil ca un electron să absoarbă doi fotoni; această absorbție cu două fotoni poate duce la emisia de radiații având o lungime de undă mai mică decât radiația absorbită. Radiația emisă poate fi, de asemenea, de aceeași lungime de undă ca radiația absorbită, numită "fluorescență de rezonanță". Moleculele care sunt excitate prin absorbția luminii sau printr-un proces diferit (de exemplu, ca produs al unei reacții) pot transfera energia către o a doua moleculă "sensibilizată", care este transformată în starea excitată și poate să devină fluorescentă.

305 (Organisme marine fluorescente. Evolution-of-Eel-Fluorescent-Proteins-from-Fatty-Acid-Binding-Proteins- Produces-Bright-pone g001.jpg) Randament cuantic Randamentul cuantic de fluorescență asigură eficiența procesului de fluorescență. Acesta este definit ca raportul dintre numărul de fotoni emiși și numărul de fotoni absorbiți. Φ = Numărul de fotoni emiși / Numărul de fotoni absorbiți Randamentul maxim al fluorescenței cuantice este 1,0 (100%); fiecare foton absorbit are ca rezultat un foton emis. Compușii cu randament cuantic de 0,10 sunt încă considerați destul de fluorescenți. Un alt mod de a defini randamentul cuantic al fluorescenței este prin rata dezintegrării stărilor excitate: Φ = k f /Σ i k i unde k f este constanta ratei emisiei spontane de radiație și Σ i k i este suma tuturor ratelor de dezintegrare a stărilor excitate. Alte rate ale dezintegrării stărilor excitate sunt cauzate de alte mecanisme decât emisiile de fotoni și, prin urmare, se numesc adesea "rate non-radiative", care pot include: reacția de stopare dinamică de coliziune, interacțiunea dipol-dipol aproape de câmp (sau transferul de energie prin rezonanță), conversia internă, și traversarea intersistemului. Astfel, dacă rata oricărei căi se schimbă, atât durata de viață excitată cât și randamentul cuantic de fluorescență vor fi afectate. Randamentele cuantice de fluorescență sunt măsurate prin comparație cu un standard. Sulfatul de chinină din sarea chinină într-o soluție de acid sulfuric este un standard comun pentru fluorescență. Durata de viață Durata de viață a fluorescenței se referă la timpul mediu în care molecula rămâne în starea excitată înainte de a emite un foton. Fluorescența urmează în

306 mod obișnuit cinetica de ordinul întâi: [S 1 ] = [S 1 ] 0 e -Γt unde [S 1 ] este concentrația moleculelor de stare excitate la momentul t, [S 1 ] 0 este concentrația inițială, și Γ este rata de dezintegrare sau inversul duratei de viață a fluorescenței. Acesta este un exemplu de dezintegrare exponențială. Diferitele procese radiative și non-radiative pot depopula starea excitată. În acest caz, rata totală de dezintegrare este suma tuturor ratelor: Γ tot = Γ rad + Γ nrad unde Γ tot este rata totală de dezintegrare, Γ rad este rata de dezintegrare radiativă și Γ nrad rata de decădere non-radiativă. Este similară unei reacții chimice de ordinul întâi în care constanta ratei de ordinul întâi este suma tuturor ratelor (un model cinetic paralel). Dacă rata emisiei spontane sau oricare alte rate sunt rapide, durata de viață este scurtă. Pentru compușii fluorescenți utilizați în mod obișnuit, timpii de dezintegrare tipici ai stărilor excitate pentru emisiile de fotoni cu energii de la UV până la infraroșu apropiat sunt în domeniul de la 0,5 la 20 nanosecunde. Durata de viață a fluorescenței este un parametru important pentru aplicațiile practice ale fluorescentei, cum ar fi transferul de energie prin rezonanță fluorescentă și microscopia de imagistică prin fluorescență. Diagrama Jablonski

307 (Diagrama Jablonski. După ce un electron absoarbe un foton de energie înaltă, sistemul este excitat electronic și vibrațional. Sistemul se relaxează

308 vibrațional și, în cele din urmă, emite fluorescent la o lungime de undă mai mare.) Diagrama Jablonski descrie majoritatea mecanismelor de relaxare pentru moleculele de stare excitată. Diagrama arată modul în care se produce fluorescența datorită relaxării anumitor electroni excitați ai unei molecule. Anizotropia fluorescenței Fluoroforele sunt mai susceptibile de a fi excitate de fotoni dacă momentul de tranziție al fluoroforului este paralel cu vectorul electric al fotonului. Polarizarea luminii emise va depinde și de momentul de tranziție. Momentul de tranziție depinde de orientarea fizică a moleculei fluorofor. Pentru fluorofori în soluție, aceasta înseamnă că intensitatea și polarizarea luminii emise depind de difuzia rotativă. Prin urmare, măsurătorile anizotropiei pot fi utilizate pentru a investiga cât de liber se mișcă o moleculă fluorescentă întrun anumit mediu. Anizotropia fluorescenței poate fi definită cantitativ ca r = (I - I )/(I + 2I ) unde I este intensitatea emisă paralelă cu polarizarea luminii de excitație și I este intensitatea emisă perpendiculară pe polarizarea luminii excitației. Fluorența Pigmenții puternic fluorescenți au adesea un aspect neobișnuit, care este deseori descris în mod colocvial ca o "culoare a neonului". Acest fenomen a fost numit "Farbenglut" de Hermann von Helmholtz și "fluorență" de Ralph M. Evans. Se consideră, în general, că este legată de luminozitatea ridicată a culorii relativ la ceea ce ar fi ca o componentă de culoare albă. Fluorescența schimbă energia din iluminarea incidentă de la lungimi de undă mai scurte la mai lungi (cum ar fi de la albastru la galben) și astfel poate face culoarea fluorescentă să apară mai luminoasă (mai saturată) decât ar putea fi doar prin reflexie.

309 Reguli (Willemite și calcit în lumină UV. Există câteva reguli generale care se referă la fluorescență. Fiecare dintre următoarele reguli are excepții, dar acestea sunt instrucțiuni utile pentru înțelegerea fluorescenței (aceste reguli nu se aplică neapărat la absorbția a doi fotoni). Regula lui Kasha Regula lui Kasha afirmă că randamentul cuantic al luminescenței este independent de lungimea de undă a radiației excitante. Aceasta se întâmplă deoarece moleculele excitate se descompun de obicei la cel mai mic nivel vibrațional al stării excitate înainte de emiterea fluorescenței. Regula Kasha- Vavilov nu se aplică întotdeauna și este încălcată grav în multe molecule simple. O afirmație oarecum mai fiabilă, deși tot cu excepții, ar fi că spectrul de fluorescență arată o dependență foarte mică de lungimea de undă a radiației incitante. Regula imaginii în oglindă Pentru multe fluorofori, spectrul de absorbție este o imagine în oglindă a spectrului de emisie. Aceasta este cunoscută sub denumirea de regula

310 imaginii în oglindă și este legată de principiul Franck-Condon care afirmă că tranzițiile electronice sunt verticale, adică energia se modifică fără schimbarea distanței, putând fi reprezentată cu o linie verticală în diagrama Jablonski. Aceasta înseamnă că nucleul nu se mișcă, iar nivelurile de vibrații ale stării excitate se aseamănă cu nivelurile de vibrație ale stării de bază. Deplasarea Stokes În general, lumina fluorescentă emisă are o lungime de undă mai mare și o energie mai mică decât lumina absorbită. Acest fenomen, cunoscut sub numele de deplasarea Stokes, se datorează pierderii de energie între momentul în care un foton este absorbit și când este emis un altul. Cauzele și amploarea deplasării Stokes pot fi complexe și depind de fluorofor și de mediul său. Cu toate acestea, există câteva cauze comune. Aceasta se datorează adesea dezintegrării non-radiative până la nivelul cel mai scăzut al energiei vibrationale a stării excitate. Un alt factor este faptul că emisia de fluorescență lasă frecvent un fluorofor la un nivel de vibrație mai ridicat al stării de bază. Lămpi fluorescente

311 (Lampă fluorescentă. O lampă fluorescentă sau un tub fluorescent este o lampă cu descărcare în gaz cu vapori de mercur de joasă presiune care utilizează fluorescența pentru a produce lumină vizibilă. Un curent electric în gaze excită vaporii de mercur, care produc lumină ultravioletă de scurtă durată, care apoi provoacă o strălucire a fosforului pe interiorul lămpii. O lampă fluorescentă transformă energia electrică în lumină utilă mult mai eficient decât lămpile cu incandescență. Eficiența tipică a luminozității a sistemelor de iluminat fluorescente este de lumeni pe watt, de câteva ori eficacitatea becurilor cu incandescență, cu luminozități comparabile. Dispozitivele cu lămpi fluorescente sunt mai costisitoare decât lămpile

312 incandescente deoarece necesită un balast pentru a regla curentul prin lampă, dar costul scăzut al energiei compensează costul inițial mai ridicat. Lămpile fluorescente compacte sunt acum disponibile în aceleași mărimi populare precum cele incandescente și sunt folosite ca alternativă de economisire a energiei în locuințe. Deoarece conțin mercur, multe lămpi fluorescente sunt clasificate ca deșeuri periculoase. Se recomandă ca lămpile fluorescente să fie separate de deșeurile generale pentru reciclare sau eliminarea în siguranță, iar unele jurisdicții necesită reciclarea lor.

313 (Partea de sus: două lămpi fluorescente compacte, partea inferioară: două lămpi fluorescente. Un indicator este afișat pentru compararea dimensiunilor. Principiile de funcționare Mijloacele fundamentale de conversie a energiei electrice în energie radiantă într-o lampă fluorescentă se bazează pe împrăștierea inelastică a electronilor atunci când un electron incident se ciocnește cu un atom din gazul de mercur. Dacă electronul liber (incident) are suficientă energie cinetică, el transferă energia către electronul exterior al atomului, determinând electronul să sară temporar până la un nivel de energie mai ridicat. Coliziunea este "inelastică" deoarece are loc o pierdere a energiei cinetice. Această stare de energie mai ridicată este instabilă, iar atomul va emite un foton ultraviolet, pe măsură ce electronul atomului revine la un nivel de energie mai scăzut și mai stabil. Majoritatea fotonilor eliberați de atomii de mercur au lungimi de undă în regiunea ultravioletă (UV) a spectrului, predominant la lungimi de undă de 253,7 și 185 nanometri (nm). Acestea nu sunt vizibile ochiului uman, deci trebuie transformate în lumină vizibilă. Acest lucru se face prin utilizarea fluorescenței. Fotonii ultraviolet sunt absorbiți de electroni în atomii de înveliș fluorescent interior al lămpii, provocând un salt similar energetic, apoi cad pe un nivel inferior, cu emisia unui foton suplimentar. Fotonul care este emis de această a doua interacțiune are o energie mai mică decât cea care a cauzat-o. Acești fotoni emiși sunt la lungimi de undă vizibile ochiului uman. Diferența de energie dintre fotonul ultraviolet absorbit și fotonul luminii vizibile emis duce la încălzirea stratului de fosfor. Atunci când lumina este pornită, energia electrică încălzește suficient catodul pentru a emite electroni (emisie termică). Acești electroni se ciocnesc cu și ionizează atomii de gaz nobil în interiorul bulbului care înconjoară filamentul pentru a forma o plasmă prin procesul de ionizare a impactului. Ca urmare a ionizării avalanșei, conductivitatea gazului ionizat se ridică rapid, permițând curenților mai mari să curgă prin lampă.

314 Gazul de umplere ajută la determinarea caracteristicilor electrice de funcționare ale lămpii, dar nu eliberează lumina în sine. Gazul de umplere mărește în mod eficient distanța pe care electronii se deplasează prin tub, ceea ce permite unui electron o mai mare probabilitate de a interacționa cu un atom de mercur. Atomii de argon, excitați la o stare metastabilă prin impactul unui electron, pot conferi această energie unui atom neutru de mercur și îl pot ioniza, fenomen descris ca efectul Penning. Acest lucru are avantajul de a reduce tensiunea de funcționare a lămpii, în comparație cu alte gaze de umplere posibile, cum ar fi kriptonul. Construcție

315 (Apropierea catozilor unei lămpi germicide (un design esențial similar, care nu utilizează fosfor fluorescent, permițând ca electrozii să fie văzuți)

316 Un tub de lampă fluorescentă este umplut cu un gaz care conține vapori de mercur sub presiune și argon, xenon, neon sau kripton. Presiunea din interiorul lămpii este în jur de 0,3% din presiunea atmosferică. Suprafața interioară a lămpii este acoperită cu un strat fluorescent (și adesea puțin fosforescent) realizat din diferite amestecuri de săruri fosforice metalice și pământuri rare. Electrozii lămpii sunt în mod obișnuit realizați din tungsten înfășurat și denumiți de obicei catozi din cauza funcției lor principale de a emite electroni. Pentru aceasta, ei sunt acoperiți cu un amestec de oxizi de bariu, stronțiu și calciu aleși pentru a avea o temperatură de emisie termionică scăzută.

317 (O lampă germicidă utilizează o descărcare de tensiune scăzută a vaporilor de mercur, identică cu cea a unei lămpi fluorescente, dar învelișul de cuarț topit neacoperit

318 permite apariția radiației ultraviolete. Tuburile cu lămpi fluorescente sunt în mod obișnuit drepte și au o lungime de la aproximativ 100 de milimetri la lămpile miniatură, până la 2.43 metri pentru lămpi de înaltă performanță. Unele lămpi au tubul îndoit într-un cerc, folosit pentru lămpi de masă sau în alte locuri unde este dorită o sursă de lumină mai compactă. Lămpile în formă de U mai mari sunt utilizate pentru a furniza aceeași cantitate de lumină într-o zonă mai compactă și sunt folosite în scopuri arhitecturale speciale. Lămpile fluorescente compacte au mai multe tuburi cu diametru mic îmbinate într-un pachet de două, patru sau șase sau un tub cu diametru mic înfășurat într-o spirală, pentru a furniza o cantitate mare de luminozitate în volum mic. Fosforul cu emisie de lumină este aplicat ca o vopsea asemănătoare vopselei în interiorul tubului. Solvenții organici sunt lăsați să se evapore, apoi tubul este încălzit până aproape de punctul de topire al sticlei pentru a îndepărta compușii organici rămași și a fuziona acoperirea cu tubul lămpii. Este necesară controlul atent al mărimii granulelor de fosfor suspendate; granulele mari, de 35 micrometri sau mai mari, duc la acoperirea slabă a granulelor, în timp ce prea multe particule mici, de 1 sau 2 micrometri sau mai mici, conduc la o întreținere și o eficiență scăzută a luminii. Majoritatea produselor pe bază de fosfor funcționează cel mai bine cu o dimensiune a particulelor de aproximativ 10 micrometri. Acoperirea trebuie să fie suficient de groasă pentru a capta toată lumina ultravioletă produsă de arcul de mercur, dar nu atât de groasă încât acoperirea cu fosfor să absoarbă prea multă lumină vizibilă. Primele produse pe bază de fosfor erau versiuni sintetice ale mineralelor fluorescente apărute în mod natural, cu cantități mici de metale adăugate ca activatori. Mai târziu, au fost descoperiți alți compuși, permițând realizarea unor culori diferite ale lămpilor. Aspecte electrice ale funcționării

319 (Balasturi diferite pentru lămpi fluorescente și cu descărcare. Lămpile fluorescente sunt dispozitive cu rezistență diferențială negativă, astfel încât, cu cât se scurge mai mult curent prin ele, rezistența electrică a lămpii fluorescente scade, permițând curgerea unui curent mai mare. Conectat direct la o sursă de alimentare cu tensiune constantă, o lampă fluorescentă s-ar auto-distruge rapid datorită fluxului necontrolat de curent. Pentru a preveni acest lucru, lămpile fluorescente trebuie să utilizeze un dispozitiv auxiliar, un balast, pentru a regla curgerea curentului prin lampă. Tensiunea terminală pe o lampă funcțională variază în funcție de curentul

320 arcului, diametrul tubului, temperatura și gazul de umplere. O parte fixă a căderii de tensiune se datorează electrozilor. Un serviciu general de iluminare, cu lampa T12 de 48 inci (1.219 mm) funcționează la 430 ma, cu o cădere de tensiune de 100 de volți. Lămpile performante funcționează la 800 ma, iar unele tipuri funcționează până la 1,5 A. Nivelul de putere variază de la 33 la 82 de wați pe metru de lungime a tubului (10-25 W/ft) pentru lămpile T12. Cel mai simplu balast pentru utilizarea în curent alternativ este un inductor plasat în serie, constând dintr-o înfășurare pe un miez magnetic laminat. Inducția acestei înfășurări limitează curentul alternativ. Acest tip este încă folosit, de exemplu, în lămpi de birou de 120 volți, care utilizează lămpi relativ scurte. Balasturile sunt evaluate în funcție de mărimea lămpii și a frecvenței de putere. În cazul în care tensiunea de curent alternativ este insuficientă pentru pornirea lămpilor fluorescente lungi, balastul este adesea un autotransformator în trepte, cu o inductanță substanțială de scurgere (astfel încât să se limiteze debitul curentului). Orice formă de balast inductiv poate include de asemenea un condensator pentru corecția factorului de putere.

321 (Balast 230 V pentru W) Multe circuite diferite au fost utilizate pentru a opera lămpi fluorescente. Alegerea circuitului se bazează pe tensiunea de curent alternativ, lungimea tubului, costul inițial, costul pe termen lung, pornirea instantanee față de cea non-instantanee, intervalele de temperatură și disponibilitatea pieselor, etc. Lămpile fluorescente pot funcționa direct de la o sursă de curent continuu cu o tensiune suficientă pentru a declanșa un arc. Balastul trebuie să fie rezistiv și să consume aproximativ aceeași putere ca lampa. Când este acționat de la CC, comutatorul de pornire este adesea aranjat pentru a inversa polaritatea

322 alimentării la lampă de fiecare dată când este pornit; în caz contrar, mercurul se acumulează la un capăt al tubului. Lămpile fluorescente nu sunt (aproape) niciodată operate direct de la CC din aceste motive. În schimb, un invertor convertește CC în CA și oferă funcția de limitare a curentului pentru balasturile electronice. Efectul temperaturii

323 (Imaginea termică a unei lămpi fluorescente elicoidale.) Puterea luminii și performanțele lămpilor fluorescente sunt influențate critic de temperatura peretelui becului și de efectul său asupra presiunii parțiale a vaporilor de mercur din interiorul lămpii. Fiecare lampă conține o cantitate mică de mercur, care trebuie să se vaporizeze pentru a susține curentul lămpii și pentru a genera lumină. La temperaturi scăzute, mercurul este sub formă de picături lichide dispersate. Pe măsură ce lămpile se încălzesc, mai mult

324 mercur ajunge în formă de vapori. La temperaturi mai ridicate, auto-absorbția în vapori reduce randamentul de lumină UV și vizibilă. Deoarece mercurul se condensează la locul cel mai rece al lămpii, este necesară o proiectare atentă pentru a menține acel punct la temperatura optimă, în jur de 40 C. Folosirea unui amalgam cu alte metale reduce presiunea de vapori și extinde domeniul optim de temperatură în sus; cu toate acestea, temperatura "zonei reci" a peretelui becului trebuie să fie în continuare controlată pentru a preveni migrarea mercurului din amalgam și condensarea pe zona rece. Lămpile fluorescente destinate producției mai mari vor avea caracteristici structurale, cum ar fi un tub deformat sau radiator intern, pentru a controla temperatura la rece și distribuția mercurului. Lămpile mici cu încărcătură foarte mare, cum ar fi lămpile fluorescente compacte, includ, de asemenea, zone de disipare a căldurii în tub pentru a menține presiunea vaporilor de mercur la valoarea optimă. Fosforul și spectrul luminii emise

325 (Lumina de la o lampă fluorescentă reflectată de un CD arată benzile individuale de culoare.) Spectrul de lumină emis de o lampă fluorescentă este combinația de lumină direct emisă de vaporii de mercur și lumina emisă de stratul fosforescent. Liniile spectrale din emisia de mercur și efectul fosforescenței dau o distribuție spectrală combinată a luminii care este diferită de cea produsă de sursele incandescente. Intensitatea relativă a luminii emise în fiecare bandă îngustă de lungimi de undă peste spectrul vizibil este în proporții diferite față de cea a unei surse incandescente. Obiectele colorate sunt percepute diferit în cadrul surselor de lumină cu distribuții spectrale diferite. De exemplu, unii oameni consideră culoarea rezultată produsă de unele lămpi fluorescente ca fiind dură și neplăcută. O persoană sănătoasă poate uneori să pară că are un aspect nesănătos al pielii sub iluminare fluorescentă. Măsura în care are loc acest fenomen este legată de compoziția spectrală a luminii și poate fi

326 măsurată prin indicele de redare a culorii (CRI). Fosforescența

327 (Figurină pasăre fosforescentă)

328 Fosforescența este un tip de fotoluminescență legată de fluorescență. Spre deosebire de fluorescență, un material fosforescent nu emite imediat radiația pe care o absoarbe. Vitezele reduse de timpi ai re-emisiei sunt asociate cu tranziții de energie "interzise" în mecanica cuantică. Deoarece aceste tranziții apar foarte lent în anumite materiale, radiația absorbită este re-emisă la o intensitate mai mică până la câteva ore după excitația inițială. Exemplele zilnice de materiale fosforescente sunt jucăriile, autocolantele, vopselele și butoanele de ceas care strălucesc după ce au fost încărcate cu o lumină strălucitoare, precum o citire normală sau lumină în încăpere. De obicei, strălucirea se estompează încet, uneori în câteva minute sau până la câteva ore, într-o cameră întunecată. Studiul materialelor fosforescente a condus la descoperirea radioactivității în Explicaţii

329 (Diagrama Jablonski a unei scheme de energie folosită pentru a explica diferența dintre fluorescență și fosforescență. Excitarea moleculei A la starea excitată de singlet ( 1 A*) este urmată de traversarea inter-sistem la starea triplet ( 3 A) care se relaxează la starea de bază prin fosforescenţă. În termeni simpli, fosforescența este un proces în care energia absorbită de o substanță este eliberată relativ încet sub formă de lumină. Acest lucru este, în unele cazuri, mecanismul utilizat pentru materialele "strălucitoare în întuneric" care sunt "încărcate" prin expunerea la lumină. Spre deosebire de

330 reacțiile relativ rapide în fluorescență, cum ar fi cele observate într-un tub fluorescent comun, materialele de stocare "fosforescente" absorb energie pentru o perioadă mai lungă de timp, deoarece procesele necesare pentru reemiterea energiei apar mai rar. Mecanica cuantică (După ce un electron absoarbe un foton de energie înaltă, el poate suferi relaxări vibraționale și traversare inter-sistem într-o altă stare de spin. Din nou sistemul se relaxează vibrațional în noua stare de spin și în cele din urmă emite lumină prin fosforescență. Cele mai multe evenimente fotoluminescente, în care un substrat chimic absoarbe și apoi emite un foton de lumină, sunt rapide, de ordinul a 10

331 nanosecunde. Lumina este absorbită și emisă la aceste scări de timp rapide în cazurile în care energia fotonilor implicați se potrivește cu stările de energie disponibile și permite tranzițiile substratului. În cazul special al fosforescenței, electronul care a absorbit fotonul (energia) suferă o traversare inter-sistem neobișnuită într-o stare de energie cu o multiplicitate de spin mai mare, de obicei o stare triplă. Ca rezultat, electronul excitat poate ajunge să fie prins în starea triplet cu doar tranziții "interzise" disponibile pentru a reveni la starea de energie singlet inferioară. Aceste tranziții, deși "interzise", vor apărea în continuare în mecanica cuantică, dar sunt nefavorabile cinetic și, prin urmare, progresează la scări de timp mult mai lent. Majoritatea compușilor fosforescenți sunt încă emițători relativ rapizi, cu o durată de viață triplă de ordinul milisecundelor. Cu toate acestea, unii compuși au o durată de viață triplă de până la minute sau chiar ore, permițând acestor substanțe să stocheze eficient energia luminoasă sub forma unor stări de electroni excitate foarte lent. Dacă randamentul cuantic al fosforescenței este ridicat, aceste substanțe vor elibera cantități semnificative de lumină pe scări lungi de timp, creând materiale așa-numite "strălucitoare în întuneric". Ecuaţia S 0 + h S 1 T 1 S 0 + h ν' unde S este un singlet și T un triplet ale cărui subscripturi denotă stări (0 este starea de bază și 1 starea excitată). Tranzițiile pot apărea, de asemenea, la niveluri de energie mai mari, dar prima stare excitată este indicată pentru simplitate. Chimiluminescență Câteva exemple de materiale strălucitoare în întuneric nu strălucesc prin fosforescență. De exemplu, bastoanele strălucesc datorită procesului chimiluminescent care este în mod obișnuit confundat cu fosforescența. În chimiluminescență, o stare excitată este creată printr-o reacție chimică. Emisia de lumină urmărește evoluția cinetică a reacției chimice subiacente. Starea excitată va fi apoi transferată la o moleculă de colorant, cunoscută și ca un sensibilizator sau fluorofor, și apoi va reveni prin fluorescență înapoi la starea de bază.

332 Materiale Pigmenții obișnuiți utilizați în materialele fosforescente includ sulfura de zinc și aluminatul de stronțiu. Utilizarea sulfurii de zinc pentru produsele de siguranță datează din anii Cu toate acestea, dezvoltarea aluminatului de stronțiu, cu o luminanță de aproximativ 10 ori mai mare decât sulfura de zinc, a retrogradat cele mai multe produse pe bază de sulfură de zinc la categoria de noutate. Stratul pigmentat pe bază de aluminat de stronțiu este utilizat acum în semnele de ieșire, în marcarea căii și în alte semne de circulație legate de siguranță. LED

333 (LED-uri albastru, verde și roșu în carcasă difuză de 5 mm. Principiul de funcționare: electroluminescență Inventat de: Oleg Losev (1927), James R. Biard (1961), Nick Holonyak (1962) Data primelor aplicații: octombrie 1962 Configurare pini: anod și catod Simbolul electronic: O diodă emițătoare de lumină (Light-Emitting Diode - LED) este o sursă de lumină cu semiconductori. Este o diodă cu joncțiune p-n, care emite lumină

334 atunci când este activată. Atunci când este aplicată o tensiune adecvată, electronii sunt capabili să se recombine cu găurile de electroni în interiorul dispozitivului, eliberând energie sub forma de fotoni. Acest efect se numește electroluminescență, iar culoarea luminii (care corespunde cu energia fotonilor) este determinată de energia benzii interzise a semiconductorului. Un LED are adesea o suprafață mică (mai puțin de 1 mm 2 ) și componente optice integrate care pot fi utilizate pentru a modela spectrul de radiații. La intrarea pe piața comercială în 1962, cele mai vechi LED-uri emiteau lumină în infraroșu de mică intensitate. LED-urile în infraroșu sunt încă în mod frecvent utilizate ca elemente de transmisie în circuitele de control de la distanță, precum cele pentru o gamă largă de produse electronice de larg consum. Primele LED-uri în lumină vizibile au fost, de asemenea, de mică intensitate și limitate la culoarea roșie. LED-urile moderne sunt disponibile în lumina vizibilă, ultraviolet, și infraroșu, cu o luminozitate foarte mare. LED-urile timpurii au fost deseori folosite ca lămpi indicatoare pentru dispozitive electronice, înlocuind becurile mici cu incandescență. Ele au fost curând folosite în cititoarele numerice în formă de afișaje cu șapte segmente, fiind frecvent utilizate în ceasurile digitale. Evoluțiile recente ale LED-urilor permit ca acestea să fie utilizate în iluminatul ambiental și pentru a crește vizibilitatea. LED-urile au multe avantaje față de sursele de lumină cu incandescență, inclusiv un consum mai redus de energie, durata de viață mai lungă, robustețe fizică îmbunătățită, dimensiuni mai mici, și comutare mai rapidă. Diodele emițătoare de lumină sunt acum utilizate în aplicații diverse, precum iluminatul în aviație, faruri auto, publicitate, iluminatul general, semnalizarea de trafic, flash-urile aparatelor de fotografiat și iluminarea fațadelor. Deși LED-urile suficient de puternice pentru iluminatul camerei rămân ceva mai scumpe și necesită o mai precisă gestionare a curentului și căldurii, sunt în mod semnificativ mai eficiente energetic și, fără îndoială, există mai puține preocupări legate de mediu în cazul lor. Guvernele unor țări promovează utilizarea iluminatului pe bază de LED-uri, iar în unele cazuri furnizează soluții de iluminat public pe bază de LED la prețuri subvenționate. LED-urile au permis dezvoltarea de noi sisteme de afișare și senzori, în timp

335 ce ratele ridicate de comutare permit utilizarea lor în tehnologia de comunicații avansate. Istorie (Electroluminescență verde dintr-un punct de contact pe un cristal de SiC recreându-se experimentului original al lui Round din 1907, Electroluminescența ca fenomen a fost descoperită în 1907 de către experimentatorul britanic H. J. Runda de la Marconi Labs, folosind un cristal de carbură de siliciu și un detector cu cristal. Inventatorul sovietic Oleg Losev a raportat crearea primul LED în Cercetările sale au fost distribuit în reviste științifice ruse, germane și britanice, dar multe decenii nu

336 a existat nicio utilizare practică. Kurt Lehovec, Carl Accardo și Edward Jamgochian au experimentat aceste prime diode emițătoare de lumină în 1951, folosind un aparat care utilizează cristale SiC cu o sursă de curent de generator de la o baterie sau generator de impulsuri, comparându-le cu o variantă de cristal pur în Rubin Braunstein de la Radio Corporation of America a raportat emisia în infraroșu cu ajutorul arseniurii de galiu (GaAs) și a altor aliaje din materiale semiconductoare în Braunstein a observat emisia în infraroșu generată de structuri de diode simple folosind antimoniură de galiu (GASB), GaAs, fosfură de indiu (InP) și aliaj siliciu-germaniu (SiGe), la temperatura camerei și la 77 grade Kelvin. În 1957, Braunstein a demonstrat apoi că dispozitivele rudimentare ar putea fi folosite pentru comunicarea non-radio pe o distanță scurtă. După cum s-a menționat de către Kroemer Braunstein, ".. a înființat o legătură simplă de comunicații optice: Muzica rezultată de la un sistem de redare a fost utilizată cu ajutorul electronicii adecvate pentru a modula curentul direct al unei diode GaAs. Lumina emisă a fost detectată de către o diodă PbS aflată la o oarecare distanță. Acest semnal a fost transmis într-un amplificator audio, și redat printr-un difuzor. Obturarea fasciculul oprea muzica. Ne-am distrat mult jucându-ne cu această configurare. " Această configurare a prevestit utilizarea LED-urilor pentru aplicații de comunicații optice. În septembrie 1961, în timp ce lucrau la Texas Instruments din Dallas, Texas, James R. Biard și Gary Pittman au descoperit emisie de lumină în infraroșu apropiat (900 nm) dintr-o diodă tunel pe care au construit-o pe un substrat de GaAs. În octombrie 1961 au demonstrat cuplarea eficientă dintre o emisie de lumină și un semnal, respectiv între o joncțiune p-n GaAs emițătoare de lumină și un fotodetector semiconductor electric izolat. În 8 august 1962, Biard și Pittman au depus un brevet de invenție intitulat "Dioda semiconductoare radiantă", bazat pe descoperirile lor, care descria un LED cu joncțiune p-n difuzată de zinc cu un contact catod distanțat pentru a permite emisia eficientă a luminii în infraroșu sub polarizare directă. După stabilirea priorității activității lor pa baza notificărilor lor inginerești de la G.E. Labs, RCA Research Labs, IBM Research Labs, Bell Labs, și Lincoln Lab de la MIT, oficiul de brevete din SUA a emis celor doi inventatori brevetul pentru

337 LED-ul cu GaAs în infraroșu (IR) (US Patent US ), acesta fiind primul LED practic. Imediat după depunerea brevetului, Texas Instruments (TI) a început un proiect pentru fabricarea de diode în infraroșu. În octombrie 1962 TI a anunțat primul produs comercial cu LED-uri (SNX-100), care a folosit un cristal GaAs pur pentru a emite o lumină de ieșire de 890 nm. În octombrie 1963 TI a anunțat primul LED comercial emisferic, SNX-110. Primul LED în spectrul vizibil (roșu) a fost dezvoltat în 1962 de Nick Holonyak, Jr., în timp ce lucra la General Electric. Holonyak a raportat pentru prima dată LED-ul său în revista Applied Physics Letters pe 1 decembrie M. George Craford, un fost student absolvent al lui Holonyak, a inventat primul LED galben și a îmbunătățit luminozitatea LED-urilor roșu și roșu-portocaliu cu un factor de zece în În 1976, TP Pearsall a creat primul LED de mare luminozitate și înaltă eficiență pentru telecomunicații cu fibre optice, prin inventarea unor noi materiale semiconductoare adaptate în mod specific la lungimile de undă ale transmisiei cu fibre optice. Principiul de funcționare

338 (Funcționarea unui LED, cu circuitul electric (sus) și diagrama de bandă (jos)) O joncțiune P-N poate converti energia luminoasă absorbită într-un curent electric proporțional. În procesul invers dintr-un LED, joncțiunea P-N emite lumină atunci când este aplicată o energie electrică pe acesta. Acest fenomen se numește în general electroluminescență, putând fi definit ca emisia de lumină dintr-un semiconductor sub influența unui câmp electric. Purtătorii de sarcină se recombină într-o joncțiune P-N polarizată direct atunci când electronii trec de la regiunea N și se recombină cu găurile existente în regiunea P. Electroni liberi se găsesc în banda de conducție a nivelelor de energie, în timp ce găurile sunt în banda de energie de valență. Astfel, nivelul

339 de energie al găurilor va fi mai mic decât nivelurile de energie ale electronilor. O parte din energia trebuie să fie disipată pentru a se recombina electronii și găurile. Această energie este emisă sub formă de căldură și lumină. Electronii disipă energia sub formă de căldură pentru diodele de siliciu și germaniu, dar în semiconductorii cu fosfură de galiu și (GaAsP) și fofid de galiu (GaP) electronii disipă energia prin emisie de fotoni. Dacă semiconductorul este translucid, joncțiunea devine sursă de lumină în timpul emisiei, devenind astfel o diodă emițătoare de lumină. Dacă joncțiunea este polarizată invers LED-urile nu vor produce lumină și dispozitivul se poate deteriora. Tehnologie (Diagrama I-V pentru o diodă. Un LED va începe să emită lumină atunci

340 când i se aplică mai mult de 2 sau 3 volți. Zona de polarizare inversă se bazează pe o scală verticală diferită de regiunea de polarizare directă, pentru a arăta că curentul de scurgere este aproape constant cu tensiunea până la apariția unei defecțiuni. În polarizare directă, curentul este mic, dar crește exponențial cu tensiunea.) Fizica LED-ul este format dintr-un cip de material semiconductor dopat cu impurități pentru a crea o joncțiune p-n. Ca și în alte diode, curentul trece cu ușurință de la zona p, sau anod, la n, sau catod, dar nu și în sens invers. Purtătorii de sarcină - electroni și găuri - trec prin joncțiune de la electrozi cu diferite tensiuni. Atunci când un electron se întâlnește cu o gaură, cade întrun nivel mai mic de energie și eliberează energie sub forma unui foton. Lungimea de undă a luminii emise, și astfel culoarea, depinde de energia benzii interzise a materialelor care formează joncțiunea p-n. În diodele de siliciu sau germaniu, electronii și găurile se recombină de obicei printr-o tranziție neradiativă, care u produce nicio emisie optică, deoarece acestea sunt materiale cu bandă interzisă indirectă. Materialele folosite pentru LED au o bandă interzisă directă cu energii corespunzătoare luminii în infraroșu apropiat, vizibil sau aproape de ultraviolet. Dezvoltarea LED-urilor a început cu dispozitivele infraroșii și roșii realizate cu arseniura de galiu. Progresele în știința materialelor au permis fabricarea de dispozitive cu lungimi de undă din ce în ce mai scurte, care emit lumină într-o varietate de culori. LED-urile sunt de obicei construite pe un substrat de tip n, cu un electrod atașat la stratul de tip p depus pe suprafața sa. Substraturile de tip P, deși mai puțin frecvente, se folosesc de asemenea. Multe LED-uri comerciale, în special GaN/InGaN, folosesc și substrat de safir. Cele mai multe materiale utilizate în fabricarea de LED-uri au indici de refracție foarte mare. Acest lucru înseamnă că o mare parte din lumină va fi reflectată înapoi în material la interfața material/aer. Astfel, extracția luminii din LED este un aspect important al producției de LED-uri, subiect al multor

341 proiecte de cercetare și dezvoltare. Indicele de refracție (Exemplu idealizat de conuri de emisie de lumină într-un semiconductor, pentru o singură zonă de emisie punct-sursă. Ilustrația din stânga este pentru o plachetă complet translucidă, în timp ce ilustrația din dreapta arată semiconuri formate când stratul inferior este complet opac. Lumina este practic emisă în mod egal în toate direcțiile din punctul-sursă, astfel încât zonele între conuri arată cantitatea mare de energie luminoasă captată, care este pierdută sub formă de căldură.)

342 (Conurile de emisie de lumină ale unei plachete reale cu LED sunt mult mai complexe decât o singură emisie de lumină punct-sursă. Zona de emisie a luminii este de obicei un plan bidimensional între plachete. Fiecare atom din acest plan are un set individual de conuri de emisie. Trasarea miliardelor de suprapuneri de conuri este imposibilă, astfel încât aceasta este o diagramă simplificată care arată extinderile tuturor conurilor de emisie combinate.

343 Conurile cu cele mai mari laterale sunt tăiate pentru a arăta caracteristicile interioare și pentru a reduce complexitatea imaginii, care altfel s-ar extinde la marginile opuse ale planul de emisie bidimensională.) Semiconductorii simpli neacoperiți, cum ar fi siliciul, prezintă un indice de refracție foarte mare în aer liber, care împiedică trecerea de fotoni care sosesc în unghiuri ascuțite în raport cu suprafața de contact cu aerul a semiconductorului datorită reflexiei interne totale. Această proprietate afectează atât eficiența emisiei luminii cu LED-uri, cât și eficiența de absorbție a luminii a celulelor fotovoltaice. Indicele de refracție al siliciului este de 3,96 (la 590 nm), în timp ce pentru aer este În general, un cip semiconductor LED plat neacoperit va emite lumină numai perpendicular pe suprafața semiconductorului, și câteva grade în lateral, întro formă de con denumită con de lumină, sau con de evacuare. Unghiul maxim de incidență este menționat ca unghiul critic. Atunci când acest unghi este depășit, fotonii nu mai scapă de semiconductor, ci sunt reflectați intern în interiorul cristalului semiconductor, ca și cum ar fi o oglindă. Reflexiile interne pot scăpa prin alte fețe cristaline dacă unghiul de incidență este suficient de mic, iar cristalul este suficient de transparent pentru a nu reabsorbi emisia de fotoni. Dar pentru un simplu pătrat cu LED-uri, cu suprafețele la 90 de grade pe toate laturile, toate fețele acționează ca oglinzi cu unghiuri egale. În acest caz, cea mai mare parte a luminii nu poate scăpa și se pierde sub forma de căldură reziduală în cristal. O suprafață de cip complexă cu fațete în unghiuri similare cu cele ale unei bijuterii sau lentile Fresnel poate crește lumina la ieșire, permițând luminii să fie emisă perpendicular pe suprafața cipului și în același timp departe de părțile laterale ale punctului de emisie de fotoni. Forma ideală a unui semiconductor cu o iluminare maximă la ieșire ar fi o microsferă cu emisia de fotoni realizându-se exact în centru, cu electrozi care penetrează centrul pentru a face contact cu punctul de emisie. Toate razele de lumină care provin de la centru ar fi perpendicular pe întreaga suprafață a sferei, rezultând zero reflexii interne. Un semiconductor emisferic ar lucra, de asemenea, cu suprafața plată din spate care servește ca o oglindă pentru fotonii împrăștiați înapoi.

344 Lămpi cu LED (Un bec cu LED-uri de 230 volți, cu o bază E27 (10 wați, 806 lumeni). O lampă cu LED este o sursă cu diodă emițătoare de lumină (LED), asamblată într-o lampă (sau bec) pentru a fi utilizată în corpurile de iluminat. Lămpile cu LED au o durată de viață și eficiență electrică de câteva ori mai mari decât lămpile cu incandescență, și sunt mult mai eficiente decât lămpile fluorescente, cu unele chip-uri capabile să emită mai mult de 300 de lumeni pe watt (după cum afirmă producătorii de surse de iluminat cu LED). Piața lămpilor cu LED se estimează că va crește cu mai mult de douăsprezece ori în următorii zece ani, de la 2 miliarde USD la începutul anului 2014 până la 25 miliarde USD în 2023, cu o rată de creștere anuală compusă (CAGR) de

345 25%. Începând din 2016, LED-urile folosesc doar aproximativ 10% din energia unei lămpi cu incandescență. La fel ca și lămpile cu incandescență, și spre deosebire de cele mai multe lămpi fluorescente (de exemplu tuburile și lămpile fluorescente compacte sau CFL), lămpile cu LED ajung la la luminozitate completă fără a fi nevoie de un timp de încălzire; durata de viață la iluminarea fluorescentă este de asemenea mult mai redusă față de iluminarea cu LED prin comutări și opriri frecvente. Costul inițial al lămpilor cu LED este de obicei mai mare. Anumite lămpi cu LED-uri sunt fabricate astfel încât să fie un înlocuitor direct compatibil pentru lămpile incandescente sau fluorescente. Anumite sisteme de lampă cu LED pot afișa fluxul luminos, consumul de energie în wați, temperatura culorii în grade sau prin descriere (de exemplu, "alb cald"), intervalul de temperatură de funcționare, și, uneori, puterea echivalentă a unei lămpi cu incandescență cu luminozitate similară la ieșire. Cele mai multe LED-uri nu emit lumină în toate direcțiile, iar caracteristicile lor direcționale influențează proiectarea lămpilor, cu toate că lămpile omnidirecționale care radiază lumină cu un unghi de 360 sunt din ce în ce mai frecvente. Lumina generată de un singur LED este mai mică decât cea a unei lămpi incandescentă și fluorescentă compactă; în cele mai multe aplicații sunt folosite multiple LED-uri pentru a forma o lampă, deși există și versiuni de mare putere. Chip-urile cu LED-uri au nevoie de energie electrică generată de curent continuu (CC) și un circuit adecvat de care un driver LED are nevoie pentru a converti curentul alternativ de la sursa de alimentare în curent continuu cu tensiunea stabilizată utilizată de LED-uri. LED-urile sunt afectate în mod negativ de temperatură înaltă, astfel încât lămpile cu LED includ de obicei elemente de disipare a căldurii, cum ar fi disipatoare termice și suprafețe de răcire. Driverele pentru LED sunt componentele esențiale ale lămpilor sau corpurilor de iluminat cu LED. Un bun driver LED poate garanta o durată lungă de viață pentru un sistem de LED-uri și oferă caracteristici suplimentare, cum ar fi reducerea și controlul intensității luminii. Driverele pentru LED pot fi plasate în interiorul lămpii sau corpurilor de iluminat, sau în afara acestora,

346 independente. În funcție de diferite aplicații se folosesc diferite tipuri de drivere LED; de exemplu, un driver de exterior pentru iluminatul stradal diferă de un driver punctual pentru iluminat dintr-o nișă, sau un driver liniar de interior pentru iluminarea unui panou. Istorie Înainte ca iluminatul electric să devină un aspect obișnuit în secolul al 20-lea, oamenii foloseau lumânări, iluminare cu gaz, lămpi cu petrol, și focul. Humphry Davy a dezvoltat primul corp de iluminat cu incandescență în 1802, urmat de primul sistem de iluminat practic cu arc electric în Prin anii 1870, lampa cu arc Davy a fost comercializată cu succes, și a fost folosit pentru a lumina multe spații publice. Dezvoltarea unui filament constant strălucitor adecvat pentru iluminatul interior a durat mai mult, dar de la începutul secolului XX inventatorii au dezvoltat cu succes diverse versiuni, înlocuind lumina arcului cu iluminat incandescent. Primele LED-uri au fost dezvoltate la începutul anilor 1960, dar aveau energia de alimentare mică și producea lumină doar în frecvențele joase, roșii, ale spectrului. Primul LED albastru de înaltă luminozitate a fost obținut prin Shuji Nakamura la Nichia Corporation în Apariția LED-uri albastre și a LED-urilor de înaltă eficiență a condus la dezvoltarea primului "LED alb", care a folosit un strat de fosfor pentru a converti parțial lumina albastră emisă în lumină roșie și verde, creând o lumină care albă. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano și Nakamura au fost distinși ulterior cu premiul Nobel pentru fizică în 2014 pentru inventarea LED-ului albastru. În SUA, Legea pentru Independență și Securitate Energetică (EISA) din 2007 a autorizat Departamentul Energiei (DOE) pentru a iniția competiția Bright Tomorrow Lighting Prize, cunoscută sub numele de "Premiul L", prima competiție sponsorizată de guvern în tehnologie, concepută pentru a stimula industria să dezvolte înlocuitori pentru lămpile cu incandescență de 60 W și lămpile cu halogen PAR 38. Legislația EISA a stabilit cerințe de bază și suma premiilor pentru fiecare dintre cele două categorii de concurs, și a autorizat până la 20 milioane $ premii în bani. Competiția a inclus, de asemenea, posibilitatea pentru câștigători de a obține acorduri de achiziție federală, programe utilitare și alte stimulente. În luna mai 2008, au anunțat detalii cu

347 privire la concurs și cerințele tehnice pentru fiecare categorie. Produsele de iluminat care îndeplinesc cerințele de concurs puteau folosi doar 17% din energia utilizată de cele mai multe lămpi cu incandescență utilizate în prezent. În același an DOE a lansat, de asemenea, programul Energy Star pentru produse de iluminat solid-state. Legislația EISA a autorizat, de asemenea, un program suplimentar Premiului L pentru dezvoltarea unei noi "lămpi a secolului 21". Philips Lighting a încetat cercetarea pe lămpi fluorescente compacte în 2008 și a început să dedice cea mai mare parte a bugetului său de cercetare și dezvoltare pentru iluminatul solid-state. La data de 24 septembrie 2009, Philips Lighting North America a devenit primul fabricant care obține lămpile din categoria solicitată pentru a înlocui becul standard de 60 W A-19 "Edison cu șurub de prindere", cu un design bazat pe produsul lor comercial existent "AmbientLED". La data de 3 august 2011 DOE oferă premiul la categoria de 60 W pentru lampa cu LED-uri Philips "după 18 luni de testare extinsă. Lămpile cu LED timpurii variau foarte mult în cromaticitatea față de lămpile cu incandescență pe care le-au înlocuit. A fost dezvoltat un standard, ANSI C , în care sunt specificate intervalele de culoare recomandate pentru produsele de iluminat cu semiconductori, folosind LED-urile albe de la rece la cald, cu diferite temperaturi corelate de culoare. În iunie 2008, NIST a anunțat primele două standarde pentru iluminat solid-state din Statele Unite. Aceste standarde detaliază specificațiile de performanță pentru sursele de lumină cu LED-uri și prescriu metodele de încercare pentru produsele de iluminat solid-state. De asemenea, în 2008, în Statele Unite și Canada, programul Energy Star a început să eticheteze lămpile care îndeplinesc un set de standarde pentru timpul de pornire, speranța de viață, culoare și consistența performanței. Intenția programului este de a reduce preocupările consumatorilor referitor la calitatea variabilă a produselor, prin asigurarea transparenței și a standardelor pentru etichetare și gradul de utilizare a produselor disponibile pe piață. Un program similar în Regatul Unit (condus de Energy Saving Trust) a fost lansat pentru a identifica produsele de iluminat care respectă liniile directoare de conservare și de performanță energetică.

348 Societatea de Inginerie pentru Iluminare din America de Nord (IESNA) a publicat în 2008 un standard documentar, LM-79, care descrie metodele de testare a produselor de iluminat cu semiconductori în funcție de iluminarea lor (lumeni), eficacitate (lumeni per watt) și cromaticitate. În ianuarie 2009 cercetătorii de la Universitatea din Cambridge au dezvoltat un bec cu LED-uri care costa 2 (aproximativ 3 USD), este de 12 ori mai eficient energetic ca un bec tungsten, și durează de ore.honeywell Electrical Devices and Systems (ED&S) recomandă utilizarea la nivel mondial al iluminatului cu LED-uri, deoarece este eficient energetic și poate contribui la salvarea climei. Tehnologia

349 (Iluminatul cu LED utilizat în fotografie, Pentru iluminatul de uz general este nevoie de lumină albă. LED-urile emit lumină într-o bandă foarte îngustă de lungimi de undă, cu o caracteristică de culoare a decalajul de banda de energie a materialului semiconductor utilizat în construcția LED-ului. Pentru a emite lumină albă cu LED trebuie fie să se amestece lumina de la LED-uri de diferite culori, fie să se folosească fosfor pentru a transforma o parte din lumina în alte culori.

350 Cele mai simple două metode de a produce LED-uri de lumină albă sunt RGB sau fosfor. LED-urile albe RGB sau tricromatice utilizează mai multe chips-uri cu LED-uri care emit lungimi de undă roșu, verde și albastru. Aceste culori se combină pentru a produce lumină albă. Indicele de redare a culorilor (CRI) este slab, în mod tipic 25-65, datorită gamei înguste de lungimi de undă emise. A doua metodă de bază utilizează LED-uri în combinație cu fosfor pentru a produce culori complementare dintr-un singur LED. Cea mai des întâlnită metodă este de a combina un LED albastru cu fosfor galben, producând o gamă îngustă de lungimi de undă în spectrul albastru și o bandă largă de lungimi de undă "galbene" care acoperă de fapt, spectrul de la verde la roșu. Valoarea CRI poate varia de la mai puțin de 70 la peste 90, cu toate că o gamă largă de LED-uri comerciale de acest tip au un indice de redare a culorii în jur de 82. Culorile disponibile din cele două tipuri de bază de LED-uri de lumină albă sunt reglabile într-o anumită măsură, cu temperaturi de culoare disponibile pe scară largă în intervalul de la 2200 K (ca la lămpile cu incandescență) până la 7000 K. Valori mai mari CRI pot fi obținute folosind mai mult de trei culori cu LED-uri pentru a acoperi o gamă mai mare de lungimi de undă. Sisteme de iluminat tunabile folosesc baterii de LED-uri colorate, care pot fi controlate în mod individual, fie folosind baterii separate pentru fiecare culoare, fie LED-uri multi-chip cu culorile combinate și controlate la nivel de cip. Eficiența

351 (Eficacitatea medie de iluminare fluxul luminos per unitatea de energie consumată și costurile per unitate de iluminat Sursa grafic: U.S. Energy Information Administration) Îmbunătățirile tehnologice pentru iluminatul LED pe baza standardelor de eficiență conduc la o fiabilitate mai bună și creșterea duratei de viață a sistemelor. Pe măsură ce crește eficiența, consumul rezidențial de energie electrică pentru iluminat scade în timp. Deși prețul inițial de achiziție este mai mare pentru tehnologiile mai eficiente decât becurile tradiționale, economii semnificative sunt realizate prin durata de viață a sistemului de iluminat. Eficiența (numită și eficacitate lumina generată per unitate de energie consumată) lămpilor cu incandescență a crescut doar moderat de la introducerea primelor lămpi cu incandescență cu mai mult de un secol în urmă. Lămpile tipice incandescente de 60 wați produc doar un flux luminos de 16 lumeni per watt cu o durată de viață utilă de 1000 ore în medie, în timp ce o lampă cu incandescență cu halogen comparabilă poate produce aproape 20 de lumeni per watt. O lampă fluorescentă compactă echivalentă oferă

352 aproximativ 50 de lumeni per watt și are o durată de viață de 10 ori mai mare. Lămpile cu LED sunt mult mai eficiente produc în prezent aproximativ 100 lumeni per Watt, și au o durată de viață de peste 30 de ori mai mare față o lampă cu incandescență echivalentă. Tehnologiile de iluminat cu LED au avansat rapid odată cu previziunile pentru îmbunătățiri suplimentare, având ca rezultat costuri mai mici, fiabilitate sporită și un consum redus de energie. Agenția Internațională pentru Energie a prognozat că până în 2020 sistemele de iluminat cu LED vor produce peste 150 de lumeni per watt. In 2016 s-au produs mai multe modele de lămpi cu un flux luminos de 150 lm/w ajungându-se chiar la 220 lm/w. Administrația SUA pentru Informare Energetică consideră că prin scăderea prețurilor pentru tehnologiile de iluminat mai eficiente, dacă firmele din domeniu sunt ajutate de stimulente de stat și locale și prin standarde specifice, se poate ajunge în timp la o creștere a eficienței medie a echipamentelor de iluminat instalate, îmbunătățirea duratei medii de viață a sistemelor de iluminat, și deci economii financiare atât pentru consumatorii industriale cât și pentru cei casnici. Laser

353 (Experiment cu laser al armatei SUA) Un laser este un dispozitiv care emite lumina printr-un proces de amplificare optică bazată pe emisia stimulată de radiaţie electromagnetică. Termenul "laser" a apărut ca un acronim pentru "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" ("amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiaţie"). Un laser diferă de alte surse de lumină, pentru că emite lumină coerent. Coerenţa spaţială permite unui laser să focalizeze într-un spot redus, care să permită aplicaţii cum ar fi tăierea cu laser şi litografia. Coerenţa spaţială, de asemenea, permite unui fascicul laser să rămână îngust pe distanţe lungi (de colimare), care permit aplicaţii, cum ar fi indicarea cu laser. Laserele pot avea, de asemenea, coerenţă temporală mare, care le permite să aibă un spectru foarte îngust; de exemplu, ele pot emite doar o singură culoare de lumină. Coerenţa temporală poate fi folosită pentru a produce impulsuri de lumină cât mai scurte, de ordinul femtosecundelor.

354 Lasere au multe aplicaţii importante. Ele sunt folosite în dispozitive de consum obişnuite, cum ar fi unităţile optice de disc, imprimante laser, şi scanere de coduri de bare. Laserele sunt folosite atât pentru fibra optică cât şi pentru comunicarea optice în spaţiu liber. Ele sunt folosite în medicină pentru chirurgie cu laser şi diverse tratamente ale pielii, şi în industria tăierii şi sudării materialelor. Ele sunt folosite în dispozitivele militare şi de aplicare a legii, pentru marcarea obiectivelor şi măsurarea obiectelor şi a vitezei. Afişajele cu iluminare laser utilizează lumina laser ca un mediu de divertisment. Concepte de bază

355 (Lasere roşu (660 & 635 nm), verde (532 & 520 nm) şi albastru-violet (445 & 405 nm), Laserele se deosebesc de alte surse de lumină prin coerenţa lor. Coerenţa spaţială este de obicei exprimată prin ieşirea unui fascicul îngust cu difracţie limitată, numit adesea şi "fascicul creion." Fasciculele laser pot fi concentrate în spoturi foarte înguste, obţinând o iradiere foarte mare, sau ele pot fi lansate în fascicule de divergenţă foarte scăzută, pentru a concentra puterea lor la o distanţă mare. Coerenţa temporală (sau longitudinală) implică o undă polarizată la o singură

356 frecvenţă a cărei fază este corelată pe o distanţă relativ mare (lungimea de coerenţă) de-a lungul fluxului. Un fascicul produs de o sursă de lumină termică sau altă sursă incoerentă are o amplitudine şi fază instantanee care variază aleator în raport cu timpul şi poziţia, şi, astfel, o lungime de coerenţă foarte scurtă. Majoritatea aşa-numitelor lasere cu o "singură lungime de undă" produc de fapt radiaţii în mai multe moduri cu frecvenţe (lungimi de undă) uşor diferite, de multe ori nu într-o singură polarizare. Și, deşi coerenţa temporală implică monocromatica, există chiar lasere care emit un spectru larg de lumină, sau care emit diferite lungimi de undă ale luminii simultan. Există unele lasere care nu sunt în modul spaţial unic şi, prin urmare, fasciculele de lumină se abat mai mult decât necesar de la limita de difracţie. Totuşi, toate aceste dispozitive sunt clasificate ca "lasere", în funcţie de metoda lor de a produce această lumină prin emisie stimulată. Laserele sunt folosite în aplicaţii unde nu a putut fi produsă prin tehnologii simple lumina cu coerenţa spaţială sau temporală solicitată. Terminologie În termeni moderni, "lumina" se referă în general la radiaţii electromagnetice de orice frecvenţă, nu doar lumina vizibilă. De aici şi termenii de laser cu infraroşii, laser cu ultraviolete, laser cu raze X, etc. Pentru ca predecesorul cu microunde al laserului, maserul, a fost dezvoltat mai întâi, dispozitivele de acest tip care funcţionează la frecvenţe de microunde şi radio sunt denumite "masere", mai degrabă decât "lasere cu microunde" sau "lasere cu unde radio". În literatura de specialitate timpurie, mai ales la Bell Telephone Laboratories, laserul a fost numit maser optic; acest termen este acum depăşit. Un laser care produce lumina prin el însăşi este din punct de vedere tehnic un oscilator optic, mai degrabă decât un amplificator optic aşa cum sugerează acronimul. S-a constatat cu umor că acronimul LOSER, pentru "light oscillation by stimulated emission of radiation" ("oscilaţie luminoasă prin emisie stimulată de radiaţie") ar fi fost mai corect. Odată cu utilizarea pe scară largă a acronimul iniţial ca un substantiv comun, amplificatoare optice actuale au ajuns să fie menţionate ca "amplificatoare laser", indiferent de

357 redundanţa aparentă în această denumire. Utilizarea extinsă a cuvintelor laser şi maser nu se referă la tehnologia sau dispozitivele cu laser sau dispozitive, ca în utilizări precum maser astrofizic şi laser atomic. Construcţia unui laser (Componentele tipice ale unui laser: 1. Mediu de amplificare; 2. Energie de pompare laser; 3. Reflector; 4. Cuplaj de ieşire; 5. Fascicul laser. Un laser constă dintr-un mediu de amplificare, un mecanism pentru a furniza

358 energie pentru laser, şi un dispozitiv pentru feedback optic. Mediul de amplificare este un material cu proprietăţi care îi permit să amplifice lumina de emisie stimulată. Lumina de o anumită lungime de undă, care trece prin mediul de amplificare, este amplificată (creşte puterea). Pentru ca mediul de amplificare să amplifice lumina, acesta trebuie să fie alimentat cu energie. Acest proces se numeşte pompare. Energia este furnizată în mod obişnuit ca un curent electric, sau de lumină la o lungime de undă diferită. Pompa de lumină poate fi furnizată de o lampă flash sau de un alt laser. Cel mai frecvent tip de laser utilizează feedback de la o cavitate optică - o pereche de oglinzi pe fiecare capăt al mediului de amplificare. Lumina ricoşează înainte şi înapoi între oglinzi, trecând prin mediul de amplificare şi amplificându-se de fiecare dată. De obicei una din cele două oglinzi, cuplorul de ieşire, este parţial transparentă. O parte din lumină se pierde prin această oglindă. În funcţie de designul cavităţii (dacă oglinzile sunt plate sau curbate), lumina iese din laser se poate împrăştia sau forma un fascicul îngust. Acest tip de dispozitiv este numit uneori oscilator cu laser prin analogie cu oscilatoare electronice, în care un amplificator electronic primeşte feedback electric care îl determină să producă un semnal. Cele mai multe lasere practice conţin elemente adiţionale care afectează proprietăţile luminii emise, cum ar fi polarizarea, lungimea de undă, şi forma fasciculului. Fizica laserilor Electronii și modul în care aceștia interacționează cu câmpurile electromagnetice sunt importante în înțelegerea noastră a chimiei si fizicii. În fizica clasică, energia unui electron care orbitează în jurul unui nucleu atomic este mai mare pentru orbite mai depărtate de nucleul unui atom. Efectele mecanice cuantice forțează electronii să ocupe poziții discrete in orbitali. Astfel, electronii se găsesc pe nivele de energie specifice ale unui atom, dintre care două sunt arătate mai jos:

359 Când un electron absoarbe energie, fie din lumină (fotoni) fie din căldură (fononi), primește acea cantitate incidentă de energie. Dar tranzițiile sunt permise doar între nivelele de energie discrete, cum ar fi cele două de mai sus. Acest lucru duce la apariția liniilor de emisie și a liniilor de absorbție. Atunci când un electron este excitat de la un nivel de energie inferior la unul mai mare, nu va rămâne așa permanent. Un electron într-o stare excitată poate ajunge într-o stare de energie mai mică, care nu este ocupată, în conformitate cu o anumită constantă de timp ce caracterizează această tranziție. Când un astfel de electron ajunge într-o astfel de stare fără influențe externe, emițând un foton, acest fenomen se numește "emisie spontană". Faza asociată cu fotonul care este emis este aleatoare. Un material cu mulți atomi într-o astfel de stare excitată poate conduce astfel la radiații cu un spectru foarte limitat (focalizate pe un singură lungime de undă a luminii), dar fotonii individuali nu au nicio relație de fază comună și vin din direcții aleatorii. Acesta este mecanismul pentru fluorescență și emisie termică. Un câmp electromagnetic extern la o frecvență asociată cu o tranziție poate

360 afecta starea mecanică cuantică a atomului. Când electronul din atom face o tranziție între două stări staționare (dintre care niciuna nu prezintă un câmp dipol), se intră într-o stare de tranzitie care are un câmp dipol, și care acționează ca un dipol electric mic, iar acest dipol oscilează la o frecvență caracteristică. Ca răspuns la câmpul electric extern la această frecvență, probabilitatea atomului de a intra în această stare de tranziție este mult crescută. Astfel, rata de tranziții între două stări staționare crește datorită emisiilor spontane. O astfel de tranziție la starea superioară este numită absorbție, și distruge un foton incident, (energie fotonului ajută la creșterea energiei stării superioare). O tranziție de la o stare de energie superioară la una mai mică produce un foton suplimentar; acesta este procesul de emisie stimulată. Aplicaţii

361 (Un fascicul laser folosit pentru sudare.

362 De la inventarea laserului în 1958 au fost dezvoltate multe, aplicații militare, științifice, medicale și comerciale. Coerența, marea monocromaticitate, precum și capacitatea de a ajunge la puteri extrem de ridicate, sunt toate proprietăţi care permit aceste aplicații specializate. Științifice În știință, laserele sunt folosite în mai multe moduri, inclusiv: O mare varietate de tehnici interferometrice Spectroscopie Raman Spectroscopie pe plasmă indusă cu laser Teledetecție atmosferică Investigarea fenomenelor optice neliniare Tehnicile holografice care utilizează lasere contribuie de asemenea la o serie de tehnici de măsurare. Tehnologie lidar (LIght radar) pe bazată de laser cu aplicabilitate în geologie, seismologie, teledetecție și fizica atmosferei. Laserele au fost utilizate la bordul navelor spațiale, cum ar fi în misiunea Cassini-Huygens. În astronomie, laserele au fost folosite pentru a crea stele artificiale de ghidare cu laser, folosite ca obiecte de referință pentru telescoape optice adaptive. Laserele pot fi de asemenea folosite în mod indirect în spectroscopie ca sistem de micro-eșantionare, o tehnică denumită ablaţie laser, care este de obicei aplicată la aparate ICP-MS rezultând un puternic LA-ICP-MS. Spectroscopie Cele mai multe tipuri de laser, sunt o sursă inerent pură de lumină; acestea emit lumină aproape monocromatică cu o gamă foarte bine definită de lungimi de undă. Prin proiectarea atentă a componentelor de laser, puritatea luminii laser poate fi îmbunătățită mai mult decât puritatea oricărei alte surse de lumină. Acest lucru face ca laserul să fie o sursă foarte utilă pentru spectroscopie. Intensitatea mare a luminii care poate fi realizată într-un fascicul mic, dar colimat, poate fi de asemenea folosită pentru a induce un

363 efect optic neliniar într-o probă, făcând posibile tehnici precum spectroscopia Raman. Alte tehnici spectroscopice bazate pe lasere pot fi folosite pentru a construi detectoare extrem de sensibile ale diferitelor molecule, capabile să măsoare concentrațiile moleculare la nivel de părți per (ppt). Datorită densității mare de putere atinse de lasere, emisia atomică indusă de fascicul este posibilă: această tehnică este numită spectroscopie pe plasmă indusă cu laser. Tratament termic Tratarea termică cu lasere permite durificarea selectivă a suprafeţei împotriva uzurii, cu puțină sau deloc denaturare a componentei. Deoarece aceasta elimină mare parte din remanierea actuală, costul de capital al sistemului cu laser este recuperat într-un timp scurt. A fost dezvoltat de asemenea dezvoltat un strat inert, absorbant, pentru tratamentul termic cu laser, care elimină fumul generat de acoperirile de vopsea convenționale în timpul procesului de prelucrare termică cu raze laser CO2. O consideraţie crucială pentru succesul unei operațiuni de tratament termic este controlul iluminării fascicului cu laser pe suprafață. Distribuția optimă a iradierii este determinată de termodinamica interacțiunii laser-material și de aspectul geometric. În mod obișnuit, emitanţe între W/cm^2 satisfac constrângerile termodinamice și permit încălzirea rapidă a suprafeței și aportul de căldură totală minimă necesară. Pentru tratamentul termic general, un fascicul pătrat sau dreptunghiular uniform este una dintre cele mai bune opțiuni. Pentru unele aplicații speciale sau aplicații unde tratamentul termic se face pe o margine sau colț al unui material, s-ar putea să fie mai bine să se scadă emitanţa aproape de margine pentru a preveni topirea. Reflector lunar cu laser Când astronauții de pe Apollo au vizitat luna, au plantat matrice retroreflectoare pentru a face posibil experimentul reflectorului lunar cu laser. Fasciculele laser sunt concentrate prin telescoape mari de pe Pământ spre matrice, și timpul necesar pentru fascicul pentru a fi reflectat înapoi pe

364 Pământ a fost măsurat pentru a determina distanța dintre Pământ și Lună cu mare precizie. Fotochimie Unele sisteme laser, prin procesul de blocaj de mod, poate produce impulsuri de lumină extrem de scurte - de ordinul picosecundelor sau femtosecundelor ( secunde). Asemenea impulsuri pot fi utilizate pentru a iniția și analiza reacțiile chimice, o tehnică cunoscută sub numele de fotochimie. Scurte impulsuri pot fi folosite pentru a sonda procesul de reacție la o rezoluție temporală foarte mare, permițând detectarea moleculelor intermediare de scurtă durată. Această metodă este deosebit de utilă în biochimie, unde este folosit pentru a analiza datele de pliere şi funcţia proteinei. Scanere de coduri de bare laser Scanere de coduri de bare laser sunt ideale pentru aplicații care necesită viteză mare de citire de coduri liniare sau simboluri suprapuse. Din produse mici pentru aplicații OEM integrate până la scanere de coduri de bare laser masive de uz industrial, există o gamă largă de produse de calitate pentru a citi coduri de bare liniare și simboluri, cu caracteristici cum ar fi citirea de mare viteză, domeniu larg de vizualizare, reconstrucție a simbolului, și tehnologie de decodare agresivă. Răcire cu laser O tehnică de succes recent este răcirea cu laser. Acest lucru implică o capcană atomică, o metodă unde mai mulţi atomi sunt limitaţi într-un aranjament cu formă specială de câmpuri electrice și magnetice. Folosind lungimi de undă speciale ale luminii laser pentru ioni sau atomi aceştia sunt încetiniţi, fiind astfel răciţi. Deoarece acest proces este continuat, aceştia sunt cu toţii încetiniţi și ajung la același nivel de energie, formând un aranjament neobișnuit al materiei cunoscut sub numele de condensat Bose-Einstein. Fuziunea nucleară

365 Unele dintre modalitățile cele mai puternice și mai complexe din lume ale laserilor multipli și amplificatorilor optici constau în utilizarea lor pentru a produce impulsuri de lumină de extrem de mare intensitate şi de durată extrem de scurtă. Aceste impulsuri sunt aranjate astfel încât acestea au un impact asupra peletelor de tritiu-deuteriu simultan din toate direcțiile, în speranța că efectul de squeezing a impactului va induce fuziune atomică în pelete. Aceasta tehnică, cunoscuta sub numele de "fuziune prin confinare inerțială", nu a fost capabilă să devină "rentabilă" până în prezent, practic reacția de fuziune generează mai puțină energie decât este folosită pentru a alimenta laserele, dar cercetările continuă. Microscopie Microscopia confocală de scanare cu laser și microscopia de excitaţie a doi fotoni fac uz de lasere pentru a obtine imagini ne-blurate de eşantioane groase la diferite adâncimi. Microdisecţia de captură cu laser utilizează lasere pentru a obţine populaţii de celule specifice de la o secțiune de țesut sub vizualizare microscopică. Tehnici suplimentare de microscopie cu laser includ microscopia armonică, microscopia de amestec în patru etape și microscopia interferometrică. Extreme Light Infrastructure

366 (Implementarea proiectată a instalației ELI în Republica Cehă, cu locurile indicate activităților de cercetare 2-6 pentru exploatarea laserului. Sistemele laser, inclusiv oscilatorul și partea din față, fluxul cu rată de repetiție și un sistem de testare de mare intensitate, sunt situate la parter, sisteme de driver control și pompare (DPSSL, condensatoare, etc.) sunt plasate la etajul 1.) Extreme Light Infrastructure (ELI) este o nouă infrastructură de cercetare de interes pan-european, parte a programului european ESFRI. Este o facilitate laser care are ca scop găzduirea celui mai puternic sistem de particule accelerate la nivel mondial, dezvoltarea de noi oportunități de cercetare interdisciplinare cu lumina de la aceste lasere și radiațiile secundare obținute de la acestea, și punerea lor la dispoziția comunității științifice internaționale.

367 Aceasta va fi cea mai mare și prima facilitate internațională din lume pentru cercetări în fizica acceleratorilor și laser. Interacția luminii cu materia la ELI va avea intensități de 10 ori mai mari decât actualele valori. ELI va oferi impulsuri laser ultra-scurte de câteva femtosecunde (10-15 FS) și performanțe de până la 10 PW. ELI își propune ajute la dezvoltarea de noi tehnici medicale prin afișarea de imagini și diagnosticare, radioterapie, instrumente pentru dezvoltarea și testarea de noi materiale, inclusiv în optica cu raze X, etc. Facilitatea se va baza pe patru situri. Trei dintre ele sunt în prezent în curs de implementare în Republica Cehă, Ungaria și România, cu un volum de investiții de peste 850 milioane EUR, cea maimare parte provenind din Fondul European de Dezvoltare Regională (FEDR). În Dolní Brezany, aproape de Praga, Republica Cehă, facilitatea ELI-Beamlines se va concentra în principal pe dezvoltarea surselor secundare de scurt-puls de radiații și particule. În Szeged, Ungaria, prin ELI Attosecond Light Pulse Source (ELI- ALPS) se va crea un mecanism unic, care oferă surse de lumină într-un interval extrem de largă de frecvență în formă de impulsuri ultrascurte cu rată mare de repetiție. La Măgurele, în România, facilitatea ELI Nuclear Physics (ELI-NP) se va concentra pe cercetări în fizica nucleară bazate pe laser. Amplasarea celui de al patrulea pilon ELI, cel mai mare pilon ca intensitate, este încă nedecisă. Puterea laserului este de așteptat să o depășească pe cea din pilonii actuale ELI cu aproximativ un ordin de mărime. Istorie Proiectul Extreme Light Infrastructure a început ca o inițiativă de jos în sus de către comunitatea europeană științifică pentru studiul laserului și rețeaua de facilități naționale mari cu laser, LASERLAB-EUROPE, în contextul pregătirii primului proiect ESFRI în Între ELI a intrat într-o fază de pregătire finanțată de Comisia Europeană, care cuprinde 40 de laboratoare din 13 țări. Gérard Mourou, inițiatorul proiectului ELI, a fost coordonatorul etapei pregătitoare. În cadrul reuniunii Comitetului director la 1 octombrie 2009 la Praga,

368 Consorțiul ELI pentru faza pregătitoare a mandatat oficial Republica Cehă, Ungaria și România pentru a continua dezvoltarea ELI. La 10 decembrie 2010, la sfârșitul fazei de pregătire, proiectul a fost complet predat Consortiul ELI de livrare, format din reprezentanți din cele trei țări gazdă. Finanțarea ERDF a instalației ELI-Beamlines în Republica Cehă a fost acordată de către Comisia Europeană la 20 aprilie 2011, urmată de ELI-Nuclear Physics în România la 18 septembrie Finanțarea pentru facilitatea ELI-ALPS în Ungaria a fost acordată la începutul anului Se așteaptă ca toate cele trei facilități să fie puse în funcțiune la începutul anului Asociația Internațională Consortiul ELI pentru Livrare a fost fondată la 11 aprilie 2013, ca o asociație internațională non-profit în temeiul legislației belgiene (AISBL). Aceasta promovează dezvoltarea durabilă a ELI ca o infrastructură pan-europeană de cercetare, sprijină punerea în aplicare coordonată a instalațiilor de cercetare ELI, și păstrează coerența și complementaritatea misiunilor lor științifice. Se va organiza, de asemenea, stabilirea unui consorțiu internațional, care va fi responsabil cu funcționarea viitoare a ELI, de preferință sub forma unui consorțiu pentru o infrastructură europeană de cercetare (ERIC). Asociația Internațională ELI-DC este deschisă participării instituțiilor din toate țările interesate. Centrul de cercetare ELI NP

369 Stare: În construcție Tip: Centru de cercetare Localitatea: Măgurele Începerea lucrărilor: 14 iunie 2013 Cost: 356,2 milioane EUR Suprafață: m 2 Dezvoltator: Strabag (clădirea), Thales Group (laserul), EuroGammaS (radiațiile γ) Site web: Centrul de Cercetare al ELI NP este o instalație în construcție în Măgurele, România, care va găzdui cel mai puternic laser din lume. Tehnologia laser ar putea fi folosită pentru a distruge deșeurile nucleare și pentru a oferi un nou

370 tip de radioterapie de cancer numită terapia grea. Cel mai mare proiect științific din România, ELI-NP va fi singurul centru european și internațional pentru cercetarea la nivel înalt a interacțiunii laser cu intensitate superioară, a materiei laser și a surselor secundare cu posibilități de neegalat. ELI-NP este o instalație foarte complexă care va găzdui două componente de performanță extremă: Un sistem laser de foarte mare intensitate, cu doua brațe laser de 10 PW capabile să atingă intensități de ordinul a 1023 W/cm2 și câmpuri electrice de 1015 V/m. Un fascicul γ foarte intens (1013 γ/s) strălucitor, cu o lărgime de bandă de ~ 0.1%, cu Eγ până la 19,5 MeV, care este obținut prin retroîmprăștierea incoerentă Compton a fotonilor dintr-un fascicul laser pe un fascicul foarte strălucitor, intens, de electroni (Ee până la 720 MeV) produs de un accelerator clasic. Clădirea va fi construită pe amortizoare seismice și va avea două corpuri solide - unul pentru lasere și unul pentru fasciculul gama, având o suprafață de m 2. În aceeași clădire va fi integrat un corp de laboratoare, cu o suprafață de m 2. Corpul dedicat laserelor va avea opt niveluri subterane, în timp ce celălalt va avea 12 nivele subterane. Complexul dedicat acestui proiect va avea și o clădire de birouri, pe o suprafață de aproape 970 m 2, iar în vecinătatea va fi o pensiune cu aproximativ 30 de camere, ocupând 642 m 2. Inaugurarea lucrărilor la infrastructura acestui proiect a avut loc pe 14 iunie Laserul a fost realizat în Franța și testat la Paris și va fi adus în România. Cuanta de lumină (Fotoni)

371 (Secțiunile transversale pentru fotoni în domeniul energiei variază de la 1 kev la 20 MeV pentru elementele Z = 1 până la 100. De asemenea, sunt prezentate locațiile marginilor de absorbție ale fotonilor. În fizică, fotonul este un cuantum de excitație a câmpului electromagnetic cuantizat. Un foton este un tip de particule elementare, cuantele câmpului electromagnetic, inclusiv radiația electromagnetică, cum ar fi lumina, și purtătorul de forță al forței electromagnetice (chiar și atunci când este static

372 prin particule virtuale). Fotonul are o masă de repaus zero și se mișcă mereu cu viteza luminii din vid. Fotonul are, de obicei, simbolul γ (gamma), deși în fizica energiilor înalte, acest simbol se referă la fotoni de energie mare (fotonii din sectorul energetic imediat inferior sunt notați de exemplu cu X și sunt numiți raze X). Fotonii sunt adesea asociați cu lumina, cu care au legătură doar pentru o zonă de frecvențe foarte îngustă a spectrului. Chiar și așa, lumina este întâlnită frecvent în stări cuantice care nu sunt pure, ci suprapuneri de diferite cantități de fotoni, fie suprapuneri coerente (așa-numitele stări coerente) care descriu lumină coerentă, cum ar fi cea emisă de un laser ideal, sau suprapuneri haotice (așa-numitele stări termice), care descriu lumina în echilibru termic (radiația corpului negru). Dispozitive speciale, cum ar fi micromaserele, pot crea tipuri pure de fotoni de lumină. Starea cuantică asociată este starea Fock notată n>, în sensul de n fotoni în spectrul electromagnectic. Dacă câmpul este multimodal, starea sa cuantică este un produs tensorial al stărilor fotonilor. Ca toate particulele elementare, fotonii sunt în prezent cel mai bine explicați prin mecanica cuantică și prezintă dualitatea undă-particulă, cu prezintă proprietăți atât ale undelor cât și ale particulelor. De exemplu, un singur foton poate fi refractat de o lentilă și poate prezenta interferențe de unde cu sine, și se poate comporta ca o particulă cu o poziție sau un impuls măsurabil și definitiv, dar nu ambele situații în același timp. Calitățile de undă și cuantă ale fotonului sunt două aspecte observabile ale unui singur fenomen și nu pot fi descrise de niciun model mecanic; o reprezentare a acestei proprietăți duble a luminii, care presupune anumite puncte pe frontul de undă ca fiind locația energiei, nu este posibilă. Cuantele într-o undă de lumină nu pot fi localizate spațial. Sunt enumerați câțiva parametri fizici definiți ai unui foton. Conceptul modern al fotonului a fost dezvoltat treptat de către Albert Einstein la începutul secolului al XX-lea pentru a explica observațiile experimentale care nu se potriveau modelului de undă clasică a luminii. Beneficiul modelului fotonului a fost că el a explicat dependența de frecvență a energiei luminii și a explicat capacitatea materiei și a radiației electromagnetice de a fi în echilibru termic. Modelul fotonului a explicat observațiile anormale, inclusiv proprietățile radiației corpului negru, pe care alții (în special Max

373 Planck) încercaseră să le explice folosind modele semiclasice. În acest model, lumina a fost descrisă de ecuațiile lui Maxwell, dar obiectele materiale emit și absorb lumină în cantități cuantificate (adică schimbă energia numai cu anumite cantități specifice discrete). Deși aceste modele semiclasice au contribuit la dezvoltarea mecanicii cuantice, multe alte experimente începând cu fenomenul de împrăștiere Compton a unor fotoni singulari de către electroni, au validat ipoteza lui Einstein că lumina însăși este cuantizată. În 1926, fizicianul optic Frithiof Wolfers și chimistul Gilbert N. Lewis au inventat numele foton pentru aceste particule. După ce Arthur H. Compton a câștigat premiul Nobel în 1927 pentru studiile sale de împrăștiere, majoritatea oamenilor de știință au acceptat faptul că cuantele de lumină au o existență independentă, iar termenul de foton a fost acceptat. În modelul standard al fizicii particulelor, fotonii și alte particule elementare sunt descrise ca o consecință necesară a legilor fizice care au o anumită simetrie în fiecare punct din spațiu. Proprietățile intrinseci ale particulelor, cum ar fi sarcina, masa și spinul, sunt determinate de această simetrie gauge. Conceptul de fotoni a condus la progrese importante în fizica experimentală și teoretică, incluzând laserele, condensarea Bose-Einstein, teoria câmpului cuantic și interpretarea probabilistă a mecanicii cuantice. A fost aplicată fotochimiei, microscopiei de înaltă rezoluție și măsurătorilor distanțelor moleculare. Recent, fotonii au fost studiați ca elemente ale computerelor cuantice și pentru aplicații în imagistică optică și comunicare optică, cum ar fi criptografia cuantică. Fotonii pot fi produși într-o varietate de moduri, inclusiv prin emisii de electroni, deoarece aceștia schimbă stările de energie sau orbitalii. Ei pot fi, de asemenea, creați de tranziții nucleare, anihilarea particulă-antiparticulă, sau orice fluctuații într-un câmp electromagnetic. În vid, fotonii se deplasează cu viteza luminii c, definită egală cu m/s (aceasta este o definiție și, prin urmare, nu suferă nicio incertitudine experimentală), sau aproximativ 3x10 8 m/s. Relația de dispersie este liniară și constanta de proporționalitate este constanta Planck h, conducând la relațiile utile pentru studii cinematice, E = h ν (cu E energia fotonica și ν frecvența modală, sau frecvența fotonilor) și p = h ν / c (p este impulsul). Fotonii sunt considerați a fi particule fundamentale. Durata lor de

374 viață este infinită. Spinul lor este 1 și sunt, prin urmare, bosoni. Cu toate acestea, deoarece se deplasează cu viteza luminii, ei au doar două proiecții de spin, deoarece proiecția zero necesită un cadru în care fotonul încă se găsește. Un astfel de cadru nu există în conformitate cu teoria relativității. Ei au masa invariantă zero, dar o energie finită definită la viteza luminii. Chiar și așa, teoria relativității generale afirmă că aceștia sunt afectați de gravitate, iar acest lucru este confirmat de observații. Într-un material, ei cuplează la excitațiile mediului și se comportă diferit. De exemplu, atunci când se cuplează cu fononi sau excitoni dau naștere la polaritoni. Dispersia lor se depărtează de linia dreaptă și dobândesc o masă efectivă. Prin urmare, viteza lor devine mai mică decât viteza luminii. Proprietăți fizice Compoziția: Particulă elementară Statistica: Bozonică Interacțiuni: Electromagnetică, slabă, gravitațională Simbol: γ Teoretizată de: Albert Einstein Masa: 0, < ev/c 2 Timpul mediu de viață: Stabil Sarcina electrică: 0, < e Spin: 1 Paritatea: 1 Paritatea C: 1 Condensat: I(J PC )=0,1(1 )

375 (Conul indică valori posibile ale undei 4-vectoriale a unui foton. Axa "timp" dă frecvența unghiulară (rad s -1 ), iar axa "spațiu" reprezintă numărul de undă

376 unghiular (rad m -1 ). Culorile verde și indigo reprezintă polarizarea stânga și dreapta) Fotonii nu au masă, nici sarcină electrică și sunt particule stabile. Un foton are două stări posibile de polarizare. În reprezentarea impulsului fotonului, care este preferată în teoria câmpului cuantic, un foton este descris de vectorul său de undă, care determină lungimea de undă λ și direcția sa de propagare. Un vector de undă al unui foton nu poate fi zero și poate fi reprezentat fie ca vector spațial tridimensional fie ca vector (relativist) 4- dimensional; în ultimul caz aparține conului de lumină (cf. imaginii). Semnele diferite ale celor patru vectori denotă diferite polarizări circulare, dar în reprezentarea cu 3-vectorială trebuie să se țină seama separat de starea de polarizare; este de fapt un număr cuantic de spin. În ambele cazuri, spațiul vectorilor de undă posibili este tridimensional.

377 (În această ilustrație, un foton (purpuriu) are o energie mult mai mare decât energia celuilalt (galben) Credit: NASA / Sonoma State University / Aurore Simonne) Fotonul este bozon gauge pentru electromagnetism și, prin urmare, toate celelalte numere cuantice ale fotonului (cum ar fi numărul leptonic, numărul barionic și numerele cuantice ale aromei) sunt zero. De asemenea, fotonul nu respectă principiul excluziunii Pauli. Fotonii sunt emiși în multe procese naturale. De exemplu, atunci când o sarcină este accelerată, se emite radiații sincrotronice. În timpul unei tranziții moleculare, atomice sau nucleare la un nivel de energie mai scăzut, vor fi emiși fotoni de diferite energii, de la unde radio la raze gama. Fotonii pot fi de asemenea emiși atunci când o particulă și antiparticula corespunzătoare

378 sunt anihilate (de exemplu, anihilarea electron-pozitron). În spațiul gol, fotonul se mișcă cu viteza c (viteza luminii) iar energia și impulsul său sunt legate prin E = pc, unde p este magnitudinea vectorului de impuls p. Aceasta derivă din următoarea relație relativistă, cu m = 0: E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4. Energia și impulsul unui foton depind numai de frecvența lui (ν) sau invers, de lungimea de undă (λ): E = ħω = hν = hc/λ p = ħk, unde k este vectorul de undă (unde numărul de undă k = k = 2π/λ), ω = 2πν este frecvența unghiulară, iar ħ = h/2π este constanta redusă Planck. Deoarece p arată în direcția propagării fotonului, magnitudinea impulsului este p = ħk = hν/c = h/λ. Fotonul are, de asemenea, o proprietate numită moment de rotație unghiular, care nu depinde de frecvența sa. Mărimea spinului său este de 2 ħ iar componenta măsurată de-a lungul direcției sale de mișcare, elicitatea sa, trebuie să fie ± ħ. Aceste două posibile elicități, numite dreaptă și stângă, corespund celor două posibile stări de polarizare circulară ale fotonului. Pentru a ilustra semnificația acestor formule, anihilarea unei particule cu antiparticula sa în spațiu liber trebuie să ducă la crearea a cel puțin doi fotoni din următorul motiv. În centrul cadrului impulsului, antiparticulele din coliziune nu au un impuls net, în timp ce un singur foton are întotdeauna un impuls (deoarece, după cum am văzut, este determinat de frecvența sau lungimea de undă a fotonului, care nu poate fi zero). Prin urmare, conservarea impulsului (sau echivalent, invarianța translațională) necesită crearea a cel puțin doi fotoni, cu impuls zero net. (Cu toate acestea, este posibil ca sistemul să interacționeze cu o altă particulă sau câmp pentru

379 anihilare pentru a produce un foton, ca atunci când un pozitron se anihilează cu un electron atomic legat, este posibil să se emită un singur foton, deoarece câmpul nuclear Coulomb rupe simetria translațională.) Energia celor doi fotoni sau, în mod echivalent, frecvența lor, poate fi determinată din conservarea celor patru impulsuri. Văzut altfel, fotonul poate fi considerat propria sa antiparticulă. Procesul invers, producția de perechi, este mecanismul dominant prin care fotonii cu energie înaltă, cum ar fi razele gama, pierd energie în timp ce trec prin materie. Acest proces este inversul "anihilării unui foton" permisă în câmpul electric al unui nucleu atomic. Formulele clasice pentru energia și impulsul radiației electromagnetice pot fi re-exprimate în termeni de evenimente fotonice. De exemplu, presiunea de radiație electromagnetică pe un obiect derivă din transferul impulsului fotonului pe unitate de timp și unitate de suprafață la obiectul respectiv, deoarece presiunea este forța pe unitate de suprafață și forța este schimbarea impulsului pe unitate de timp. Fiecare foton are două forme distincte și independente de impulsuri unghiulare ale luminii. Momentul unghiular de spin al luminii al unui anumit foton este întotdeauna +ħ sau -ħ. Momentul unghiular orbital al luminii al unui anumit foton poate fi orice număr întreg N, inclusiv zero. Optica cuantică Optica cuantică este un domeniu de cercetare care utilizează fizica semiclasică și mecanica cuantică pentru a investiga fenomene care implică lumina și interacțiunile sale cu materia la nivel submicroscopic. Conform teoriei cuantice, lumina poate fi considerată nu numai ca o undă electromagnetică, dar, de asemenea, ca un "flux" de particule numite fotoni, care călătoresc cu viteza luminii, c, în vid. Aceste particule nu ar trebui considerate ca niște bile de biliard clasice, ci particule mecanice cuantice descrise de funcția de undă a distribuției pe o regiune finită. Fiecare particulă poartă o cuantă de energie, egală cu hf, unde h este constanta lui Planck și f este frecvența luminii. Această energie posedată de un singur foton corespunde exact tranziției între nivelele de energie discrete

380 într-un atom (sau alt sistem) care a emis fotonul. Absorbția materială a unui foton este procesul invers. Explicația lui Einstein pentru emisia spontană a prezis, de asemenea, și existența emisiei stimulate, principiul pe care se sprijină laserul. Cu toate acestea, invenția reală a maserului (și laserului), mulți ani mai târziu, a depins de o metodă de producere a inversării populației. Utilizarea mecanicii statistice este fundamentală pentru conceptele de optică cuantică: Lumina este descrisă în termeni de operatori de câmp pentru crearea și anihilarea de fotoni - de exemplu, în limbajul electrodinamicii cuantice. O stare des întâlnită a câmpului de lumină este starea coerentă, cum a fost introdusă de Roy J. Glauber în 1963 Această stare, care poate fi folosită pentru a descrie aproximativ ieșirea unui laser cu o singură frecvență mult peste pragul laserului, prezintă statistici cantitative pentru fotonii Poisson. Prin anumite interacțiuni neliniare, o stare coerentă poate fi transformată întro stare coerentă saturată, prin aplicarea unui operator de saturare care poate prezenta statistici super sau sub-fotonice Poisson. O astfel de lumină se numește lumina saturată. Alte aspecte importante cuantice sunt legate de corelații ale statisticilor de fotoni între diferite fluxuri. De exemplu, conversia down spontană a parametrilor poate genera așa-numitele "fluxuri gemene", unde (în mod ideal) fiecare foton al unui flux este asociat cu un foton din alt flux. Atomii sunt considerați ca oscilatoare mecanice cuantice cu un spectru de energie discret, cu tranziția între stările proprii de energie determinate de absorbția sau emisia de lumină conform teoriei lui Einstein. Pentru materia în stare solidă, se utilizează modele de bandă de energie din fizica corpului solid. Acest lucru este important pentru înțelegerea modului în care lumina este detectată de către un dispozitiv solid, utilizat în mod obișnuit în experimente. Nașterea teoriei cuantice (Optica cuantică)

381 (Distribuția spațială în fază XY Husimi a unei stări comprimate coerente a luminii. Cea de-a treia dimensiune codată în culoare reprezintă densitatea de probabilitate. Optica cuantică este un domeniu de cercetare care utilizează fizica semiclasică și fizică cuantică pentru a investiga fenomenele care implică lumina și interacțiunile sale cu materia la nivele submicroscopice. Istoria opticii cuantice Propagarea luminii în vid are cuantificate energia și impulsul său, conform unui număr întreg de particule cunoscute sub numele de fotoni. Optica cuantică studiază natura și efectele luminii ca fotoni cuantificați. Prima evoluție majoră care a condus la această înțelegere a fost modelarea corectă a spectrului de radiații a corpului negru de către Max Planck în 1899 sub ipoteza luminii emise în unități discrete de energie. Efectul fotoelectric a fost o dovadă suplimentară a acestei cuantificări, explicată de Einstein într-o lucrare din 1905, o descoperire pentru care urma să i se atribuie Premiul Nobel în Niels Bohr a arătat că ipoteza radiației optice cuantificate

382 corespundea teoriei sale a cuantificării nivelelor de energie ale atomilor și spectrului emisiilor de hidrogen în special. Înțelegerea interacțiunii dintre lumină și materie în urma acestor evoluții a fost crucială pentru dezvoltarea mecanicii cuantice ca un întreg. Cu toate acestea, sub-domeniile mecanicii cuantice care se ocupă de interacțiunea dintre materie și lumină au fost în principal considerate ca cercetări în materie, mai degrabă decât în lumină; prin urmare, s-a vorbit mai degrabă despre fizica atomului și electronica cuantică în Știința laserului - adică cercetarea principiilor, proiectarea și aplicarea acestor dispozitive - a devenit un domeniu important, iar mecanica cuantică care stă la baza principiilor laserului a început să fie studiată cu accent mai mare pe proprietățile luminii, iar denumirea de optica cuantică a intrat în uzul curent. Dat fiind că știința laserului are nevoie de fundații teoretice bune și, de asemenea, că cercetarea în aceste domenii s-a dovedit foarte fructuoasă, interesul pentru optica cuantică a crescut. Urmare a lucrării lui Dirac în teoria câmpului, George Sudarshan, Roy J. Glauber și Leonard Mandel au aplicat teoria cuantică a câmpului electromagnetic în anii 1950 și 1960 pentru a obține o înțelegere mai detaliată a fotodetectării și a statisticii luminii. Acest lucru a condus la introducerea stării coerente ca un concept care aborda variațiile dintre lumina laser, lumina termică, stările comprimate exotice, etc., înțelegându-se că lumina nu poate fi descrisă pe deplin doar referindu-se la câmpurile electromagnetice care descriu undele din fizica clasică. În 1977, Kimble și colab. a demonstrat că un singur atom emite un foton la un moment dat, rezultând dovezi suplimentare convingătoare că lumina constă din fotoni. Stadiile cuantice ale luminii necunoscute anterior, cu caracteristici diferite de cele clasice, cum ar fi lumina coerentă comprimată, au fost descoperite ulterior. Dezvoltarea impulsurilor laser scurte și ultrascurte - create de tehnicile de comutare Q și de modelare - a deschis calea spre studiul a ceea ce a devenit cunoscut sub numele de procese ultrarapide. Au fost descoperite aplicații pentru cercetarea în stare solidă (de exemplu, spectroscopia Raman), și au fost studiate forțele mecanice ale luminii asupra materiei. Acestea din urmă au condus la levitarea și poziționarea norilor de atomi sau chiar a probelor biologice mici într-o capcană optică sau prin pensete optice prin fascicul laser. Aceasta, împreună cu răcirea Doppler, a fost tehnologia crucială

383 necesară pentru a realiza condensatul Bose-Einstein. Alte rezultate remarcabile sunt demonstrarea inseparabilității cuantice, a teleportării cuantice și a porților logice cuantice. Acestea din urmă sunt de foarte mare interes în teoria informației cuantice, un subiect care a apărut parțial din optica cuantică, și parțial din teoria informaticii teoretice. Domeniile de astăzi de interes printre cercetătorii opticii cuantice includ conversia parametrică jos, oscilația parametrică, impulsurile luminoase mai scurte (attosecunde), utilizarea opticii cuantice pentru informațiile cuantice, manipularea atomilor unici, condensatele Bose-Einstein, aplicarea și manipularea lor (un sub-domeniu numit adesea optică atomică), absorbanți perfect coerenți, și multe altele. Subiectele clasificate sub termenul de optică cuantică, în special cele aplicate în inginerie și inovare tehnologică, sunt incluse deseori în termenul modern de fotonică. Câteva premii Nobel au fost acordate pentru munca în domeniul opticii cuantice: în 2012, Serge Haroche și David J. Wineland, "pentru metode experimentale de ultimă oră care permit măsurarea și manipularea sistemelor cuantice individuale". în 2005, Theodor W. Hänsch, Roy J. Glauber și John L. Hall în 2001, Wolfgang Ketterle, Eric Allin Cornell și Carl Wieman în 1997, Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji și William Daniel Phillips Concepte ale opticii cuantice Potrivit teoriei cuantice, lumina poate fi considerată nu numai ca o undă electromagnetică, ci și ca un "flux" de particule numite fotoni care se deplasează cu c, viteza în vid a luminii. Aceste particule nu ar trebui considerate bile clasice de biliard, ci particule mecanice cuantice descrise printr-o funcție de undă răspândită pe o regiune finită. Fiecare particulă poartă o cuantă de energie, egală cu hf, unde h este constanta lui Planck și f este frecvența luminii. Această energie posedată de un singur foton corespunde exact tranziției dintre nivelele de energie discrete

384 într-un atom (sau alt sistem) care a emis fotonul; absorbția materialului fotonului este procesul invers. Explicația lui Einstein despre emisia spontană a prezis, de asemenea, existența emisiei stimulate, principiul pe care se sprijină laserul. Cu toate acestea, invenția reală a maserului (și a laserului) mulți ani mai târziu a depins de o metodă de a produce o inversiune a populației. Utilizarea mecanicii statistice este fundamentală pentru conceptele de optică cuantică: Lumina este descrisă în termeni de operatori de câmp pentru crearea și anihilarea fotonilor - adică. în limbajul electrodinamicii cuantice. O stare frecvent întâlnită a câmpului luminii este starea coerentă, așa cum a fost introdusă de E. C. George Sudarshan în Această stare, care poate fi utilizată pentru a descrie aproximativ puterea unui laser cu o singură frecvență cu mult peste pragul laser, prezintă statistici ale numărului de fotoni poissonieni. Prin anumite interacțiuni neliniare, o stare coerentă poate fi transformată într-o stare coerentă comprimată, prin aplicarea unui operator de comprimare care poate prezenta statistici fotonice super- sau sub-poissoniene. O astfel de lumină se numește lumină comprimată. Alte aspecte cuantice importante sunt legate de corelațiile statisticilor fotonice dintre diferitele fascicule. De exemplu, conversia parametrică spontană poate genera așanumitele "raze gemene", unde (în mod ideal) fiecare foton al unui fascicul este asociat cu un foton din celălalt fascicul. Atomii sunt considerați oscilatori mecanici cuantici, cu un spectru discret de energie, cu tranzițiile dintre stările energetice proprii conduse de absorbția sau emisia de lumină conform teoriei lui Einstein. Pentru materia solidă, se utilizează modelele de bandă energetică a fizicii solidului. Acest lucru este important pentru a înțelege modul în care lumina este detectată de dispozitivele de stare solidă, utilizate în mod obișnuit în experimente. Electronica cuantică Tehnologia cuantică este un termen care a fost folosit în principal între anii 1950 și 1970 pentru a desemna domeniul fizicii care se ocupă de efectele

385 mecanicii cuantice asupra comportamentului electronilor în materie, împreună cu interacțiunile lor cu fotonii. Astăzi, acesta este rareori considerat un sub-domeniu în sine și a fost absorbit de alte domenii. Fizica solidului ia în mod regulat în considerare mecanica cuantică și, de obicei, este preocupată de electroni. Aplicațiile specifice ale mecanicii cuantice în electronică sunt cercetate în fizica semiconductorilor. Termenul cuprindea, de asemenea, procesele de bază ale operării cu laser, care astăzi este studiat ca subiect în optica cuantică. Folosirea termenului s-a suprapus studiului timpuriu privind efectul Hall cuantic și automatele celulare cuantice. Cuantificarea și constanta lui Planck În fizică, cuantificarea este procesul de tranziție de la o înțelegere clasică a fenomenelor fizice la o nouă înțelegere cunoscută sub numele de mecanica cuantică. Este o procedură pentru construirea unei teorii a câmpului cuantic pornind de la o teorie de câmp clasic. Aceasta este o generalizare a procedurii de construire a mecanicii cuantice din mecanica clasică. De asemenea, se vorbește despre cuantificarea câmpului, ca și în "cuantificarea câmpului electromagnetic", unde ne referim la fotoni ca și "cuante" de câmp (de exemplu, ca cuanta de lumină). Această procedură este fundamentală pentru teoriile fizicii particulelor, fizicii nucleare, fizicii materiei condensate și opticii cuantice. Metode de cuantificare Cuantificarea convertește câmpurile clasice în operatori care acționează asupra stărilor cuantice ale teoriei câmpului. Starea cea mai scăzută de energie se numește starea de vid. Motivul pentru cuantificarea unei teorii este deducerea proprietăților materialelor, obiectelor sau particulelor prin calcularea amplitudinilor cuantice, care pot fi foarte complicate. Astfel de calcule trebuie să se ocupe de anumite subtilități numite renormalizare, care, dacă sunt neglijate, pot duce deseori la rezultate fără sens, cum ar fi apariția infinităților în diverse amplitudini. Descrierea completă a unei proceduri de cuantificare necesită metode de renormalizare. Prima metodă care trebuie dezvoltată pentru cuantizarea teoriilor câmpului a fost cuantificarea canonică. În timp ce acest lucru este extrem de ușor de

386 implementat pe teorii suficient de simple, există multe situații în care alte metode de cuantificare produc proceduri mai eficiente pentru calculul amplitudinilor cuantice. Cu toate acestea, utilizarea cuantificării canonice a lăsat amprenta asupra limbii și interpretării teoriei câmpului cuantic. Cuantificarea canonică Cuantificarea canonică a unei teorii a câmpului este analogă cu construcția mecanicii cuantice din mecanica clasică. Câmpul clasic este tratat ca o variabilă dinamică numită coordonată canonică, iar derivata sa temporală este impulsul canonic. Se introduce o relație de comutație între acestea care este exact aceeași ca relația de comutație dintre poziția particulelor și impulsul din mecanica cuantică. Din punct de vedere tehnic, se transformă câmpul într-un operator, prin combinații de operatori de creație și anihilare. Operatorul câmpului acționează asupra stărilor cuantice ale teoriei. Starea cea mai scăzută de energie se numește starea de vid. Procedura este denumită și a doua cuantificare. Această procedură poate fi aplicată la cuantificarea oricărei teorii a câmpului: fie a fermionilor, fie a bosonilor, și cu orice simetrie internă. Cu toate acestea, aceasta conduce la o imagine destul de simplă a stării de vid și nu este ușor de aplicat în anumite teorii de câmp cuantic, cum ar fi cromodinamica cuantică despre care se știe că are un vid complicat caracterizat prin multe valori de așteptare ale vidului diferite. Constanta lui Planck

387 (Placă la Universitatea Humboldt din Berlin: "Max Planck, descoperitorul cuantei elementare a acțiunii h, a învățat în această clădire din 1889 până în

388 Constanta lui Planck (notată h) este o constantă fizică, cuanta acțiunii, centrală în mecanica cuantică. Mai întâi recunoscută în 1900 de Max Planck, ea a fost concepută ca o constantă de proporționalitate între creșterea minimă a energiei, E, a unui oscilator ipotetic încărcat electric într-o cavitate care conține radiația corpului negru și frecvența f a undelor sale electromagnetice asociate. În 1905, valoarea E, incrementul minim de energie al unui oscilator ipotetic, a fost teoretic asociat de Albert Einstein cu un element minimal "cuantic" al energiei undei electromagnetice însăși. Cuanta de lumină s-a comportat în unele privințe ca o particulă neutră din punct de vedere electric, spre deosebire de o undă electromagnetică. În cele din urmă a fost numită foton. Valoare Constanta Planck are dimensiuni ale acțiunii fizice; adică energia înmulțită cu timpul, sau impulsul înmulțit cu distanța, sau moment unghiular. În unitățile SI, constanta Planck este exprimată în joule-secunde (J s sau N m s sau kg m 2 s -1 ). Valoarea constantei Planck este: h = 6, (81) x J s = 4, (25) x ev s Valoarea redusă a constantei Planck (sau constanta Dirac) este: ħ = h/2π = 1, (13) J s/rad = 6, (40) ev s/rad Cele două cifre din paranteze reprezintă incertitudinea standard din ultimele două cifre ale valorii. Cifrele citate aici sunt valorile recomandate pentru CODATA 2014 pentru constante și incertitudinile lor. Rezultatele CODAT 2014 au fost puse la dispoziție în iunie 2015 și reprezintă cele mai cunoscute valori acceptate la nivel internațional pentru aceste constante, pe baza tuturor

389 datelor publicate la 31 decembrie Cifrele noi CODATA sunt în mod normal produse la fiecare patru ani. În iulie 2017, NIST a măsurat constanta Planck folosind instrumentul său de echilibrare Kibble la o precizie cu o incertitudine de numai 13 părți per miliard, obținând o valoare de (89) J s. Semnificația valorii Constanta lui Planck este legată de cuantificarea luminii și a materiei. Aceasta poate fi văzută ca o constantă la scară subatomică. Într-un sistem unitar adaptat la scalele subatomice, electronvolt este unitatea corespunzătoare de energie și petahertz unitatea corespunzătoare de frecvență. Sistemele atomice sunt bazate (în parte) pe constanta Planck. Valoarea numerică a constantei Planck depinde în întregime de sistemul de unități folosite pentru măsurarea ei. Când este exprimată în unități SI, este una dintre cele mai mici constante folosite în fizică. Aceasta reflectă faptul că pe o scară adaptată la oameni, unde energiile sunt în mod obișnuit de ordinul kilojoule, iar timpurile sunt în mod obișnuit de ordinul secundelor sau minutelor, constanta Planck (cuanta acțiunii) este foarte mică. Echivalent, micimea constantei Planck reflectă faptul că obiectele si sistemele de zi cu zi sunt făcute dintr-un număr mare de particule. De exemplu, lumina verde cu o lungime de undă de 555 nanometri (o lungime de undă care poate fi percepută de către ochiul uman) are o frecvență de 540 THz ( Hz). Fiecare foton are o energie E = hf = 3, J. Aceasta este o cantitate foarte mică de energie în ceea ce privește experiența de zi cu zi, dar experiența de zi cu zi nu se referă la fotoni individuali decât la atomi sau molecule individuale. O cantitate de lumină compatibilă cu experiența de zi cu zi este energia unui mol de fotoni; energia sa poate fi calculată prin înmulțirea energiei fotonice cu constanta Avogadro, N A mol -1. Rezultatul este că lumina verde a lungimii de undă de 555 nm are o energie de 216 kj/mol, o energie tipică a vieții cotidiene. Efectul fotoelectric

390 (Schema aparatului experimental pentru a demonstra efectul fotoelectric. Filtrul lasă să treacă de anumite lungimi de undă de la lampa din stânga. Lumina lovește electrodul curbat și se emit electroni. Tensiunea reglabilă poate fi mărită până când curentul nu mai trece. Această " tensiune de stopare" este o funcție numai a materialului electrodului și a frecvenței luminii incidente și nu este afectată de intensitatea luminii. Efectul fotoelectric este emisia de electroni sau alți purtători liberi când un material este iluminat. Electronii emiți în acest mod pot fi numite foto

391 electroni. Acest fenomen este frecvent studiat în fizica electronică, precum și în domeniile chimiei, cum ar fi chimia cuantică sau electrochimia. Conform teoriei electromagnetice clasice, acest efect poate fi atribuit transferului de energie de la lumină la un electron. Din această perspectivă, o modificare a intensității luminii ar induce modificări ale energiei cinetice a electronilor emiși de metal. În plus, în conformitate cu această teorie, o lumină suficient de slabă ar fi de așteptat să aibă o întârziere de timp între strălucirea inițială a luminii sale și emisia ulterioară a unui electron. Cu toate acestea, rezultatele experimentale nu au fost corelate cu nici una dintre cele două predicții făcute de teoria clasică. În schimb, electronii sunt dislocați numai prin impulsul dat de fotoni atunci când acești fotoni ating sau depășesc o frecvență (energie) de prag. Sub acest prag, nu sunt emiși electroni din material, indiferent de intensitatea luminii sau de durata expunerii la lumină (rareori un electron va scăpa prin absorbția a două sau mai multe cuante). Acest lucru este extrem de rar deoarece până să absoarbă suficiente cuante pentru a scăpa, electronul probabil va fi emis restul cuantei). Pentru a înțelege faptul că lumina poate ejecta electroni chiar dacă intensitatea lor este scăzută, Albert Einstein a propus ca un fascicul de lumină să nu fie o undă propagată prin spațiu, ci mai degrabă o colecție de pachete de undă discrete (fotoni), fiecare cu energie hν. Aceasta aruncă o lumină asupra descoperirii anterioare a lui Max Planck a relației lui Planck (E = hν) care leagă energia (E) și frecvența (ν) ca rezultând din cuantizarea energiei. Factorul h este cunoscut drept constanta Planck. În 1887, Heinrich Hertz a descoperit că electrozii iluminați cu lumină ultravioletă creează mai ușor scântei electrice. În 1900, în timp ce studia radiațiile corpului negru, fizicianul german Max Planck a sugerat că energia purtată de undele electromagnetice ar putea fi eliberată numai în "pachete" de energie. În 1905, Albert Einstein a publicat o lucrare care avansează ipoteza că energia luminoasă este purtată în pachete cuantificate discrete pentru a explica datele experimentale din efectul fotoelectric. Acest model a contribuit la dezvoltarea mecanicii cuantice. În 1914, experimentul lui Millikan sprijinea modelul Einstein al efectului fotoelectric. Einstein a primit Premiul Nobel în 1921 pentru "descoperirea legii efectului fotoelectric", iar Robert Millikan a primit Premiul Nobel în 1923 pentru "munca sa asupra sarcinii

392 elementare a energiei electrice și asupra efectului fotoelectric". Efectul fotoelectric necesită fotoni cu energii care se apropie de zero (în cazul afinității electron negative) până la peste 1 MeV pentru electronii de bază în elemente cu un număr mare de atomi. Emisia electronilor de conducție din metalele tipice necesită, de obicei, câteva electron-volți, corespunzând unei lumini vizibile sau ultraviolete cu lungime de undă scurtă. Studiul efectului fotoelectric a dus la pași importanți în înțelegerea naturii cuantice a luminii și a electronilor și a influențat formarea conceptului de dualitate a undăparticulă. Alte fenomene în care lumina afectează mișcarea sarcinilor electrice includ efectul fotoconductiv (cunoscut și ca fotoconductivitate sau fotorezistență), efectul fotovoltaic și efectul fotoelectrochimic. Fotoemisia poate apărea din la material, dar este ușor de observat la metale sau la alți conductori, deoarece procesul produce un dezechilibru al sarcinii și dacă acest dezechilibru nu este neutralizat de fluxul de curent (permis de conductivitate), bariera potențială a emisiilor crește până când curentul de emisie încetează. Este, de asemenea, obișnuit ca suprafața de emisie să fie în vid, deoarece gazele împiedică fluxul de fotoelectroni și îl fac dificil de observat. În plus, bariera energetică pentru fotoemisie este de obicei mărită de straturile de oxid subțire pe suprafețele metalice, în cazul în care metalul a fost expus la oxigen, astfel încât cele mai multe experimente practice și dispozitivele bazate pe efectul fotoelectric utilizează suprafețe metalice curate în vid. Când fotoelectronul este emis mai degrabă într-un solid decât în vid, este adesea folosit termenul de fotoemisie internă, iar emisia în vid se numește fotoemisie externă. Mecanismul de emisie Fotonii unui fascicul luminos au o energie caracteristică proporțională cu frecvența luminii. În procesul de fotoemisie, dacă un electron din anumite materiale absoarbe energia unui foton și dobândește mai multă energie decât lucrul mecanic de ieșire (energia de legare a electronilor) a materialului, acesta este evacuat. Dacă energia fotonilor este prea mică, electronul nu poate să scape din material. Deoarece o creștere a intensității luminii cu frecvență

393 joasă va crește numai numărul de fotoni cu energie redusă într-un anumit interval de timp, această schimbare a intensității nu va crea niciun singur foton cu suficientă energie pentru a disloca un electron. Astfel, energia electronilor emiși nu depinde de intensitatea luminii care intră, ci numai de energia (frecvența echivalentă) a fotonilor individuali. Este o interacțiune între fotonul incident și electronii extremi. Electronii pot absorbi energia din fotoni atunci când sunt iradiați, dar de obicei urmează un principiu "totul sau nimic". Toată energia dintr-un foton trebuie absorbită și folosită pentru a elibera un electron din legătura atomică sau altfel energia este re-emisă. Dacă energia fotonică este absorbită, o parte din energie eliberează electronul din atom, iar restul contribuie la energia cinetică a electronului ca o particulă liberă. Observații experimentale ale emisiei fotoelectrice Teoria efectului fotoelectric trebuie să explice observațiile experimentale ale emisiei de electroni de pe o suprafață metalică iluminată. Pentru un metal dat, există o anumită frecvență minimă de radiație incidentă sub care nu sunt emiși fotoelectroni. Această frecvență se numește frecvența de prag. Creșterea frecvenței fasciculului incident, menținând numărul fix al fotonilor incidenți (ceea ce ar duce la o creștere proporțională a energiei) mărește energia cinetică maximă a fotoelectronilor emiși. Astfel crește tensiunea de stopare. Numărul de electroni se modifică și din cauza probabilității ca fiecare foton să aibă ca rezultat un electron emis este o funcție a energiei fotonice. Dacă intensitatea radiației incidentate a unei frecvențe date este crescută, nu există niciun efect asupra energiei cinetice a fiecărui fotoelectron. Deasupra frecvenței de prag, energia cinetică maximă a fotoelectronului emis este dependentă de frecvența luminii incidente, dar este independentă de intensitatea luminii incidente, atâta timp cât aceasta nu este prea mare. Pentru un metal dat și o frecvență a radiațiilor incidentate, viteza la care sunt ejectați fotoelectronii este direct proporțională cu intensitatea luminii incidente. O creștere a intensității fasciculului incident (menținerea frecvenței

394 fixe) mărește magnitudinea curentului fotoelectric, deși tensiunea de stopare rămâne aceeași. Intervalul de timp dintre incidența radiațiilor și emisia unui fotoelectron este foarte mic, mai puțin de 10-9 secunde. Tendința direcției de distribuție a electronilor emiși este în direcția polarizării (direcția câmpului electric) a luminii incidente, dacă este polarizată liniar. Descrierea matematică În 1905, Einstein a propus o explicație a efectului fotoelectric folosind un concept prezentat pentru prima dată de Max Planck, că undele luminoase constau din pachete mici sau pachete de energie cunoscute sub numele de fotoni sau cuante.

395 (Diagrama energiei cinetice maxime în funcție de frecvența luminii pe zinc. Energia cinetică maximă K max a unui electron ejectat este dată de K max = hf - φ, unde h este constanta Planck și f este frecvența fotonului incident. Termenul φ este lucrul mecanic de extracție (uneori denumită W, sau ϕ), care dă energia minimă necesară pentru îndepărtarea unui electron delocalizat de pe suprafața metalului. Lucrul mecanic de extracție satisface relația φ = h f 0,

396 unde f 0 este frecvența de prag pentru metal. Energia cinetică maximă a unui electron ejectat este atunci K max = h (f - f 0 ). Energia cinetică este pozitivă, deci trebuie să avem f > f 0 pentru ca efectul fotoelectric să aibă loc. Utilizări și efecte Fotomultiplicatori Acestea sunt tuburi de vid extrem de sensibile la lumină, cu un fotocatod acoperit pe o parte (un capăt sau o parte) a interiorului anvelopei. Fotocatodul conține combinații de materiale cum ar fi cesiu, rubidiu și antimoniu, selectate special pentru a oferi un lucru mecanic de extracție mic, astfel încât atunci când este iluminat chiar și de nivele foarte scăzute de lumină, fotocatodul eliberează cu ușurință electroni. Prin intermediul unei serii de electrozi (dinode) la potențiale tot mai mari, acești electroni sunt accelerați și cresc substanțial în număr prin emisia secundară pentru a asigura un curent de ieșire ușor de detectat. Fotomultiplicatoarele sunt încă utilizate în mod obișnuit oriunde trebuie detectate nivele scăzute de lumină. Senzori de imagine Tuburile camerelor video în primele zile ale televiziunii au utilizat efectul fotoelectric, de exemplu, "disectorul de imagine" al lui Philo Farnsworth a folosit un ecran încărcat de efectul fotoelectric pentru a transforma o imagine optică într-un semnal electronic scanat. Electroscop cu frunză de aur

397 (Electroscop cu frunză de aur) Electroscoapele cu frunze de aur sunt proiectate pentru a detecta electricitatea statică. Sarcina plasată pe capacul metalic se răspândește pe tijă și pe frunza de aur a electroscopului. Pentru că au aceeași încărcătură, tulpina și frunza se resping reciproc. Aceasta va face ca frunza să se îndoaie față de tulpină. Un electroscop este un instrument important în ilustrarea efectului fotoelectric. De exemplu, în cazul în care electroscopul este încărcat negativ peste tot, există un exces de electroni și frunza este separată de tulpină. Dacă lumina de înaltă frecvență iluminează capacul de sus, electroscopul se descarcă și frunza va cădea flască. Acest lucru se datorează faptului că frecvența luminii care iluminează capacul este peste frecvența de prag a capacului. Fotonii din lumină au suficientă energie pentru a elibera electronii de pe capac, reducând încărcarea negativă. Aceasta va descărca un electroscop încărcat negativ și va încărca un electroscop pozitiv. Cu toate acestea, dacă radiația electromagnetică care lovește capacul metalic nu are o

398 frecvență suficient de mare (frecvența sa este sub valoarea de prag pentru capac), atunci frunza nu va fi descărcată niciodată, indiferent cât timp iluminează lumina de joasă frecvență capacul. Spectroscopie fotoelectronică Deoarece energia fotoelectronilor emiși este exact energia fotonului incident minus lucrul mecanic de extracție al materialului sau energia de legătură, lucrul mecanic de extracție al unei probe poate fi determinat prin bombardarea acesteia cu o sursă de raze X monocromatice sau o sursă UV și măsurarea distribuția energiei cinetice a electronilor emiși. Spectroscopia fotoelectronică se face, de obicei, într-un mediu cu vid înalt, deoarece electronii ar fi împrăștiați de moleculele de gaz dacă ar fi prezente. Cu toate acestea, unele companii vând acum produse care permit fotoemisii în aer. Sursa de lumină poate fi un laser, un tub de evacuare sau o sursă de radiație sincrotronică. Analizorul emisferic concentric este un analizor tipic de energie pentru electroni și utilizează un câmp electric pentru a schimba direcțiile electronilor incidenți, în funcție de energiile lor cinetice. Pentru fiecare element și nucleu (orbital atomic) va exista o altă energie de legătură. Mulți electroni creați din fiecare dintre aceste combinații vor apărea ca scântei la ieșirea analizorului și aceștia pot fi utilizați pentru a determina compoziția elementară a eșantionului. Nave spațiale Efectul fotoelectric va determina navele spațiale expuse la soare să dezvolte o sarcină pozitivă. Aceasta poate fi o problemă majoră, deoarece alte părți ale navei spațiale sunt în umbră, ceea ce va determina nava spațială să dezvolte o sarcină negativă din plasmele din apropiere. Dezechilibrul poate fi descărcat prin componente electrice delicate. Încărcarea statică creată de efectul fotoelectric se auto-limitează, deoarece un obiect încărcat mai mult nu renunță la electronii săi la fel de ușor ca un obiect încărcat mai puțin. Praful lunar

399 Lumina de la soare care lovește praful lunar provoacă încărcarea lui prin efectul fotoelectric. Praful încărcat se respinge apoi și se ridică de pe suprafața Lunii prin levitatie electrostatică. Aceasta se manifestă aproape ca o "atmosferă de praf", vizibilă sub forma unei nuanțe subțiri și estompare a trăsăturilor îndepărtate și este văzută ca o strălucire slabă după ce soarele a apus. Aceasta a fost fotografiată prima dată de sondele programului Surveyor în anii Se crede că cele mai mici particule sunt respinse la kilometri de la suprafață și că particulele se mișcă în "fântâni arteziene" în timp ce se încarcă și deversează. Dispozitive de vedere pe timp de noapte Fotonii care lovesc un strat subțire de metal alcalin sau material semiconductor, cum ar fi arsenid de galiu într-un tub de intensificare a imaginii, cauzează ejecția fotoelectronilor datorită efectului fotoelectric. Aceștia sunt accelerați de un câmp electrostatic în care lovesc un ecran acoperit cu fosfor, transformând electronii înapoi în fotoni. Intensificarea semnalului se realizează fie prin accelerarea electronilor, fie prin creșterea numărului de electroni prin emisii secundare, cum ar fi cu o placă cu microcanal. Uneori se folosește o combinație a celor două metode. Este nevoie de o energie cinetică suplimentară pentru a deplasa un electron din banda de conducție și în nivelul de vid. Aceasta este cunoscută sub numele de afinitatea electronică a fotocatodului, și reprezintă o altă barieră în calea fotoemisiei, pe lângă banda interzisă, explicată prin modelul de decalaj al benzilor. Unele materiale, cum ar fi arsenid de galiu, au o afinitate electronică eficientă care este sub nivelul benzii de conducție. În aceste materiale, electronii care se deplasează în banda de conducție sunt toți de energie suficientă pentru a fi emiși din material și ca atare, filmul care absoarbe fotoni poate fi destul de gros. Aceste materiale sunt cunoscute ca materiale de afinitate negativă pentru electroni. Dualitatea undă-particulă

400 (Louis de Broglie în De Broglie a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică pentru predicția că materia acționează ca o undă, făcută în teza sa de doctorat din 1924.) Dualitatea undă-particulă este conceptul mecanicii cuantice în care fiecare particulă sau entitate cuantică poate fi descrisă parțial nu doar ca particulă, ci și ca undă. Exprimă incapacitatea conceptelor clasice de "particulă" sau "undă" de a descrie pe deplin comportamentul obiectelor la scară cuantică. După cum a scris Albert Einstein:

401 Se pare că trebuie să folosim uneori o teorie și, uneori, pe cealaltă, în timp ce uneori putem folosi pe oricare. Ne confruntăm cu o nouă dificultate. Avem două imagini contradictorii ale realității; separat, niciuna dintre ele nu explică pe deplin fenomenul luminii, ci doar împreună o fac. Prin lucrările lui Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr și alții, teoria științifică actuală susține că toate particulele au și o natură de undă (și invers). Acest fenomen a fost verificat nu numai pentru particulele elementare, ci și pentru particulele componente cum ar fi atomii și chiar moleculele. Pentru particulele macroscopice, datorită lungimilor de undă extrem de scurte, proprietățile undelor de obicei nu pot fi detectate. Deși utilizarea dualității undă-particulă a funcționat bine în fizică, sensul sau interpretarea nu a fost rezolvată în mod satisfăcător. Bohr a considerat "paradoxul dualității" drept un fapt fundamental sau metafizic al naturii. Un anumit tip de obiect cuantic va prezenta uneori caracter de undă, alteori de particulă, în setări fizice diferite. El a văzut dualitatea ca un aspect al conceptului de complementaritate. Bohr a considerat renunțarea la relația cauză-efect sau complementaritate, a imaginii spațiu-timp, ca fiind esențială pentru mecanica cuantică. Werner Heisenberg a examinat întrebarea în continuare. El a văzut dualitatea ca prezentă pentru toate entitățile cuantice, dar nu chiar în raportul obișnuit mecanic cuantic considerat de Bohr. El a văzut-o în ceea ce se numește a doua cuantificare, care generează un concept complet nou de câmpuri care există în spațiu-timp obișnuit, cauzalitatea fiind încă vizualizabilă. Valorile câmpului clasic (de exemplu, intensitățile câmpului electric și magnetic al lui Maxwell) sunt înlocuite de un alt tip de valoare a câmpului, așa cum se consideră în teoria câmpului cuantic. Întorcând raționamentul, mecanica cuantică obișnuită poate fi dedusă ca o consecință specializată a teoriei câmpului cuantic. Tratamentul în mecanica cuantică modernă

402 Dualitatea undă-particulă este adânc încorporată în fundamentele mecanicii cuantice. În formalismul teoriei, toate informațiile despre o particulă sunt codificate în funcția de undă, o funcție complexă, aproximativ asemănătoare cu amplitudinea unei unde în fiecare punct din spațiu. Această funcție evoluează conform unei ecuații diferențiale (denumită generic ecuația Schrödinger). Pentru particulele cu masă, această ecuație are soluții care urmează forma ecuației de undă. Propagarea acestor unde duce la fenomene asemănătoare undelor, cum ar fi interferențele și difracția. Particulele fără masă, cum ar fi fotonii, nu au soluții ale ecuației Schrödinger, deci au o altă undă. Comportamentul asemănător cu particulelor este cel mai evident datorită fenomenelor asociate cu măsurarea în mecanica cuantică. La măsurarea locației particulei, particula va fi forțată într-o stare mai localizată, dată de principiul incertitudinii. Când privim prin acest formalism, măsurarea funcției de undă va "colapsa" la întâmplare, sau mai degrabă va ajunge "decoerentă", până la o funcție ascuțită de vârf la o anumită locație. Pentru particulele cu masă, probabilitatea de a detecta particula în orice loc specific este egală cu amplitudinea pătrată a funcției de undă de acolo. Măsurarea va reveni la o poziție bine definită, (sub rezerva incertitudinii), o proprietate asociată în mod tradițional cu particule. Este important de observat că o măsurătoare este doar un tip particular de interacțiune în care sunt înregistrate unele date, iar cantitatea măsurată este forțată într-o anumită stare proprie. Prin urmare, actul de măsurare nu este fundamental diferit de orice altă interacțiune. În urma dezvoltării teoriei câmpului cuantic, ambiguitatea a dispărut. Câmpul permite soluții care urmează ecuația undelor, care sunt denumite funcții de undă. Termenul de particulă este folosit pentru a eticheta reprezentările ireductibile ale grupului Lorentz care sunt permise de câmp. O interacțiune ca într-o diagramă Feynman este acceptată ca o aproximare care poate fi calculată convenabil în cazul în care ieșirile sunt cunoscute a fi simplificări ale propagării și liniile interne sunt pentru o anumită ordine într-o extindere a interacțiunii câmpului. Din moment ce câmpul este non-local și cuantificat, fenomenele care anterior au fost considerate paradoxuri sunt explicate. În limitele dualității undă-particulă teoria câmpului cuantic oferă aceleași rezultate.

403 Comportarea ca o undă a materiei a fost pentru prima dată demonstrată experimental pentru electroni: un fascicul de electroni poate prezenta difracție, la fel ca un fascicul de lumină sau un val de apă. Fenomene asemănătoare unor unde similare au fost prezentate mai târziu pentru atomi și chiar molecule. Lungimea de undă, λ, asociată cu orice obiect, este legată de impulsul său, p, prin constanta Planck, h: p = h λ. Relația, numită ipoteza de Broglie, este valabilă pentru toate tipurile de materie: toate materiile prezintă proprietăți ale particulelor și ale undelor. Conceptul dualității undă-particulă spune că nici conceptul clasic de "particulă", nici cel de "undă" nu poate descrie pe deplin comportamentul obiectelor la scală cuantică, fie fotoni, fie materie. Dualitatea undă-particulă este un exemplu al principiului complementarității în fizica cuantică. Vizualizare Există două modalități de a vizualiza comportamentul undă-particulă: prin "modelul standard" descris mai jos; și prin modelul Broglie-Bohm, unde nu este percepută nicio dualitate. Mai jos este o ilustrare a dualității undă-particulă, deoarece se referă la ipoteza lui de Broglie și principiul incertitudinii lui Heisenberg, în ceea ce privește funcțiile de undă ale poziției și impulsului pentru o particulă fără spin cu masă într-o singură dimensiune. Aceste funcții de undă sunt transformări Fourier între ele. Cu cât funcția de undă a poziției este mai localizată, cu atât este mai probabil ca particula să se găsească cu coordonatele poziției în acea regiune și, în consecință, funcția de undă în impuls-spațiu este mai puțin localizată, astfel încât componentele de impuls posibil ale particulei ar putea fi mai răspândite. Dimpotrivă, cu cât funcția de undă impuls-spațiu este mai localizată, cu atât este mai probabil ca particula să se găsească cu acele valori ale

404 componentelor de impuls în acea regiune și, în consecință, lfuncția de undă poziție-spațiu este mai puțin localizată, astfel încât poziția coordonatelor particulei ar putea ocupa o scară mai largă. (Poziția x și impulsul p al funcției de undă care corespunde particulelor cuantice. Opacitatea culorii (%) a particulelor corespunde densității de probabilitate de a găsi particula cu componenta poziției x sau a impulsului p. Sus: Dacă lungimea de undă λ este necunoscută, la fel sunt și impulsurile p, vectorul de undă k și energia E (relațiile de Broglie). Pe măsură ce particula este mai localizată în spațiul poziției, Δx este mai mic decât Δp x. Jos: Dacă λ este cunoscută, atunci sunt cunoscuți și p, k și E. Deoarece particula este mai localizată în spațiul impulsului, Δp este mai mic decât Δx.) Aplicarea la modelul Bohr De Broglie a extins modelul lui Bohr al atomului arătând că un electron pe orbită în jurul unui nucleu ar putea fi considerat ca având proprietăți

405 asemănătoare undelor. În special, un electron este observat numai în situații care permit o undă staționară în jurul unui nucleu. Un exemplu de undă staționară este o coardă de vioară, care este fixată la ambele capete și poate fi făcută să vibreze. Undele create de un instrument cu coarde par să oscileze pe loc, trecând de la amplitudinea maximă până la cea minimă într-o mișcare în sus și în jos. Lungimea de undă a unei unde staționare este legată de lungimea obiectului vibrator și de condițiile limită. De exemplu, deoarece coarda de vioară este fixată la ambele capete, aceasta poate purta unde staționare de lungimi de undă 2l/n, unde l este lungimea și n este un număr întreg pozitiv. De Broglie a sugerat că orbitele permise pentru electroni au fost cele pentru care circumferința orbitei ar fi un număr întreg de lungimi de undă. Lungimea de undă a electronului determină deci că sunt posibile doar orbite Bohr de anumite distanțe față de nucleu. La rândul său, la orice distanță de nucleul mai mic decât o anumită valoare, ar fi imposibil să se stabilească o orbită. Distanța minimă posibilă de nucleu se numește raza Bohr. Tratamentul lui de Broglie cu privire la evenimentele cuantice a servit drept punct de plecare pentru Schrödinger atunci când a început să construiască o ecuație de undă pentru a descrie evenimentele teoretice cuantice. Experimentul celor două fante

406 (Fotonii sau particulele de materie (la fel ca electronii) produc o rețea de unde atunci când se utilizează două fantei. În fizica modernă, experimentul celor două fante este o demonstrație a faptului că lumina și materia pot prezenta caracteristici ale undelor și particulelor definite clasic; în plus, afișează natura fundamental probabilistă a fenomenelor mecanice cuantice. Experimentul original a fost realizat de Davisson și Germer în Experimentul celor două fante a fost realizat pentru prima dată de către Thomas Young în Experimentul său făcea parte din fizica clasică, cu mult înainte de mecanica cuantică și conceptul de dualitate a undelor și particulelor. El a crezut că a demonstrat că teoria undelor luminoase a fost corectă, iar experimentul său este uneori menționat ca experimentul lui Young sau fantele lui Young. Experimentul face parte dintr-o clasă generală a experimentelor "căii duble", în care o undă este împărțită în două unde separate, care ulterior se combină

407 într-un singur val. Schimbările în lungimile căilor ambelor valuri determină o schimbare de fază, creând un model de interferență. O altă versiune este interferometrul Mach-Zehnder, care împarte fasciculul cu o oglindă. În versiunea de bază a acestui experiment, o sursă de lumină coerentă, cum ar fi un fascicul laser, luminează o placă străpunsă de două fante paralele, iar lumina care trece prin fante este observată pe un ecran în spatele plăcii. Natura luminoasă a luminii determină ca undele luminoase care trec prin cele două fante să interfereze, producând benzi luminoase și întunecate pe ecran - un rezultat care nu ar fi de așteptat dacă lumina ar fi constituită din particule clasice. Cu toate acestea, lumina este întotdeauna observată ca fiind absorbită de ecran în puncte discrete, ca particule individuale (nu unde), modelul de interferență care apare prin densitatea variabilă a acestor incidențe de particule pe ecran. Mai mult, versiunile experimentului care includ detectorii la fante arată că fiecare foton detectat trece printr-o singură fanta (ca și o particulă clasică) și nu prin ambele fante (așa cum ar fi o undă). Totuși, astfel de experimente demonstrează că particulele nu formează modelul de interferență dacă se detectează prin care fante trec. Aceste rezultate demonstrează principiul dualității undă-particulă. Alte entități la scară atomică, cum ar fi electronii, se constată că prezintă același comportament când sunt îndreptate către o fantă dublă. În plus, se constată că detectarea impacturilor individuale discrete este inerent probabilistă, ceea ce este inexplicabil folosind mecanica clasică. Experimentul se poate face cu entități mult mai mari decât electronii și fotonii, deși devine mai dificilă pe măsura creșterii dimensiunii. Cele mai mari entități pentru care a fost efectuat experimentul cu două fante au fost molecule care fiecare cuprindeau 810 de atomi (a căror masă totală era de peste de unități de masă atomică). Experimentul celor două fante (și variațiile sale) a devenit un experiment clasic de gândire, pentru claritatea sa în exprimarea puzzle-urilor centrale ale mecanicii cuantice. Pentru că demonstrează limitarea fundamentală a capacității observatorului de a prezice rezultatele experimentale, Richard Feynman l-a numit "un fenomen care este imposibil [...] să explice în orice mod clasic și care are în el inima mecanicii cuantice. În realitate, el conține singurul mister [al mecanicii cuantice]."

408 Prezentare generală (Același ansamblu de două fante (0,7 mm între fante); în imaginea de sus, o fantă este blocată. În imaginea cu o singură fasntă, se formează un model de difracție (petele slabe de pe ambele părți ale benzii principale) a fantei. O diagramă de difracție este de asemenea observată în imaginea cu două fante, dar la dublul intensității și cu adăugarea mai multor franjuri de interferență. Dacă lumina a constat strict din particule obișnuite sau clasice, iar aceste particule au fost direcționate în linie dreaptă printr-o fantă și lăsate să

409 lovească un ecran de cealaltă parte, ne-am aștepta să vedem un model corespunzător mărimii și formei fantei. Cu toate acestea, atunci când se efectuează acest experiment "cu o singură fantă", modelul de pe ecran este un model de difracție în care lumina este împrăștiată. Cu cât fanta este mai mică, cu atât este mai mare unghiul de răspândire. Partea superioară a imaginii prezintă porțiunea centrală a modelului format atunci când un laser roșu luminează o fantă și, dacă ne uităm atent, se văd două benzi laterale slabe. Mai multe benzi pot fi văzute cu un aparat mai sensibil. Difracția explică faptul că modelul este rezultatul interferenței undelor luminoase din fantă. (Simularea unei funcții de undă a particulelor: experiment cu două fante. Blurul alb reprezintă particula. Cu cât pixelul este mai alb, cu atât este mai mare probabilitatea de a găsi o particulă în acel loc dacă este măsurată: Dacă se luminează două fante paralele, lumina din cele două fante intervine din nou. Aici interferența este un model mai pronunțat, cu o serie de benzi alternante de lumină și întunecate. Lățimea benzilor este o proprietate a frecvenței luminii incidente. (Vezi fotografia de jos spre dreapta). Când Thomas Young ( ) a demonstrat pentru prima dată acest fenomen, el a indicat că lumina constă în unde, deoarece distribuția luminozității poate fi explicată prin interferența alternativă aditivă și subtractivă a fronturilor de undă. Experimentul lui Young, realizat la începutul anilor 1800, a jucat un rol esențial în acceptarea teoriei ondulatorii a luminii, învingând teoria corpusculară a luminii propusă de Isaac Newton, modelul acceptat de propagare a luminii în secolele 17 și 18. Cu toate acestea, descoperirea ulterioară a efectului fotoelectric a demonstrat că, în condiții diferite, lumina se poate comporta ca și cum ar fi compusă din particule discrete. Aceste descoperiri aparent contradictorii au făcut necesară depășirea fizicii clasice și luarea în considerare a naturii cuantice a luminii. Lui Feynman îi plăcea să spună că toate mecanicile cuantice pot fi obținute din gândirea atentă a implicațiilor acestui experiment unic. De asemenea, el a propus (ca un experiment de gândire) că dacă detectoarele ar fi plasate înaintea fiecărei fante, modelul de interferență ar dispărea. Relația duală Englert-Greenberger oferă un tratament detaliat al matematicii interferenței cu două fante în contextul mecanicii cuantice.

410 Un experiment cu fantă dublă cu intensitate redusă a fost efectuat pentru prima dată de G. I. Taylor în 1909, prin reducerea nivelului de lumină incidentă până când cele mai multe evenimentele de emisie/absorbție fotonică nu au mai fost suprapuse. Un experiment cu două fante nu a fost realizat cu nimic altceva în afară de lumină până în 1961, când Claus Jönsson de la Universitatea din Tübingen l-a efectuat cu fascicule de electroni. În 1974, fizicienii italieni Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli și Giulio Pozzi au repetat experimentul folosind doar câte un singur electron și biprismă (în loc de fante), arătând că fiecare electron interferă cu el însuși așa cum a fost prezis de teoria cuantică. În 2002, versiunea cu un singur electron a experimentului a fost votată ca "cel mai frumos experiment" de către cititorii Universității de Fizică. Interpretările experimentului Ca și experimentul gândit al pisicii lui Schrödinger, experimentul cu două fante este adesea folosit pentru a evidenția diferențele și asemănările dintre diferitele interpretări ale mecanicii cuantice. Interpretarea de la Copenhaga Interpretarea de la Copenhaga, prezentată de unii dintre pionierii din domeniul mecanicii cuantice, afirmă că nu este de dorit să punem în practică nimic care depășește formulele matematice și tipurile de aparate și reacții fizice care ne permit să dobândim o cunoaștere a ceea ce se întâmplă pe scara atomică. Unul dintre construcțiile matematice care permite experimentatorilor să prezică foarte precis anumite rezultate experimentale este uneori numit o undă de probabilitate. În forma matematică, este analogă descrierii unei unde fizice, dar "maximele" și "minimele" ei indică niveluri de probabilitate pentru apariția anumitor fenomene (de exemplu, o scânteie de lumină la un anumit punct de pe un ecran detector) care pot fi observate în lumea macro a experienței umane obișnuite. Unda de probabilitate se poate spune că "trece prin spațiu" deoarece valorile de probabilitate care se pot calcula din reprezentarea matematică depind de timp. Nu se poate vorbi despre localizarea oricărei particule, cum ar fi un foton, între momentul emiterii și timpul în care este detectat, pentru

411 că, pentru a spune că ceva este localizat undeva la un moment dat, trebuie să fie detectat. Cerința pentru eventuala apariție a unui model de interferență este aceea că particulele sunt emise și că există un ecran cu cel puțin două căi distincte pe care particulele să se poată deplasa de la emițător la ecranul de detecție. Experimentele nu observă nimic între momentul emisiei particulei și sosirea acesteia pe ecranul de detecție. Dacă o monitorizare a razei este făcută în cazul în care o undă de lumină (așa cum se înțelege în fizica clasică) este suficient de larg pentru a străbate ambele căi, atunci acea monitorizare a razei va prezice cu acuratețe aspectul maximelor și minimelor pe ecranul detectorului atunci când multe particule trec prin aparatul și "creează" treptat modelul de interferență așteptat. Formularea integrală a căii

412 (Una dintr-un număr infinit de căi la fel de probabile folosite în integrala căii Feynman.

413 Interpretarea de la Copenhaga este similară cu formularea integrală a căii a mecanicii cuantice furnizată de Feynman. Formularea integrală a căii înlocuiește noțiunea clasică a unei singure traiectorii unice pentru un sistem, cu o sumă peste toate traiectoriile posibile. Traiectoriile sunt unite prin integrala funcțională. Fiecare cale este considerată la fel de probabilă și contribuie astfel cu aceeași valoare. Cu toate acestea, faza acestei contribuții la un anumit punct de-a lungul căii este determinată de acțiunea de-a lungul căii: A cale (x,y,z,t) = e is(x,y,z,t) Toate aceste contribuții sunt apoi adunate împreună, iar mărimea rezultatului final este ridicat la pătrat, pentru a obține repartizarea probabilității pentru poziția unei particule: p(x,y,z,t) α toate căile e is(x,y,z,t) 2 Așa cum este întotdeauna cazul când se calculează probabilitatea, rezultatele trebuie apoi normalizate prin impunerea: tot spațiul p (x, y, z, t) dv = 1 Pentru a rezuma, distribuția probabilității rezultatului este pătratul normalizat al normei suprapunerii, pe toate căile de la punctul de origine până la punctul final, a undelor care se propagă proporțional cu acțiunea de-a lungul fiecărei căi. Diferențele în acțiunea cumulativă de-a lungul căilor diferite (și astfel, fazele relative ale contribuțiilor) generează modelul de interferență observat de experimentul cu două fante. Feynman a subliniat că formula lui este doar o descriere matematică, nu o încercare de a descrie un proces real pe care îl putem măsura. Interpretarea relațională Conform interpretării relaționale a mecanicii cuantice, inițial propusă de Carlo Rovelli, observațiile ca cele din experimentul cu dublă fantă rezultă în mod special din interacțiunea dintre observator (dispozitivul de măsurare) și

414 obiectul observat (cu care interacționează fizic), nu orice proprietatea absolută posedată de obiect. În cazul unui electron, dacă este inițial "observat" la o anumită fantă, atunci interacțiunea observator-particulă (foton-electron) include informații despre poziția electronului. Acest lucru împiedică parțial locația eventuală a particulei de pe ecran. Dacă se observă (măsurată cu un foton) nu la o anumită fantă, ci mai degrabă la ecran, atunci nu există nicio informație despre "ce cale" a luat ca parte a interacțiunii, astfel încât poziția electronică "observată" pe ecran este determinată strict prin funcția sa de probabilitate. Acest lucru face ca modelul rezultat pe ecran să fie același ca și cum fiecare electron ar fi trecut prin ambele fante. De asemenea, s-a sugerat că spațiul și distanța sunt relaționale și că un electron poate părea să fie în "două locuri simultan" - de exemplu, la ambele fante - deoarece relațiile sale spațiale cu anumite puncte de pe ecran rămân identice cu ambele locații ale fantelor. Interpretarea multiplelor-lumi Fizicianul David Deutsch argumentează în cartea sa Fabrica realității că experimentul cu două fante este o dovadă a interpretării multiplelor-lumi. Difracția electronilor În discursul său din 1924 Recherches sur la théorie des quanta, fizicianul francez Louis de Broglie a emis ipoteza că toată materia poate fi reprezentată ca o undă de Broglie ca lumina. Aceasta înseamnă că, în condiții adecvate, electronii și alte materii ar arăta proprietăți corpusculare sau ondulatorii. Proprietățile corpusculare ale unei particule sunt demonstrate atunci când se dovedește a avea o poziție localizată în spațiu de-a lungul traiectoriei sale la un moment dat. Proprietățile ondulatorii asemănătoare luminii apar, de exemplu, când un fascicul de lumină este trecut prin fante paralele, creând astfel modele de interferență. În 1927, George Paget Thomson, a descoperit că efectul de interferență a fost produs atunci când un fascicul de electroni a fost trecut prin foi metalice subțiri, iar fizicienii americani Clinton Davisson și Lester Germer au evidențiat reflectarea electronilor dintr-un cristal de nichel.

415 (În mecanica cuantică, comportamentul unui electron într-un atom este descris de o orbită, care este o distribuție de probabilitate mai degrabă decât

416 o orbită. În figură, umbrirea indică probabilitatea relativă de a găsi electronul, având energia corespunzătoare numerelor cuantice date, în acest punct. Predicția lui de Broglie despre o natură ondulatorie a electronilor a determinat pe Erwin Schrödinger să postuleze o ecuație de undă pentru electronii care se mișcă sub influența nucleului din atom. În 1926, această ecuație, ecuația Schrödinger, descrie cu succes modul în care se propagă undele electronice. Mai degrabă decât să rezulte o soluție care determină localizarea unui electron în timp, această ecuație de undă poate fi de asemenea folosită pentru a prezice probabilitatea de a găsi un electron în apropierea unei poziții, în special a unei poziții apropiate de locul unde electronul se găsea în spațiu, pentru care ecuațiile de undă a electronului nu s- a schimbat în timp. Această abordare a condus la o a doua formulare a mecanicii cuantice (prima de către Heisenberg în 1925) și soluțiile ecuației lui Schrödinger, ca și la Heisenberg, au oferit derivări ale stărilor energetice ale unui electron într-un atom de hidrogen echivalente cu cele derivate mai întâi de către Bohr în 1913, și despre care se știa că reproduc spectrul de hidrogen. Odată ce spinul și interacțiunea dintre mai mulți electroni au fost descrise, mecanica cuantică a făcut posibilă prezicerea configurației electronilor în atomi cu numere atomice mai mari decât hidrogenul. În 1928, pe baza lucrării lui Wolfgang Pauli, Paul Dirac a dezvoltat un model al electronului - ecuația Dirac, conform teoriei relativității, prin aplicarea unor considerații relativiste și simetrice la formularea hamiltoniană a mecanicii cuantice a câmpului electromagnetic. Pentru a rezolva unele probleme în cadrul ecuației sale relativiste, Dirac a dezvoltat în 1930 un model al vidului ca o mare infinită de particule cu energie negativă, denumită mai târziu marea Dirac. Acest lucru l-a determinat să prezică existența unui pozitron, omologul de antimaterie al electronului. Această particulă a fost descoperită în 1932 de către Carl Anderson, care a propus ca electronii standard să fie numiți negatoni și să se utilizeze termenul generic electron pentru a descrie atât variantele încărcate pozitiv, cât și negativ. În 1947, Willis Lamb, care lucra în colaborare cu Robert Retherford, a descoperit că anumite stări cuantice ale atomului de hidrogen, care ar trebui să aibă aceeași energie, au fost schimbate în relație una cu cealaltă, diferența

417 fiind numită comutarea Lamb. În același timp, Polykarp Kusch, colaborând cu Henry M. Foley, a descoperit că momentul magnetic al electronului este puțin mai mare decât a prezis teoria lui Dirac. Această mică diferență a fost denumită mai târziu moment anormal de dipol magnetic al electronului. Această diferență a fost explicată mai târziu de teoria electrodinamicii cuantice, dezvoltată de Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger și Richard Feynman la sfârșitul anilor '40. Proprietăți cuantice Ca și în cazul tuturor particulelor, electronii pot acționa ca unde. Aceasta se numește dualitatea undă-particulă, și poate fi demonstrată utilizând experimentul cu două fante. Natura ondulatorie a electronului îi permite să treacă simultan prin două fante paralele, mai degrabă decât o singură fantă, cum ar fi cazul unei particule clasice. În mecanica cuantică, proprietatea ondulatorie a unei particule poate fi descrisă matematic ca o funcție complexă, funcția de undă, desemnată în mod obișnuit prin litera greacă psi (ψ). Când valoarea absolută a acestei funcții este pătrată, ea dă probabilitatea ca o particulă să fie observată în apropierea unei locații - o densitate de probabilitate.

418 (Exemplu de funcție de undă antisimetrică pentru o stare cuantică a doi fermioni identici într-o cutie unidimensională. Dacă particulele schimbă reciproc pozițiile, funcția de undă își inversează semnul. Electronii sunt particule identice deoarece nu pot fi deosebite una de cealaltă prin proprietățile lor fizice intrinseci. În mecanica cuantică, aceasta înseamnă că o pereche de electroni care interacționează trebuie să poată schimba pozițiile fără o schimbare observabilă a stării sistemului. Funcția de undă a fermionilor, inclusiv a electronilor, este antisimetrică, ceea ce înseamnă că se schimbă semnul când se schimbă doi electroni între ei; adică, ψ(r 1,r 2 ) = -

419 ψ(r 2,r 1 ), unde variabilele r 1 și r 2 corespund, respectiv, primului și celui de-al doilea electron. Deoarece valoarea absolută nu este modificată de o schimbare de semn, aceasta corespunde probabilităților egale. Bozonii, cum ar fi fotonul, au în schimb funcții de undă simetrice. În cazul antisimetriei, soluțiile ecuației de undă pentru interacționarea electronilor au ca rezultat o probabilitate zero ca fiecare pereche va ocupa aceeași locație sau stare. Aceasta este responsabilă de principiul excluziunii Pauli, care exclude orice doi electroni de la ocuparea aceleiași stări cuantice. Acest principiu explică multe dintre proprietățile electronilor. De exemplu, determină grupuri de electroni legați să ocupe diferite orbite într-un atom, mai degrabă decât să se suprapună reciproc pe aceeași orbită. Difracția electronilor Difracția electronilor se referă la natura ondulatorie a electronilor. Cu toate acestea, din punct de vedere tehnic sau practic, aceasta poate fi privită ca o tehnică folosită pentru a studia materia prin trimiterea electronilor la o probă și observarea modelului de interferență rezultat. Acest fenomen este cunoscut în mod obișnuit ca dualitatea undă-particulă, care afirmă că o particulă de materie (în acest caz, electronul incident) poate fi descrisă ca o undă. Din acest motiv, un electron poate fi privit ca o undă la fel ca undele sunetului sau apei. Această tehnică este similară cu difracția cu raze X și cu neutroni. Distracția electronică este utilizată cel mai frecvent în fizica solidului și chimie pentru a studia structura cristalină a solidelor. Experimentele sunt efectuate, de obicei, într-un microscop cu transmisie electronică sau un microscop electronic de scanare ca difracție a electronilor retrodifuzați. În aceste instrumente, electronii sunt accelerați de un potențial electrostatic pentru a obține energia dorită și a determina lungimea de undă înainte de a interacționa cu proba de analizat. Structura periodică a unui solid cristalin acționează ca o rețea de difracție, împrăștiind electronii într-un mod previzibil. Revenind din modelul de difracție observat, este posibil să se deducă structura cristalului care produce modelul de difracție. Cu toate acestea, tehnica este limitată de problema fazelor.

420 În afară de studiul cristalelor, și anume cristalografia electronică, difracția electronilor este, de asemenea, o tehnică utilă pentru studierea ordinii de interval scurt a solidelor amorfe și a geometriei moleculelor gazoase. Interacțiunea electronilor cu materia Spre deosebire de alte tipuri de radiații folosite în studiile de difracție a materialelor, cum ar fi razele X și neutronii, electronii sunt particule încărcate și interacționează cu materia prin forțele Coulomb. Acest lucru înseamnă că electronii incidenți simt influența atât a nucleelor atomice încărcate pozitiv, cât și a electronilor din jur. În comparație, razele X interacționează cu distribuția spațială a electronilor de valență, în timp ce neutronii sunt împrăștiați de nucleele atomice prin forțele nucleare puternice. În plus, momentul magnetic al neutronilor este diferit de zero și, prin urmare, sunt împrăștiați de câmpuri magnetice. Datorită acestor diferite forme de interacțiune, cele trei tipuri de radiații sunt potrivite pentru studii diferite. Microscop cu electroni de transmisie Distracția electronilor solidelor se efectuează, de obicei, într-un microscop cu electroni de transmisie, unde electronii trec printr-o peliculă subțire a materialului care urmează să fie studiat. Modelul de difracție rezultat este apoi observat pe un ecran fluorescent, înregistrat pe film fotografic, pe plăci de imagistică sau utilizând o cameră CCD. Principiul incertitudinii Să presupunem că vrem să măsuram poziția și viteza unui obiect - de exemplu o mașină care trece pe lângă un radar al poliției. Se poate presupune că mașina are o poziție și o viteză precisă la un moment dat în timp. Cât de precis pot fi măsurate aceste valori depinde de calitatea echipamentului de măsurare. Dacă precizia echipamentului de măsurare este îmbunătățită, acesta oferă un rezultat mai aproape de valoarea reală. S-ar putea presupune că viteza mașinii și poziția acesteia ar putea fi definite operațional și măsurate simultan, exact așa cum ar fi de dorit.

421 (Werner Heisenberg la vârsta de 26 de ani. Heisenberg a câștigat Premiul Nobel pentru Fizică în 1932 pentru munca pe care a făcut-o în acea perioadă.) În 1927, Heisenberg a demonstrat că această ultimă ipoteză nu este corectă. Mecanica cuantică arată că anumite perechi de proprietăți fizice, cum ar fi de exemplu poziția și viteza, nu pot fi măsurate simultan, nici definite în termeni operaționali, cu o precizie arbitrară: cu cât este măsurată sau definită o proprietate în termeni operaționali mai precis, cu atât mai puțin precis poate fi măsurat celălalt. Această declarație este cunoscută ca principiul incertitudinii. Principiul incertitudinii nu este doar o afirmație privind precizia echipamentului nostru de măsurare, ci, mai profund, este vorba de natura conceptuală a cantităților măsurate - presupunerea că mașina are definite simultan poziția și viteza nu este valabilă în mecanica cuantică. La scara mașinilor și oamenilor, aceste incertitudini sunt neglijabile, dar atunci când se lucrează cu atomi și electroni devin critice.

422 Heisenberg a dat, ca ilustrare, măsurarea poziției și a impulsului unui electron folosind un foton de lumină. În măsurarea poziției electronilor, cu cât frecvența fotonului este mai mare, cu atât este mai precisă măsurarea poziției impactului fotonului cu electronul, dar cu atât este mai mare perturbația electronului. Acest lucru se datorează faptului că, datorită impactului cu fotonul, electronul absoarbe o cantitate aleatorie de energie, ceea ce face ca măsurarea obținută a impulsului să devină din ce în ce incertă (impulsul este viteza înmulțită cu masa), pentru că este necesar să se măsoare în mod necesar impulsul său distorsionat după impact produse de coliziune și nu impulsul inițial. Cu un foton de frecvență mai mică, perturbarea (și, prin urmare, incertitudinea) în impuls este mai mică, dar și acuratețea măsurării poziției impactului este mai mică. Principiul incertitudinii arată matematic că produsul incertitudinii în poziția și impulsul particulei (impulsul este viteza înmulțită cu masa) nu ar putea fi niciodată mai mică decât o anumită valoare și că această valoare este legată de constanta lui Planck. Definire În mecanica cuantică, principiul incertitudinii, cunoscut și sub numele de principiul incertitudinii lui Heisenberg sau principiul indeterminării lui Heisenberg, este oricare dintre o varietate de inegalități matematice care afirmă o limită fundamentală a preciziei cu care anumite perechi de proprietăți fizice ale unei particule, cunoscute ca variabile complementare, cum ar fi poziția x și impulsul p, pot fi cunoscute. Prezentată mai întâi în 1927, de către fizicianul german Werner Heisenberg, se afirmă cu cât este determinată mai exact poziția unor particule, cu atât mai puțin poate fi cunoscut momentul său, și invers. Inegalitatea formală referitoare la abaterea standard a poziției σ x și abaterea standard a impulsului σ p a fost derivată de Earle Hesse Kennard mai târziu în acel an și de Hermann Weyl în 1928: σ x σ p ħ/2 (ħ este constanta lui Planck redusă, h/(2π)).

423 Din punct de vedere istoric, principiul incertitudinii a fost confundat cu un efect oarecum similar în fizică, numit efectul observatorului, care constată că măsurătorile anumitor sisteme nu pot fi făcute fără a afecta sistemele, adică fără a schimba ceva într-un sistem. Heisenberg a folosit un astfel de efect de observație la nivelul cuantic ca o "explicație" fizică a incertitudinii cuantice. De atunci a devenit mai clar că principiul incertitudinii este inerent proprietăților tuturor sistemelor de tip undă și că apare în mecanica cuantică datorită naturii ondulatorii a tuturor obiectelor cuantice. Astfel, principiul incertitudinii afirmă de fapt o proprietate fundamentală a sistemelor cuantice și nu este o declarație despre succesul observator al tehnologiei actuale. Trebuie subliniat faptul că măsurarea nu înseamnă doar un proces în care participă un observator fizic, ci mai degrabă orice interacțiune între obiectele clasice și cuantice, indiferent de orice observator. Deoarece principiul incertitudinii este un rezultat de bază în mecanica cuantică, experimentele tipice în mecanica cuantică țin cont în mod obișnuit aspecte ale acesteia. Cu toate acestea, anumite experimente pot testa în mod deliberat o formă particulară a principiului incertitudinii ca parte a programului lor principal de cercetare. Acestea includ, de exemplu, teste ale relațiilor de incertitudine în fază-număr în sisteme superconductoare sau optice cuantice. Aplicațiile care depind de principiul incertitudinii în funcționarea lor includ tehnologia cu zgomot extrem de scăzut, cum este cea necesară pentru interferometrele cu unde gravitaționale. Utilizare

424 (Evoluția unei funcții de undă gaussiană foarte localizată inițial a unei particule libere în spațiul bidimensional, cu fază și amplitudine indicatoare de culoare și intensitate. Împrăștierea funcției de undă în toate direcțiile arată că impulsul inițial are o împrăștiere de valori, nemodificată în timp; în timp ce împrăștierea în poziție crește în timp: ca rezultat, incertitudinea ΔxΔp crește în timp.) Principiul incertitudinii nu este ușor de observat la scara macroscopică a experienței de zi cu zi. Prin urmare, este util să demonstrăm modul în care se aplică situațiilor fizice mai ușor de înțeles. Două cadre alternative pentru fizica cuantică oferă explicații diferite pentru principiul incertitudinii. Imaginea mecanicii ondulatorii a principiului incertitudinii este mai intuitivă din punct de vedere vizual, însă imaginea mai abstractă a mecanicii