Mi a fényenergia?
A fényenergia meghatározása:
A fény az egyetlen energiaforma, amely az emberi szem számára látható. A fényenergia kétféleképpen határozható meg:
A fény tömeg nélküli energiacsomagokból, fotonokból áll. A fotonok energiacsomagok, amelyek a hullámhossztól függően meghatározott mennyiségű fényenergiát hordoznak.
A fényenergia az elektromágneses energia tartományát jelenti, amely gamma-, röntgen-, látható fényekből stb.
Az elektromágneses spektrum látható tartományát általában fénynek nevezik.
A fény természete:
A 17. században kétféle elképzelés létezett a fény természetéről.
A fény részecske természete
Isaac Newton úgy gondolták, hogy a fény apró, különálló részecskékből, úgynevezett testecskékből áll. Elmondása szerint ezeket az apró részecskéket olyan forró tárgyak bocsátották ki, mint a nap vagy a tűz, és véges sebességgel haladtak egyenes vonalban, és lendülettel is bírtak. Ez így vált ismertté Newton korpuszkuláris fényelmélete.
Hullám A fény természete
Christian Huygens azt állította, hogy megcáfolja Newton korpuszkuláris elméletét azáltal, hogy a fény hullámelméletét javasolta. Szerinte a fény terjedési irányára merőlegesen fel-le rezgő hullámokból áll. Ez így vált ismertté "Huygens-elv"
A 19. század elején egy angol fizikus, Thomas Young végzett egy kísérletet, amely megmutatta, hogy egy pontforrásból származó fény, miután áthaladt két résen, interferenciamintát képez egy megfelelő távolságra elhelyezett képernyőn. Ezt Young kettős réses kísérletének nevezték, amely a fény hullámtermészetét szorgalmazta, amely támogatja a Huygens-elvet.
James Clerk Maxwell lefektette a modern elektromágnesesség alapjait, amely a fényt keresztirányú hullámként írta le, amely egymással 90°-ban oszcilláló mágneses és elektromos mezőkből áll. A fény keresztirányú hullámként való megfogalmazása ellentmondott Huygensnek, aki a fényhullámot longitudinálisnak vélte.
Albert Einstein újjáélesztette a részecskeelméletet a fotonok fogalmának bemutatásával. Einstein kísérlete, amelyet fotoelektromos hatásként ismernek, kimutatta, hogy a fény különálló fényenergia-kötegekből vagy kvantumokból áll, amelyeket fotonoknak neveznek.
Az interferencia és a diffrakció jelensége csak úgy magyarázható, ha a fényt hullámnak tekintjük. Ehhez képest a fotoelektromos hatás magyarázata csak a fény részecsketermészetével volt lehetséges.
Ezt a fény természetével kapcsolatos hatalmas dilemmát a kvantummechanika alapjaival oldották meg, amelyek megállapították a hullám-részecske kettősséget mind a fény, mind az anyag természetén.
A fény tulajdonságai:
A fény kölcsönhatása:
A fényhullámok különböző módon lépnek kölcsönhatásba az anyaggal:
Fény tükröződése
– Amikor egy fényhullám visszaverődik egy anyag felületéről a korábbi terjedési közegébe, azt a folyamatot visszaverődésnek nevezzük. Például egy nyugodt tavon/tavon alakult ki a kép.
Image Source: Basile morin, Vang Vieng hegyeinek víztükrözése crepuscularis sugarakkal, CC BY-SA 4.0
Fény elnyelése
Amikor egy anyag elnyeli a rá eső fényhullám energiáját, azt a folyamatot abszorpciónak nevezzük. Például a sötétben világító műanyagok, amelyek elnyelik a fényt, és foszforeszcencia formájában újra kibocsájtják.
Átvitel
Amikor egy fényhullám áthalad/áthalad egy anyagon, a folyamatot átvitelnek nevezzük. Például az ablaküvegen áthaladó fény.
Interferencia
Az interferencia arra a jelenségre utal, amikor két fényhullám egymásra épülve hoz létre egy eredő hullámot, amelynek amplitúdója lehet alacsonyabb, magasabb vagy azonos. Konstruktív és destruktív interferencia akkor lép fel, ha a kölcsönható hullámok koherensek egymással, vagy azért, mert ugyanazt a forrást használják, vagy azért, mert azonos vagy összehasonlítható frekvenciájúak.
A kép forrása: Dr. Schorsch, 12. április 32., 19:2005 (UTC) (Dr. Schorsch, interferencia, CC BY-SA 3.0
Fénytörés
A fénytörés a fényhullámok által mutatott fontos viselkedés. A fénytörés akkor következik be, amikor a fényhullámok eltérnek eredeti útjukról, amikor új közegbe lépnek. A fény különböző sebességeket mutat a különböző áteresztő anyagokban. A sebesség változása és az eltérés mértéke a beérkező fény szögétől függ.
fényelhajlás
A diffrakciót úgy definiálják, mint a fényhullámok hajlítását a nyílás sarkai körül a geometriai árnyéktartományba. A diffrakciós akadály vagy nyílás a terjedő fényhullám másodlagos forrásává válik. A diffrakció egyik leggyakoribb példája a szivárványmintázatok kialakulása CD-n vagy DVD-n. A DVD-n vagy CD-n egymás mellett elhelyezkedő sávok diffrakciós rácsként szolgálnak, és mintákat képeznek, amikor fény esik rá.
kép forrása: Lazord00d, Argon lézersugár és diffrakciós tükör, CC BY-SA 3.0
Szórás
A fény diszperziója arra a jelenségre utal, amikor a fehér fény a színek alkotó spektrumára (.azaz VIBGYOR) hasad, amikor üvegprizmán vagy hasonló tárgyakon halad át. Például a szivárvány kialakulása a napfény prizmaszerű esőcseppek általi diffrakciója miatt.
A fény fajtái
- A fény egésze minden hullámhosszú elektromágneses sugárzásra utal.
- Az elektromágneses sugárzás a hullámhosszok szerint osztályozható
- Rádióhullám ~ [105 - 10-1 m]
- Mikrohullámú sütő ~ [10-1 - 10-3 m]
- Infravörös hullám ~ [10-3 - 0.7 x 10-6m]
- A látható terület (mi fényként érzékeljük) ~ [0.7 x 10-6 - 0.4 x 10-6 m]
- Ultraibolya hullámok ~ [0.4 x 10-6 - 10-8 m]
- Röntgensugarak ~ [10-8 - 10-11 m]
- Gamma sugarak ~ [10-11 - 10-13 m]
- Az elektromágneses sugárzások működése a hullámhosszon alapul.
A fény frekvenciája és hullámhossza
Hullámhossz skála
Fény frekvenciája
Rádióhullámok :
A rádióhullám egy 20 kHz és körülbelül 300 GHz közötti frekvenciájú elektromágneses hullám, amely kommunikációs technológiákban való felhasználásáról ismert, mint például a mobiltelefonok, a televízió és a rádió. Ezek az eszközök fogadják a rádióhullámokat, és mechanikus rezgéssé alakítják át hanghullámokat.
Mikrohullámú sütő :
A mikrohullámú sugárzás 300 MHz és 300 GHz közötti frekvenciájú elektromágneses sugárzás. A mikrohullámú sütők számos alkalmazással rendelkeznek, beleértve a radar, a kommunikáció és a főzés funkcióit.
Infravörös hullámok:
Az infravörös hullám 300 GHz és 400 THz közötti frekvenciájú elektromágneses sugárzás.
Az infravörös hullámokat élelmiszerek és televíziós távirányítók, optikai kábelek, hőkamerák stb. melegítésére használják.
Látható fény :
A látható fény 4 × 10 közötti frekvenciájú elektromágneses sugárzás14 8 × 10-ig14 hertz (Hz). Az oka annak, hogy az emberi szem csak egy meghatározott frekvenciájú fényt lát, az az, hogy ezek a bizonyos frekvenciák stimulálják az emberi szem retináját.
Ultraibolya sugarak:
Az ultraibolya fény 8 × 10 közötti frekvenciájú elektromágneses sugárzás14 és 3 × 1016 hertz (Hz). Az ultraibolya sugárzást mikrobák semmisítésére, orvosi berendezések sterilizálására, bőrproblémák kezelésére stb.
Röntgen:
A röntgensugarak 3×10 közötti frekvenciájú elektromágneses sugárzások19 és 3 × 1016 Hz. A röntgensugarakat a rákos sejtek semmisítésére használják, röntgenkészülékekben stb.
Gamma sugarak:
A gamma-sugárzás 10-nél nagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzás19 hertz (Hz). A gamma sugarakat szokták megsemmisít mikrobák, sterilizálják az orvosi berendezéseket és az élelmiszereket.
Példák a fényenergiára
Fényforrások
A fényforrások két alapvető típusra oszthatók: Lumineszcenciára és Izzóra.
Izzás:
Az izzás magában foglalja az összes jelenlévő atom rezgését. Amikor az atomokat nagyon magas optimális hőmérsékletre hevítik, a keletkező hőrezgések elektromágneses sugárzásként szabadulnak fel. Izzó fény vagy „fekete test sugárzása” akkor jön létre, amikor a fény felmelegedett szilárd anyagból származik. Az anyag hőmérséklete alapján a felszabaduló fotonok színükben és energiájukban különböznek. Alacsony hőmérsékleten az anyagok infravörös sugárzást bocsátanak ki.
A fekete test sugárzásában a hőmérséklet emelkedésével a csúcs rövidebb hullámhosszak felé tolódik el, ahogy a spektrum ultraibolya tartománya felé halad, vörös, majd fehér, végül kékesfehér színt hoz létre.
Az izzólámpa a leggyakrabban használt fény. Napból, izzókból és tűzből áll.
A tüzek olyan kémiai reakciókat bonyolítanak le, amelyek hőt bocsátanak ki, aminek következtében az anyagok magas hőmérsékletet érnek, és végül a gázok és anyagok izzadásához vezetnek. Másrészt az izzók hőt termelnek az elektromos áram kábelen való áthaladása miatt. Az izzólámpák energiájuk körülbelül 90%-át infravörös sugárzásként, a többit pedig látható fényként bocsátják ki.
A lumineszcencia
A lumineszcencia csak elektronokat tartalmaz, és általában alacsonyabb hőmérsékleten megy végbe, mint az izzólámpás fény.
Lumineszcens fény akkor keletkezik, amikor egy elektron energiájának egy részét elektromágneses sugárzásként bocsátja ki. Amikor egy elektron alacsonyabb energiaszintre ugrik le, bizonyos mennyiségű fényenergia szabadul fel meghatározott színű fények formájában. Általában a folyamatos lumineszcencia fenntartásához az elektronoknak állandó lökésre van szükségük, hogy magasabb energiaszinteket érjenek el, hogy a folyamat folytatódjon.
Például a neonlámpák elektrolumineszcencián keresztül hoznak létre fényt, ami nagy feszültséggel {push}, ami gerjeszti a gázrészecskéket, és végül fénykibocsátást eredményez.
Hogyan utazik a fény?
A fény gyakorlatilag hullámként terjed. Bár a geometriai optika szerint a fényt úgy modellezték, hogy sugarakban haladjon. A fényforrásból egy pontba történő átvitel háromféleképpen történhet:
- Közvetlenül vákuumon vagy üres téren áthaladhat. Például a Napról a Földre utazó fény.
- Különféle médiumokon haladhat át, mint például levegő, üveg stb.
- Visszaverődés után utazhat, például egy tükör vagy egy csendes tó mellett.
Fényenergia vs elektronenergia
| Elektron energia | Fényenergia |
| • Az elektronok nyugalmi tömegenergiával rendelkeznek, azaz nyugalmi tömegüknek megfelelő energiával. Az elektron nyugalmi energiája az Einstein-egyenlet segítségével számítható ki E=MC2. • Amikor az elektron megváltoztatja energiaszintjét úgy, hogy magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba lép, fotonokat bocsát ki. | • A fényenergia apró tömeg nélküli energiacsomagok, úgynevezett fotonok formájában van. A fotonban lévő energia mennyisége a fény hullámhosszától függ. E = hc/λ • Ha megfelelő mennyiségű fényenergiával rendelkező fotonok esnek egy anyagra, az elektronok elnyelik az energiát és kiszöknek az anyagból. |
A fényenergia felhasználása.
A fénynek az élet minden területén megvan a maga alkalmazása. Fényenergia nélkül lehetetlen lett volna életben maradnunk.
Íme a fényenergia néhány alapvető alkalmazása az életünkben:
- A fény lehetővé teszi a látást. A fény egy meghatározott hullámhossz-tartománya biztosítja a tökéletes mennyiségű energiát, amely a retinánkban a látást támogató kémiai reakciók stimulálásához szükséges.
- A fényenergia lehetővé teszi a növények számára, hogy a fotoszintézis folyamatán keresztül táplálékot állítsanak elő.
- A fényenergiát energiaforrásként használják a műholdas és űrtechnológiákban.
- A napenergiát különféle háztartási és ipari tevékenységekhez használják fel.
- A fényenergiát (elektromágneses sugárzást) a távközlési iparban használják.
- A fényenergiát többféle orvosi kezeléshez is felhasználják.
