Energia luminosa: categoria, proprietà e usi importanti

Cos'è l'energia luminosa?

Definizione di energia luminosa:

La luce è l'unica forma di energia visibile all'occhio umano. L'energia luminosa può essere definita in due modi:

La luce è composta da pacchetti di energia privi di massa noti come fotoni. I fotoni sono pacchetti di energia che trasportano una quantità fissa di energia luminosa a seconda della lunghezza d'onda.

L'energia luminosa si riferisce alla gamma di energia elettromagnetica composta da raggi gamma, raggi X, luci visibili, ecc.
La gamma visibile dello spettro elettromagnetico è generalmente nota come luce.

La natura della luce:

Nel XVII secolo c'erano due idee sulla natura della luce.

Natura delle particelle di luce

Isaac Newton credeva che la luce fosse composta da minuscole particelle discrete chiamate corpuscoli. Secondo lui, queste minuscole particelle venivano emesse da oggetti caldi come il sole o il fuoco e viaggiavano in linea retta con una velocità finita e impeto posseduto. Questo divenne noto come Teoria corpuscolare della luce di Newton.

Onda Natura della luce

Christiaan Huygens ha affermato di confutare la teoria corpuscolare di Newton proponendo la teoria ondulatoria della luce. Secondo lui la luce era costituita da onde che vibravano su e giù perpendicolarmente alla sua direzione di propagazione. Questo divenne noto come "Principio di Huygens"

All'inizio del XIX secolo, un fisico inglese Thomas Young condusse un esperimento che mostrava che la luce proveniente da una sorgente puntiforme dopo essere passata attraverso due fessure formava uno schema di interferenza su uno schermo posizionato a una distanza appropriata. Questo divenne noto come esperimento a doppia fenditura di Young, che sosteneva la natura ondulatoria della luce a sostegno del principio di Huygens.

James Clerk Maxwell pose le basi del moderno elettromagnetismo che descriveva la luce come un'onda trasversale composta da campi magnetici ed elettrici oscillanti a 90 ° l'uno dall'altro. La formulazione della luce come onde trasversali contraddiceva Huygens, che credeva che l'onda luminosa fosse longitudinale.

Albert Einstein ravvivato la teoria delle particelle portando il concetto di fotoni. L'esperimento di Einstein, noto come effetto fotoelettrico, ha mostrato che la luce comprende fasci discreti o quanti di energia luminosa, chiamati fotoni

Il fenomeno dell'interferenza e della diffrazione potrebbe essere spiegato solo considerando la luce come un'onda. In confronto, la spiegazione dell'effetto fotoelettrico era possibile solo dalla natura delle particelle della luce.
Questo enorme dilemma riguardante la natura della luce è stato risolto con la fondazione della meccanica quantistica che ha stabilito la dualità onda-particella sulla natura sia della luce che della materia 

Proprietà della luce:

Interazioni di luce:

Le onde luminose interagiscono con la materia in modi diversi:

Riflessione di luce

- Quando un'onda luminosa rimbalza sulla superficie di un materiale nel suo precedente mezzo di propagazione, il processo viene definito riflessione. Ad esempio, l'immagine si è formata su uno stagno / lago calmo.

Assorbimento della luce

Quando un materiale assorbe l'energia di un'onda luminosa che cade su di esso, il processo viene definito assorbimento. Ad esempio, la plastica che si illumina al buio, che assorbe la luce e la riemette sotto forma di fosforescenza.

Trasmissione

Quando un'onda luminosa viaggia / passa attraverso un materiale, il processo viene definito trasmissione. Ad esempio, la luce che passa attraverso il vetro di una finestra.

Interferenza

L'interferenza si riferisce al fenomeno in cui due onde luminose si sovrappongono per produrre un'onda risultante che può avere un'ampiezza inferiore, superiore o uguale. L'interferenza costruttiva e distruttiva si verifica quando le onde interagenti sono coerenti tra loro, o perché condividono la stessa sorgente o perché hanno la stessa frequenza o comparabile.

interferenza delle onde
Interferenza delle onde
Fonte immagine: Dr. Schorsch 12:32, 19 aprile 2005 (UTC) (Dott. SchorschinterferenzeCC BY-SA 3.0

Rifrazione

La rifrazione è un comportamento importante dimostrato dalle onde luminose. La rifrazione avviene quando le onde luminose deviano dal loro percorso originale quando entrano in un nuovo mezzo. La luce mostra velocità diverse in diversi materiali di trasmissione. La variazione della velocità e del grado di deviazione dipende dall'angolo di luce in entrata.

Diffrazione

La diffrazione è definita come la flessione delle onde luminose attorno agli angoli di un'apertura nella sua regione d'ombra geometrica. L'ostacolo o l'apertura di diffrazione diventa una sorgente secondaria dell'onda luminosa che si propaga. Uno degli esempi più comuni di diffrazione è la formazione di pattern arcobaleno su un CD o DVD. Le tracce ravvicinate su un DVD o CD servono come reticoli di diffrazione, formando schemi quando la luce cade su di esso.


Dispersione

La dispersione della luce si riferisce al fenomeno della scissione della luce bianca nel suo spettro di colori costituente (.ie VIBGYOR) quando passa attraverso un prisma di vetro o oggetti simili. Ad esempio, la formazione dell'arcobaleno dovuta alla diffrazione della luce solare da gocce di pioggia simili a prismi.

Tipi di luce

  • La luce nel suo insieme si riferisce alla radiazione elettromagnetica di ogni lunghezza d'onda.
  • La radiazione elettromagnetica può essere classificata in termini di lunghezze d'onda come
  • Onde radio ~ [105 - 10-1 m]
  • Microonde ~ [10-1 - 10-3 m]
  • Onda infrarossa ~ [10-3 - 0.7 x 10-6m]
  • La regione visibile (che percepiamo come luce) ~ [0.7 x 10-6 - 0.4 x 10-6 m]
  • Onde ultraviolette ~ [0.4 x 10-6 - 10-8 m]
  • Raggi X ~ [10-8 - 10-11% m]
  • Raggi gamma ~ [10-11% - 10-13% m]
  • Il funzionamento delle radiazioni elettromagnetiche si basa sulla sua lunghezza d'onda.

Frequenza e lunghezza d'onda della luce

Scala della lunghezza d'onda

Fonte immagine: Inductiveload, NASA, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, tramite Wikimedia Commons

Frequenza della luce

Onde radio :

L'onda radio è un'onda elettromagnetica con una frequenza compresa tra 20 kHz e circa 300 GHz ed è nota per il suo utilizzo nelle tecnologie di comunicazione, come telefoni cellulari, televisione e radio. Questi dispositivi accettano le onde radio e le trasformano in vibrazioni meccaniche per produrre onde sonore.

Microonde :

Le microonde sono radiazioni elettromagnetiche con una frequenza compresa tra 300 MHz e 300 GHz. Le microonde hanno una varietà di applicazioni, inclusi radar, comunicazione e cucina.

Onde infrarosse:

L'onda infrarossa è una radiazione elettromagnetica con una frequenza compresa tra 300 GHz e 400 THz.
Le onde infrarosse trovano la loro applicazione nel riscaldamento di alimenti e telecomandi televisivi, cavi in ​​fibra ottica, termocamere, ecc.

Luce visibile :

La luce visibile è una radiazione elettromagnetica con una frequenza compresa tra 4 × 1014 a 8 × 1014 hertz (Hz). Il motivo per cui l'occhio umano vede solo una gamma specifica di frequenze di luce è che quelle determinate frequenze stimolano la retina nell'occhio umano.

Raggi ultravioletti :

La luce ultravioletta è una radiazione elettromagnetica con una frequenza compresa tra 8 × 1014 e 3 × 1016 hertz (Hz). La radiazione ultravioletta viene utilizzata per annullare i microbi, sterilizzare apparecchiature mediche, trattare problemi della pelle, ecc.

Raggi X:

I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche con frequenze comprese tra 3 × 1019 e 3 × 1016 Hz. I raggi X sono usati per annullare le cellule tumorali, nelle macchine a raggi X, ecc.

Raggi gamma:

I raggi gamma sono radiazioni elettromagnetiche con frequenze superiori a 1019 hertz (Hz). I raggi gamma sono abituati annullare microbi, sterilizzare attrezzature mediche e cibo.

Esempi di energia luminosa

Sorgenti luminose

Le sorgenti luminose possono essere classificate in due tipi fondamentali: luminescenza e incandescenza.

Incandescenza:

L'incandescenza comprende la vibrazione di tutti gli atomi presenti. Quando gli atomi vengono riscaldati a una temperatura ottimale molto elevata, le vibrazioni termiche risultanti vengono rilasciate come radiazioni elettromagnetiche. La luce incandescente o "radiazione del corpo nero" viene creata quando la luce proviene da un solido riscaldato. In base alla temperatura del materiale, i fotoni rilasciati differiscono per colori ed energie. A basse temperature, i materiali producono radiazioni infrarosse.

Nella radiazione di corpo nero, con un aumento della temperatura il picco si sposta verso lunghezze d'onda più corte, mentre si sposta verso la gamma ultravioletta dello spettro, genera un colore rosso poi bianco e infine un colore bianco-bluastro.
La luce a incandescenza è la luce più comunemente usata. Consiste del sole, delle lampadine e del fuoco.
Gli incendi coinvolgono reazioni chimiche che rilasciano calore, facendo sì che i materiali tocchino temperature elevate e alla fine conducano i gas ei materiali all'incandescenza. D'altra parte, le lampadine producono calore a causa del passaggio di corrente elettrica attraverso un cavo. Le lampadine a incandescenza emettono circa il 90% della loro energia come radiazioni infrarosse e il resto come luce visibile.

Luminescence

La luminescenza coinvolge solo gli elettroni e generalmente avviene a temperature inferiori, rispetto alla luce a incandescenza.
La luce luminescente si forma quando un elettrone emette una parte della sua energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Quando un elettrone salta a un livello di energia inferiore, una certa quantità di energia luminosa viene rilasciata sotto forma di luci di un colore specifico. In generale, per mantenere la luminescenza continua, gli elettroni necessitano di una spinta costante per raggiungere livelli di energia più elevati in modo che il processo continui.
Ad esempio, le luci al neon producono luce attraverso l'elettroluminescenza, che coinvolge una {spinta} ad alta tensione, che eccita le particelle di gas e alla fine si traduce in emissione di luce.

Come viaggia la luce?

La luce viaggia praticamente come un'onda. Sebbene secondo l'ottica geometrica, la luce è modellata per viaggiare nei raggi. La trasmissione della luce da una sorgente a un punto può avvenire in tre modi:

  • Può viaggiare direttamente attraverso un vuoto o uno spazio vuoto. Ad esempio, la luce che viaggia dal Sole alla Terra.
  • Può viaggiare attraverso vari mezzi, come l'aria, il vetro, ecc.
  • Può viaggiare dopo essere stato riflesso, ad esempio da uno specchio o da un lago immobile.

Energia leggera vs energia elettronica

Energia elettronicaEnergia luminosa
• Gli elettroni hanno energia di massa a riposo, cioè l'energia corrispondente alla sua massa quando sono a riposo. L'energia a riposo di un elettrone può essere calcolata utilizzando l'equazione di Einstein E = MC2.

• Quando l'elettrone cambia i suoi livelli di energia passando da uno stato di energia superiore a uno stato di energia inferiore, emette fotoni.
• L'energia luminosa è sotto forma di minuscoli pacchetti di energia privi di massa chiamati fotoni. La quantità di energia in un fotone dipende dalla lunghezza d'onda della luce. E = hc / λ

• Quando i fotoni con una quantità adeguata di energia luminosa cadono su un materiale, gli elettroni assorbono l'energia e sfuggono al materiale.

Usi dell'energia luminosa.

La luce ha le sue applicazioni in ogni aspetto della vita. Senza l'energia luminosa, sarebbe stato impossibile sopravvivere.
Ecco alcune applicazioni essenziali dell'energia luminosa nella nostra vita:

  • La luce permette la visione. Una specifica gamma di lunghezze d'onda della luce fornisce la quantità perfetta di energia necessaria per stimolare le reazioni chimiche nella nostra retina per supportare la visione.
  • L'energia luminosa consente alle piante di produrre cibo attraverso il processo di fotosintesi.
  • L'energia luminosa viene utilizzata come fonte di energia nelle tecnologie satellitari e spaziali.
  • L'energia solare viene utilizzata per varie attività domestiche e industriali.
  • L'energia luminosa (radiazione elettromagnetica) viene utilizzata nell'industria delle telecomunicazioni.
  • L'energia luminosa viene utilizzata anche per molteplici trattamenti medici.

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