Lumina este radiația electromagnetică dintr-o anumită porțiune a spectrului electromagnetic. Cuvântul se referă de obicei la lumina vizibilă, care este spectrul vizibil care este vizibil pentru ochiul uman și care este responsabil pentru simțul vederii. [1] Lumina vizibilă este de obicei definită ca având lungimi de undă cuprinse între 400-700 nanometri (nm), sau 4,00 × 10 −7-7,00 × 10 −7 m, între infraroșu (cu lungimi de undă mai mari) și ultraviolet (cu lungimi de undă mai scurte). [2] [3] Această lungime de undă înseamnă o gamă de frecvență de aproximativ 430-750 terahertz (THz).

electromagnetica

Principala sursă de lumină de pe Pământ este Soarele. Lumina soarelui furnizează energia pe care o folosesc plantele verzi pentru a crea zaharuri, mai ales sub formă de amidon, care eliberează energie în viețuitoarele care le digeră. Acest proces de fotosinteză oferă practic toată energia utilizată de viețuitoare. Din punct de vedere istoric, o altă sursă importantă de lumină pentru oameni a fost focul, de la focurile de tabără antice la lămpile moderne de kerosen. Odată cu dezvoltarea luminilor electrice și a sistemelor de alimentare, iluminatul electric a înlocuit efectiv lumina de foc. Unele specii de animale își generează propria lumină, un proces numit bioluminescență. De exemplu, licuricii folosesc lumina pentru a localiza colegii, iar calmarii vampiri o folosesc pentru a se ascunde de pradă.

Proprietățile principale ale luminii vizibile sunt intensitatea, direcția de propagare, frecvența sau spectrul lungimii de undă și polarizarea, în timp ce viteza sa în vid, 299.792.458 metri pe secundă, este una dintre constantele fundamentale ale naturii. Lumina vizibilă, ca și în cazul tuturor tipurilor de radiații electromagnetice (EMR), se găsește experimental că se mișcă întotdeauna la această viteză în vid. [4]

În fizică, termenul ușoară uneori se referă la radiațiile electromagnetice de orice lungime de undă, vizibile sau nu. [5] [6] În acest sens, razele gamma, razele X, microundele și undele radio sunt, de asemenea, lumina. La fel ca toate tipurile de radiații EM, lumina vizibilă se propagă sub formă de unde. Cu toate acestea, energia transmisă de unde este absorbită în locații individuale, așa cum sunt absorbite particulele.

Energia absorbită a undelor EM este numită foton și reprezintă cantitatea de lumină. Când o undă de lumină este transformată și absorbită ca un foton, energia undei se prăbușește instantaneu într-o singură locație, iar această locație este locul în care „ajunge fotonul”. Aceasta este ceea ce se numește colapsul funcției de undă. Această natură a luminii asemănătoare undelor și a particulelor este cunoscută sub numele de dualitate undă - particulă. Studiul luminii, cunoscut sub numele de optică, este un domeniu important de cercetare în fizica modernă.

Lumina își are și rolul în biologie. La mamifere, lumina controlează sensul vederii și ceasul circadian activând proteine ​​sensibile la lumină în celulele fotoreceptoare din retina ochiului. În cazul vederii, lumina este detectată de rodopsină în celulele cu tije și conuri. În cazul ceasului circadian, un fotopigment diferit, melanopsina, este responsabil pentru detectarea luminii în celulele ganglionului retinian fotosensibil intrinsec. [

Spectrul electromagnetic și lumina vizibilă

Spectrul electromagnetic, cu porțiunea vizibilă evidențiată

În general, radiația EM (denumirea „radiație” exclude câmpurile electrice, magnetice și apropiate), sau EMR, este clasificată după lungimea de undă în unde radio, microunde, infraroșu, spectrul vizibil pe care îl percepem ca lumină, ultraviolet, raze X și razele gamma.

Comportamentul EMR depinde de lungimea sa de undă. Frecvențele mai mari au lungimi de undă mai mici, iar frecvențele mai mici au lungimi de undă mai mari. Când EMR interacționează cu atomi și molecule unice, comportamentul său depinde de cantitatea de energie pe cuantă pe care o transportă.

EMR în regiunea luminii vizibile constă în cuante (numite fotoni) care se află la capătul inferior al energiilor care sunt capabile să provoace excitație electronică în cadrul moleculelor, ceea ce duce la schimbări în legătura sau chimia moleculei. La capătul inferior al spectrului luminii vizibile, EMR devine invizibil pentru oameni (infraroșu), deoarece fotonii săi nu mai au suficientă energie individuală pentru a provoca o schimbare moleculară de durată (o schimbare a conformației) în molecula vizuală retiniană în retina umană, care schimbarea declanșează senzația de vedere.

Există animale care sunt sensibile la diferite tipuri de infraroșu, dar nu prin absorbția cuantică. Detectarea infraroșu la șerpi depinde de un fel de imagistică termică naturală, în care pachete mici de apă celulară sunt ridicate la temperatură de radiația infraroșie. EMR din acest domeniu provoacă vibrații moleculare și efecte de încălzire, așa cum le detectează aceste animale.

Deasupra intervalului de lumină vizibilă, lumina ultravioletă devine invizibilă pentru oameni, mai ales pentru că este absorbită de cornee sub 360 nm și de lentila internă sub 400 nm. Mai mult, tijele și conurile situate în retina ochiului uman nu pot detecta lungimile de undă ultraviolete foarte scurte (sub 360 nm) și sunt de fapt deteriorate de ultraviolete. Multe animale cu ochi care nu necesită lentile (cum ar fi insectele și creveții) sunt capabile să detecteze ultraviolete, prin mecanisme cuantice de absorbție a fotonilor, în același mod chimic în care oamenii detectează lumina vizibilă.

Diferite surse definesc lumina vizibilă la fel de îngust de 420-680 nm [7] [8] până la 380-300 nm. [9] [10] În condiții ideale de laborator, oamenii pot vedea infraroșu până la cel puțin 1050 nm; [11] Copiii și adulții tineri pot percepe lungimi de undă ultraviolete până la aproximativ 310-313 nm. [12] [13] [14]

Creșterea plantelor este, de asemenea, afectată de spectrul de culoare al luminii, un proces cunoscut sub numele de fotomorfogeneză.

Presiunea luminii sau a radiației

Lumina exercită presiune fizică asupra obiectelor aflate pe calea sa, fenomen care poate fi dedus de ecuațiile lui Maxwell, dar care poate fi explicat mai ușor prin natura particulelor luminii: fotonii lovesc și își transferă impulsul. Presiunea luminii este egală cu puterea fasciculului de lumină împărțit la c, viteza luminii. Datorită magnitudinii c, efectul presiunii luminii este neglijabil pentru obiectele cotidiene. De exemplu, un indicator laser de un miliwatt exercită o forță de aproximativ 3,3 piconewtoni asupra obiectului care este iluminat; astfel, s-ar putea ridica un S.U.A. penny cu pointeri laser, dar pentru a face acest lucru ar necesita aproximativ 30 de miliarde de pointeri laser de 1 mW. [20] Cu toate acestea, în aplicații la scară nanometrică, cum ar fi sistemele nanoelectromecanice (| NEMS), efectul presiunii luminii este mai semnificativ și exploatarea presiunii luminii pentru a acționa mecanismele NEMS și pentru a întoarce comutatoarele fizice la scară nanometrică în circuite integrate este un activ domeniul de cercetare. [21] La scări mai mari, presiunea ușoară poate face ca asteroizii să se învârtă mai repede, [22] acționând asupra formelor lor neregulate ca pe paletele unei mori de vânt. Posibilitatea de a face vele solare care ar accelera navele spațiale în spațiu este, de asemenea, în curs de investigare. [23] [24]

Deși mișcarea radiometrului Crookes a fost inițial atribuită presiunii luminii, această interpretare este incorectă; rotația caracteristică a Crookes este rezultatul unui vid parțial. [25] Acest lucru nu trebuie confundat cu radiometrul Nichols, în care mișcarea (ușoară) cauzată de cuplu (deși nu este suficientă pentru o rotație completă împotriva fricțiunii) este cauzată direct de presiunea ușoară. [26] Ca o consecință a presiunii ușoare, Einstein [27] în 1909 a prezis existența „frecării radiației” care s-ar opune mișcării materiei. El a scris: „Radiațiile vor exercita presiune pe ambele părți ale plăcii. Forțele de presiune exercitate pe cele două părți sunt egale dacă placa este în repaus. Cu toate acestea, dacă este în mișcare, mai multă radiație va fi reflectată pe suprafața care este în față în timpul mișcării (suprafața frontală) decât pe suprafața din spate. Forța de presiune exercitată pe suprafața frontală este astfel mai mare decât forța de presiune care acționează pe spate. Prin urmare, ca rezultat al celor două forțe, rămâne o forță care contracarează mișcarea plăcii și care crește odată cu viteza plăcii. Vom numi acest rezultat „frecare de radiație” pe scurt. ”