LUMINA - Emisiile de lumina

LUMINA

Lumina alba descompusa in culori cu ajutorul unei prisme transparente. Un fascicul de lumina alba intra in prisma din partea dreapta si dupa doua refractii iese prin partea stinga cu o orientare diferita, separat in culorile curcubeului. In aceasta fotografie se mai pot observa si cel putin doua reflexii.

Lumina este stimulul care actionind asupra retinei din ochi produce la omul sanatos senzatia vizuala. Din punct de vedere fizic, lumina este o radiatie electromagnetica; pentru a fi perceputa de om ea trebuie sa aiba anumite caracteristici: frecventa trebuie sa fie cuprinsa intre limitele sensibilitatii vizuale ale receptorilor fotosensibili din retina, iar intensitatea trebuie sa depaseasca pragul de sensibilitate al acestora. In sens larg se poate folosi termenul de 'lumina' si pentru radiatii electromagnetice invizibile pentru om, ca de exemplu lumina infrarosie sau cea ultravioleta Lumina impreuna cu temperatura face parte din factorii ecologici.

Atit lumina provenind direct de la o sursa de lumina, cit si cea transmisa, reflectata, imprastiata sau difractata de diferite corpuri, are pentru ochiul uman o serie de caracteristici, printre care:

intensitate luminoasa, determinata de puterea transportata de radiatie si de sensibilitatea retinei;

culoare, determinata de spectrul de frecvente ale radiatiei incidente pe retina;

polarizare, determinata de planurile sau planul de oscilatie al undelor electromagnetice;

coerenta, determinata de faza oscilatiilor.

Caracteristici fizice ale luminii

Undele electromagnetice, deci si lumina vizibila, se compun dintr-un cimp electric si unul magnetic, orientate perpendicular unul pe celalalt, amindoua variabile in timp si spatiu, si care se genereaza reciproc. Variatia acestor cimpuri este in general periodica atit in timp cit si in spatiu; perioada de repetare temporala a oscilatiilor este inversul matematic al frecventei cimpului electromagnetic respectiv; perioada spatiala este numita lungime de unda. Aceste doua caracteristici sint legate intre ele prin intermediul vitezei de propagare a undei (v. viteza luminii). Frecventa undelor electromagnetice nu depinde de mediul in care se propaga acestea. In schimb, lungimea de unda depinde de viteza de propagare a undei intr-un mediu dat, astfel incit aceeasi unda trecind dintr-un mediu in altul va suferi variatii ale lungimii de unda, conform relatiei:

,

unde este viteza de propagare a undei in mediul respectiv. Cind se descrie o radiatie electromagnetica prin lungimea sa de unda trebuie deci precizat si mediul in care se propaga unda; in lipsa acestei precizari se va subintelege ca este vorba de lungimea de unda in vid. Aceasta este aproximativ egala cu lungimea de unda in aer, cu o eroare acceptabila in multe situatii practice.

Undele electromagnetice reale se pot descompune in unde elementare cu urmatoarele caracteristici:

frecventa: aceasta frecventa unica determina in cazul luminii vizibile culoarea perceputa de ochi. Culorile undelor elementare sint pure, si niciodata nu se intilnesc in natura. Lumina produsa de laseri, cea obtinuta prin separarea luminii albe in culorile componente, cea obtinuta cu ajutorul unor filtre, sint exemple de lumina care doar se apropie de undele monocromatice ideale. Dispozitivele de reproducere a culorilor (ecranul de televizor color, tipariturile color, etc.) nu pot reda fidel culori de o asemenea puritate.

amplitudine: aceasta este o masura a variatiei cimpurilor electric si magnetic care alcatuiesc unda. Este de asemenea legata de stralucirea aparenta a unei surse de lumina. Trebuie precizat totusi ca ochiul nu este la fel de sensibil la toate culorile, si este chiar insensibil la razele electromagnetice din afara spectrului vizibil. Culori care par sa aiba aceeasi intensitate vizuala pot avea intensitati fizice foarte diferite.

polarizare: vectorul cimpului electric si cel al cimpului magnetic sint perpendiculare atit unul pe celalalt cit si pe directia de propagare a undei electromagnetice. Dar chiar si cu aceasta limitare mai este permis un grad de libertate, de rotatie a celor doi vectori in jurul directiei de propagare. Daca fata de un anumit sistem de axe de coordonate vectorul cimpului electric este de exemplu vertical, spunem ca lumina respectiva este polarizata vertical. In mod obisnuit ochiul nu este sensibil la polarizarea luminii, dar exista experimente optice simple prin care aceasta se poate pune in evident

Lumina, forma vizibila de energie, observabila de ochiul uman, ce este radiata prin miscarea particulelor incarcate energetic. Lumina soarelui contine energia necesara plantelor sa creasca. Plantele transforma energia solara, intr-o forma chimica printr-un proces numit fotosinteza. Petrolul, carbunele si gazele naturale, sunt resturi de plante ce au trait cu milioane de ani in urma. Energia din aceste combustibile, ce se elibereaza prin ardere, este energia chimica transformata din lumina soarelui. Cand animalele digera alimente (plante sau alte animale) ele de asemenea elibereaza energia depozitata prin fotosinteza.

Unul dintre cele mai frumoase fenomene din natura este curcubeul.El este vizibil mai ales vara de cele mai multe ori dupa ploaie, cand razele soarelui cad asupra unor nori in timp ce stam cu spatele la soare si cu fata spre nori.

Lumina alba este rezultatul suprapunerii unui numar mare de culori de diferite nuante.

Ea poate fi descompusa in culorile componente daca trece prin medii care permit acest lucru.

Principalele culori care o compun sunt:Rosu,Orange,Galben,Verde,Albastru,Indigo,Violet (ROGVAIV).Lumina solara influenteaza fotosinteza si transpiratia plantelor verzi si ajuta animalele sa se orienteze in spatiu. In lipsa luminii, formele de viata inceteaza sa mai existe.Culoarea este o senzatie produsa asupra ochiului atunci cand lumina patrunde in el.Lumina naturala provenind de la soare sau de la surse artificiale,numita si lumina alba,trecand prin corpuri transparente,de forma unei prisme,se descompune in culorile ei componente.Banda colorata se numeste spectru.Corpul alb imprastie toate culorile.Corpul negru absoarbe toate culorile.

Oamenii de stiinta au observat ca lumina se comporta ca o particula uneori si ca o unda alteori. Particulele de lumina se numesc fotoni. Fotonii sunt diferiti de particulele materiale prin faptul ca nu au masa si se misca cu viteza constanta de 300.000 km/s. Undele asociate cu lumina sunt numite unde electromagnetice pentru ca consista in schimbarea campurilor magnetice si electrice.

Emisiile de lumina

Lumina poate fi emisa sau radiata de electroni care graviteaza in jurul nucleului atomului lor. Electronii pot gravita in atomi numai in anumite cazuri se numesc orbitali si au o anumita cantitate energetica. Cantitatea de energie de care atomul are nevoie pentru fiecare orbital se numeste energie de nivel pentru un atom.

Fiecare atom are o cantitate unica de energie, si energiile corespunzatoare fotonilor pot forma invelisuri ce impreuna se numesc spectrul atomic. Acest spectru este ca o amprenta dupa care fiecare atom poate fi identificat. Procesul de identificare a unei substante dintr-un spectru se numeste spectroscopie. Legile care descriu invelisul de energie al orbitalilor si al atomilor sunt legi ce apartin Teoriei Quantice. Ele au fost inventate in 1920 special pentru masurarea radiatiilor luminoase si marimii atomilor.

Spectrul electromagnetic

Spectru electromagnetic se refera la inteaga gama de frecvente si lungimi de unda ale undelor electromagnetice. Lumina traditionala se refera la gama frecventelor care pot fi receptionate si de catre om. Aceste frecvente sunt foarte inalte aproape o jumatate sau trei sferturi dintr-un milion de miliarde Hz. Lungimile lor de unda sunt intre 400-700 nm. Razele X au lungimi de unda care variaza de la cateva miimi dintr-un nm la cativa nm. Cea mai scurta lungime de unda pe care omul o poate detecta este lumina albastra inchisa la 400 nm. Cea mai lunga este rosul aprins la aprox. 700 nm. Cele mai multe surse nu radiaza lumina monocromatica. Ceea ce numim lumina alba (ca cea a soarelui) este un amestec al tuturor culorilor din spectru vizibil. Ochiul uman raspunde cel mai bine la lumina de culoare verde cu lungimea de unda 550 nm care este de altfel aproximativ egala cu valoarea stralucirii luminii soarelui la suprafata pamantului.

Polarizarea

Polarizarea se refera la campul magnetic intr-o unda electromagnetica. O unda al carei camp electric oscileaza vertical se spune ca avem o polarizare verticala (idem pt orizontal). Campul electric din undele luminoase ale soarelui vibreaza in toate deci direct lumina soarelui poate fi numita nepolarizata. Ochelarii Polaroid blocheaza lumina polarizata orizontal si reduc luminozitatea luminii solare ce nu se mai reflecta pe suprafete orizontale.

VI.1Surse de lumina

Sursele de lumina difera in functie de cum distribuie energia particulelor incarcate (electroni) ale caror miscare produc lumina. Daca energia vine de la caldura atunci sursa se numeste incandescenta. Daca energia provine din alta sursa chimica sau electrica, sursa se numeste luminescenta.

Sursa Incandescenta. La sursa incandescenta atomii se ciocnesc unii cu altii. Aceste coliziuni transfera energie spre electroni impingandu-i pe acestia spre nivele superioare. Cand electronii elibereaza aceasta energie, ei emit fotoni. Unele coliziuni sunt mai puternice iar altele mai putin puternice astfer sunt elminati fotoni de energie diferita. Lumina lumanarii este incandescenta si rezulta din excitarea atomilor de funingine in flacara incinsa. Lumina dintr-un bec incandescent provine din excitarea atomilor dintr-un fir subtire numit filament care este incalzit de curentul ce trece prin el. Aproape 75% din radiatiile ce provin de la lumina incandescenta a unui bec sunt infrarosii. Oamenii de stiinta au invatat despre proprietatile luminii incandescente reale si le-au comparat cu o incandescenta teoretica numita "Black Body". Un "Black Body" este o sursa ideala de lumina incandescenta cu o emisie a spectrului ce nu depinde din ce material provine lumina, ci numai de temperatura acestuia.

Sursa Luminescenta absoarbe energie din alta sursa decat caldura, si este de obicei mai rece decat sursa incandescenta. Culoarea unei surse luminescente nu este raportata la temperatura sa. O lumina fluorescenta este un tip de lumina luminescenta care face uz de un element chimic numit fosfor. Tuburile fluorescente sunt umplute cu vapori de mecur si amestecate cu fosfor. Cand electricitatea trece prin tub vaporii de mercur se excita si emit lumina abastra, verde, violeta si ultravioleta. Componentele cu fosfor sunt folosite in convertirea energiei elecronilor in lumina la tuburile cinescopice ale televozoarelor. Razele electronilor din tub se ciocnesc cu atomii de fosfor in mici puncte pe ecran, excitand electronii din atomul de fosfor spre nivele mai inalte de energie. Cand electronii se intorc la nivelul original de energie ei emit lumina vizibila. Lumina de la toti electronii de fosfor creeaza imaginea. Daca intarzierea dintre absortia si emisia de energie este mai mare decat 1 secunda atunci sursa se numeste fosforescenta. Materialele fosforescente pot lumina intunericul cateva minute daca au fost expuse la soare.

Aurora boreala si aurora australiana (ce apar in cerul noptii la latitudini mari) sunt surse luminescente. Electronii, din vantul solar Ce se ideparteaza de soare, sunt atrasi de campul gravitational al pamantului si sunt aruncati in atmosfera superioara aprape de polul nord si sud. Aici ei se ciocnesc cu moleculele si asta produce lumina in cerul noptii.

Chimioluminescenta este procedeul prin care o reactie chimica produce molecule cu electroni ce au un nivel ridicat al energiei si pot radia lumina. Culoarea luminii depinde de reactia chimica. Cand chimioluminescenta apare la plane sau animale se numeste bioluminescenta

VI.1.1 LASER-ul

Un laser este un tip special de lumina produse de unde forte regulate care permit luminii sa fie foarte atent concentrata. Sursele LASER au atomi ai caror electroni radiaza pe rand sau sincronizat. Laserele ua multiple aplicatii in medicina, cercetari stiintifica, tehnologie militara si comunicatii. Ele ofera o foarte controlabila sursa de energie care poate fi folosita in rezolvarea celor mai complicate actiuni. Lumina LASER poate fi folosita la gaurirea diamantelor si in fabricarea de componente microelectronice. Precizia LASER-ului ajuta pe doctori sa faca operatii fara a vatama tesutul epiderial. LASER-ele sunt foarte folositoare si in comunicatii pntru ca lumina LASER-ului poate transporta o cantitate insemnata de informatie si sa calatoreasca pe distante mari fara a-si pierde tinta.

Detectia luminii

Pentru fiecare mod de a produce lumina exista si un alt mod de a o detecta. Asa cum caldura produce, de exemplu, lumina incandescenta asa si lumina produce caldura masurabila cand este absorbita de un material.

Efectul fotoelectric

Reprezinta fenomenul prin care un atom absoarbe un foton care are atat de multa energie incat elibereaza un electron al atomului. Mare parte din energia fotonului realizeaza un electron pentru atom. Aceasta energie este numita energie activanta pentru electron. Restul energiei fotonului ajuta la miscarea electronului. Deoarece energia fotonului este proportionala cu frecventa electronului realizat, fotoelectronul se va misca mai repede atunci cand absoarbe lumina de frecventa mai inalta.

Metalele cu activare joasa a energiei sunt folosite la fabricarea fotodetectoarelor si a celulelor fotoelectrice ale caror proprietati sunt de a se schimba in prezenta luminii. Celulele solare folosesc efectul fotoelectric pentru a converti lumina solara in energie electrica. Acestea sunt folosite in loc de baterii in aplicatii mobile ca satelitii spatiali dar si la telefoanele de urgenta de pe marginea autostrazilor (in tarile dezvoltate). Calculatoarele de mana si ceasurile folosesc deseori celulele solare pentru inlocuirea bateriilor atunci cand acestea se consuma.

Teoria Moderna

Teoria lui Planck a ramas nedemonstrata pana cand Einstein a aratat cum putem explica efectul fotoelectric in care viteza ejectarii electronilor nu depinde de intensitatea luminii ci de frecventa acesteia. De-a lungul a inca 20 de ani oamenii de stiinta au remodelat toata fizica pentru a fi in concordanta cu teoria lui Planck. Rezultatul a fost o imagine a lumii fizice care a fost diferita de orice altceva imginat inainte. Lucrul esential apare in masuratorile fizice asupra bucatelelor quantice care seamana cu niste particule. Spre deosebire de particulele din fizica Newtoniana, particulele cuantice nu pot fi vazute ca avand o miscare ce poate fi descrisa de anumite legi. Fizica quantica permite numai prevederea locului unde aceste particule pot fi gasite.