Το λήμμα δεν περιέχειπηγές ή αυτές που περιέχει δεν επαρκούν.Μπορείτε να βοηθήσετε προσθέτοντας την κατάλληλη τεκμηρίωση. Υλικό που είναι ατεκμηρίωτο μπορεί να αμφισβητηθεί και να αφαιρεθεί. Η σήμανση τοποθετήθηκε στις 15/11/2013.
Φως που μπαίνει από παράθυρο εκκλησίαςΤοφάσμα της ορατής ακτινοβολίας.
Ανάλογα με τις εκάστοτε συνθήκες το φως εκδηλώνει ιδιότητες είτε φωτεινούκύματος, (φωτεινή ακτίνα), είτε δέσμης σωματιδίων, (φωτεινή δέσμη ή δέσμες). Αυτό το έδειξε το ονομαζόμενο "πείραμα των δύο σχισμών". Τα στοιχειώδη σωματίδια-κύματα (κβάντα) φωτός ονομάζονταιφωτόνια.
Η πρώτη υποστήριζε ότι το φως αποτελείται από ρεύμα σωματιδίων το οποίο εκπέμπεται από το ανθρώπινομάτι, χτυπά πάνω στα αντικείμενα και κατά την επιστροφή του στο μάτι δημιουργεί το αίσθημα της όρασης.
Η δεύτερη υποστήριζε –πιο ορθά– ότι το ρεύμα σωματιδίων του φωτός δεν προέρχεται από το μάτι, αλλά από πηγές φωτός (σωματιδιακή φύση φωτός).[1][2]
Το μοντέλο της ευθύγραμμης διάδοσης του φωτός (το φως είναι ακτίνες)
Το μοντέλο της κυματικής του φωτός (το φως είναικύμα)
Το σωματιδιακό μοντέλο του φωτός (το φως είναι σωματίδιο)
Το μοντέλο των μετατροπών ενέργειας του φωτός (το φως είναιενέργεια)[3]
Η διάδοση του φωτός στον χώρο γενικά ακολουθεί τις εξής αρχές:
Αρχή τουΉρωνα: Το φως διαδιδόμενο (από ένα σημείο στο αμέσως επόμενο) ακολουθεί (οδεύοντας) τη συντομότερη (χρονικά) οδό. (Η αρχή αυτή ισχύει για όλα ταοπτικά μέσα, ακόμη και για τα "μη ισότροπα", στα οποία η συντομότερη οδός διάδοσης του φωτός δεν είναι ευθεία. Ο Ήρωνας, αναφερόμενος στη συντομότερη οδό, εννοούσε το μήκος της διαδρομής. Τα εντός παρένθεσης διορθώνουν σύμφωνα με τα σήμερα αποδεκτά).
Το φως σε ένα ισότροπο μέσο διαδίδεται ευθύγραμμα, όταν και ο χώρος είναι ισότροπος. (Πρέπει δηλαδή το φως να διέρχεται και από χώρο με μη έντονη διαβάθμιση τηςβαρύτητας ή καμπύλωσης τουχωροχρόνου, όπως αυτή εξηγείται με τηγενική θεωρία της σχετικότητας.)
Όταν μια δέσμη ακτίνων φωτός συναντήσει μία λεία και στιλπνή επιφάνεια, όπως είναι η επιφάνεια ενόςκατόπτρου, αλλάζει πορεία,ανακλάται. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται κατοπτρικήανάκλαση. Η γωνία πρόσπτωσης των φωτεινών ακτίνων είναι ίση με τηγωνία ανάκλασης. Αν η επιφάνεια επάνω στην οποία πέφτουν οι ακτίνες είναι τραχιά και ανώμαλη, τότε οι ακτίνες ανακλώνται προς διαφορετικές κατευθύνσεις και διασκορπίζονται. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεταιδιάχυση του φωτός.Τα σκουρόχρωμα αντικείμενα απορροφούν το μεγαλύτερο μέρος της φωτεινής ακτινοβολίας. Βλέπουμε τα αντικείμενα αυτά σε αντίθεση με το ανοιχτόχρωμο περιβάλλον. Στις ανοιχτόχρωμες επιφάνειες το φως κυρίως ανακλάται ή διαχέεται, ενώ στις σκουρόχρωμες κυρίως απορροφάται.[4]
Μια ειδική πηγή φωτός που κατέκτησε μια διακεκριμένη θέση τα τελευταία 30 χρόνια είναι τολέιζερ (laser). Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του φωτός λέιζερ είναι ότι μπορεί να θεωρηθεί πολύ περισσότερο σχεδόν μονοχρωματικό - πράγμα που υποδηλώνει ότι έχει σε πολύ μεγάλο βαθμό μια μόνη συχνότητα - συγκρινόμενο με το φως οποιασδήποτε άλλης πηγής.[5]
Αυτόφωτα σώματα: χαρακτηρίζονται όλα εκείνα που εκπέμπουνενέργεια σε μορφή του φωτός. Λέγονται επίσης καιφωτεινές πηγές.
Ετερόφωτα σώματα: χαρακτηρίζονται όλα εκείνα που δεν εκπέμπουν τα ίδια φως, αλλά γίνονται αντιληπτά όταν φως προερχόμενο από αλλού πέσει επάνω τους και ανακλαστεί ή περάσει μέσα από το υλικό τους.
Φωτεινή ακτίνα ή ακτίνα φωτός: ονομάζεται η τροχιά μεταβίβασης τηςφωτεινής ενέργειας.
Φωτεινή δέσμη ή δέσμη φωτός: χαρακτηρίζεται ένα σύνολο από φωτεινές ακτίνες. Οι φωτεινές δέσμες διακρίνονται σεπαράλληλες,συγκλίνουσες και σεαποκλίνουσες.
Παράλληλη δέσμη φωτός λέγεται εκείνη της οποίας οι ακτίνες είναι μεταξύ τους παράλληλες.
Συγκλίνουσα δέσμη φωτός λέγεται εκείνη τις οποίας οι ακτίνες κατευθύνονται προς ένα σημείο που ονομάζεταισημείο σύγκλισης.
Αποκλίνουσα δέσμη φωτός λέγεται τέλος εκείνη τις οποίας οι φωτεινές ακτίνες προέρχονται από ένα σημείο και στη συνέχεια αποκλίνουν.
Αν οι φωτεινές ακτίνες μιας συγκλίνουσας δέσμης συνεχίσουν την πορεία τους πέραν τουσημείου σύγκλισης τότε εμφανίζονται ως αποκλίνουσα δέσμη.
Σημειακή φωτεινή πηγή χαρακτηρίζεται εκείνη της οποίας οι διαστάσεις θεωρούνται αμελητέες σε σύγκριση αποστάσεων από τα διαπερατά μέσα, τον φακό ή το κάτοπτρο ή και των διατάσεων των αντικειμένων εξ αυτών. Συχνή είναι η χρήση της στη σχεδίαση και στην επίλυση σχετικών προβλημάτων.
Ένα από τα σκοτεινότερα αλλά και ελκυστικότερα θέματα που απασχόλησαν τον άνθρωπο ήταν και η φύση του φωτός. Η έρευνα γύρω από το πρόβλημα αυτό σύνδεσε μεγάλα ονόματα της επιστήμης. Πρώτος οΙσαάκ Νεύτων (1643-1727) και στη συνέχεια ο Ολλανδός φυσικόςΚρίστιαν Χόιχενς (1629-1695) ανέπτυξαν θεωρίες που για πολλά χρόνια αντιμάχονταν σε μεγάλο βαθμό. Το μεγάλο κύρος του πρώτου απέτρεπε κάθε ένσταση ή άλλη πρόταση ακόμη και συμβιβασμούς. Όταν όμως μια θεωρία δεν μπορεί να δώσει λύσεις σε όλο το εύρος της τότε αυτή πάσχει. Έτσι κλονίζεται και παραχωρεί τη θέση της σε άλλη. Αυτό συνέβη και με τη θεωρία του Νεύτωνα που δεν μπόρεσε να αντέξει ελέγχους και παρατηρήσεις που είχαν να κάνουν και από τις μετρήσεις τηςταχύτητας του φωτός. Όμως το τελειωτικό κτύπημα δόθηκε από τον Γάλλο φυσικόΟγκιστέν Φρενέλ (1788-1827) όταν ανακάλυψε το φαινόμενο της συμβολής ή αλληλοτυπίας του φωτός όπου φως προστιθέμενο σε φως άλλοτε γεννά εντονότερο και άλλοτε ασθενέστερο ακόμη και σκότος. Έτσι σύμφωνα με αυτά το φως χαρακτηρίζεται απόκύματα και έτσι εδραιώθηκε η πεποίθηση της κυματικής φύσεως του φωτός. Στη συνέχεια οι φυσικοί προχώρησαν στην ερμηνεία των φαινομένων τηςδιάθλασης, τηςπερίθλασης και τηςπόλωσης του φωτός. Τότε όμως πρόβαλε μια άλλη δυσκολία που αφορούσε τη φύση του μέσου αν πάλλεται και πώς πάλλεται και διαδίδει το φως. Και αυτή η δυσκολία παραμερίστηκε όταν ο Άγγλος φυσικόςΤζέιμς Μάξγουελ απέδειξε θεωρητικά το 1870 ότι τα φωτεινά κύματα είναι κύματα ηλεκτρομαγνητικά περιοδικώς μεταβλητά κατά χρόνο και τόπο και ότι στην ουσία το μέσο διάδοσης είναι το ίδιο το κύμα, όπου πρακτικά η ηλεκτρική συνιστώσα ταξιδεύει πάνω στη μαγνητική και αντίστροφα. Τέλος όταν η θεωρία του Μάξγουελ επαληθεύτηκε στα πειράματα τουΧάινριχ Χερτζ το 1888 δεν έμεινε πλέον καμία αμφιβολία ότι τα κύματα του φωτός έχουν ηλεκτρομαγνητική φύση.
Έτσι είχαν τα πράγματα μέχρι το τέλος του αιώνα όταν ξεπρόβαλε νέα δυσκολία ακολουθίας της τελευταίας θεωρίας που ήταν πιο έντονη και που αφορούσε ένα φαινόμενο που ήταν αδύνατον να ερμηνεύσει ηκυματική. Ήταν το "φωτοηλεκτρικό" όπως ονομάσθηκε. Παρατηρήθηκε δηλαδή πως ότανφωτεινή δέσμη μικρού μήκους κύματος προσπέσει σε μεταλλική πλάκα αποσπώνται από αυτήηλεκτρόνια και μάλιστα αμέσως όσο ασθενές κι αν είναι το φως. Βέβαια για να αποσπασθεί ένα ηλεκτρόνιο απαιτείται κάποια ενέργεια. Αν επομένως το φως είναι κύμα, που έχει το χαρακτηριστικό της συνέχειας, θα έπρεπε να πέρναγε κάποιος χρόνος μέχρι αυτό το ηλεκτρόνιο να απορροφήσει ενέργεια για να αποσπασθεί λαμβανομένου υπ΄ όψη ότι ηταχύτητα των ηλεκτρονίων είναι ίδια όση απόσταση κι αν παρεμβάλλεται μεταξύ πηγής και πετάσματος. Οι παρατηρήσεις αυτές έφεραν σε πολύ δύσκολη θέση τους φυσικούς. Πώς να συμβιβάσουν τη θεωρία με την παρατήρηση; Έτσι αν τα πειράματα ήταν ορθά θα έπρεπε να αναζητηθεί άλλη βάση της υφής του φωτός που να ερμηνεύει και το νέο πλέον παρατηρούμενο φαινόμενο. Στη δύσκολη αυτή θέση των φυσικών στις 14 Δεκεμβρίου του 1900 ο φυσικός και καθηγητής του Πανεπιστημίου του ΒερολίνουΜαξ Πλανκ (1858-1947) έκανε μια καταπληκτική ανακοίνωση που αποτέλεσε τη βάση της θεωρίας τωνκβάντα με την οποία και ανατράπηκε η μέχρι τότε αντίληψη περί της συνέχειας της ακτινοβολίας.
Οι δηλώσεις αυτές του Πλανκ πράγματι συγκλόνισαν όπως ήταν επόμενο τους φυσικούς που την υποδέχθηκαν στην αρχή με επιφυλάξεις και σκεπτικισμό. Στις επιφυλάξεις εκείνες που διέκοψαν τις περαιτέρω έρευνες, ακούσθηκε το 1905 η επιδοκιμαστική φωνή τουΆλμπερτ Αϊνστάιν, που προχώρησε και πέραν των αρχικών θέσεων του Πλανκ και έδωσε την απόδειξη με την "κβαντική σύσταση του φωτός". Έτσι οι δισταγμοί υποχώρησαν και οι τότε φυσικοί εξοικειώθηκαν με τη σύγχρονη αντίληψη. Με την ανάπτυξη ακόμη τηςμικροφυσικής νέα ακόμη φαινόμενα ανακαλύφθηκαν που ήταν εξηγήσιμα μεν με την κυματική θεωρία αλλά όμως με την κβαντική ερμηνεύονταν καλύτερα. Έτσι μέσα από αυτόν τον υπέροχο δρόμο της έρευνας πραγματοποιείται η σύνθεση της θεωρίας του Νεύτωνα και της κυματικής του Χόιχενς, αφού τοφωτόνιο του Πλανκ είναι κάτι και από τα δύο δηλαδή σωμάτιο και κύμα.
Ακολουθεί, πολύ συνοπτικά, η επιμέρους παράθεση των παραπάνω θεωριών:
Η πρώτη θεωρία που εξηγούσε κάπως ικανοποιητικά ορισμένα από τα φαινόμενα που έχουν σχέση με το φως διατυπώθηκε από τονΙσαάκ Νεύτωνα ο οποίος δεχόταν ότι τα φωτεινά σώματα εκπέμπουν σωματίδια, τα οποία κινούνται ευθύγραμμα και μεταχύτητα ίση με την ταχύτητα διάδοσης του φωτός. Τα σωματίδια αυτά ανακλώνται στο μάτι και προκαλούν την ανάλογη αίσθηση, αντίληψη.
Σε μεγάλη αντιπαράθεση της προηγούμενης θεωρίας την ίδια εποχή υπήρξε αυτή του Χόιχενς. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή το φως αποστέλλεται από κύματα κατά περιοδικές "διαταραχές" κάποιου υποθετικού μέσου. Εστίες των περιοδικών αυτών μεταβολών είναι οιφωτεινές πηγές των οποίων τα μόρια βρίσκονται σε "ταχύτατη κραδασμική κίνηση" ενώ το υποθετικό μέσον δια του οποίου μεταδίδονται οι παλμικές κινήσεις είναι ο "αιθέρας", έναελαστικόακίνητο καιαβαρέςρευστό με το οποίο πληρείται τοσύμπαν. Ο αιθέρας αυτός φέρεται διάχυτος στο μεταξύ τωνουρανίων σωμάτων διάστημα, προκειμένου έτσι να εξηγηθεί η εις το "κενό" διάδοση του φωτός αυτών των ουρανίων σωμάτων.
Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή που ονομάζεται και "ηλεκτρομαγνητική θεωρία τουΜάξγουελ" λαμβάνοντας ως βάση την κυματική θεωρία του Χόιχεν, προτάθηκε ότι το φως είναιηλεκτρομαγνητικά κύματα που ξεκινούν απόφωτεινή πηγή. Η θεωρία αυτή επιβεβαιώθηκε αργότερα με τα πειράματα που έκανε οΧάινριχ Χερτζ.
Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή το φως ως ενέργεια ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου εκπέμπεται και διαδίδεται στον χώρο κατά στοιχειώδη ποσά (δηλαδή ούτε συνέχεια ούτε ομοιόμορφα κατ΄ έκταση) που καλούνταικβάντα ενέργειας. Τα κβάντα ενέργειας που ανάγονται στο φως ονομάζονταιφωτόνια (βλ.Κβαντική οπτική).
Γενικά σήμερα έχει γίνει αποδεκτή η ταχύτητα του φωτός στο κενό ίση με299.792,458 Km/sec. Σημειώνεται πως με τη γενικήθεωρία της σχετικότητας τουΆλμπερτ Αϊνστάιν η ταχύτητα του φωτός είναι η οριακή ταχύτητα στη φύση και κανένα υλικό σώμα δεν μπορεί να υπερβεί αυτή. Επιπλέονη παραπάνω θεωρία κατάργησε τοναιθέρα[εκκρεμείπαραπομπή], το υποθετικό εκείνο μέσον δια του οποίου μεταδίδεται το φως. Στη θέση εκείνου τουελαστικού καιακίνητου αιθέρα έχει αντιπαραταχθεί τοχωροχρονικό συνεχές στις τέσσερις διαστάσεις μέσα στις οποίες διαδραματίζονται όλα τα φαινόμενα.
Για το ίδιο το φως που ταξιδεύει στο κενό δεν υφίσταται η έννοια του χρόνου. Το ίδιο το φως δεν «καταλαβαίνει» τον χρόνο γιατί ταξιδεύει με τη μέγιστη ταχύτητα και για το ίδιο ο χρόνος δεν περνά. Το μόνο που «καταλαβαίνει» είναι πως ανταλλάσσει ενέργεια μεταξύ διαδοχικών σημείων. Η κάθε στιγμή "χρόνου" που βιώνει είναι μόνο η κάθε επόμενη ενεργειακή ανταλλαγή που κάνει, αδιάφορα αν για εμάς έχει ταξιδέψει λίγα μόνο μέτρα από το σημείο που εκπέμφθηκε ή προέρχεται από κάποιο σημείο του σύμπαντος σε ένα ταξίδι (όπως το μετράμε εμείς) κάποιων δισεκατομμυρίων ετών.
Όταν μια φωτεινή δέσμη λευκού φωτός συναντήσει τη διαχωριστική επιφάνεια δύο διαφανών μέσων θα παρουσιάσει διάθλαση των φωτεινών της ακτίνων με διαφορετικές διευθύνσεις και διαφορετικά χρώματα.[6] Αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί καλύτερα αν η παράλληλη δέσμη του λευκού φωτός συναντήσει ένα διαφανέςπρίσμα.[7] Επειδή αυτό παρουσιάζει διαφορές στην τιμή του δείκτη διάθλασης για κάθε διαφορετικό μήκος κύματος φωτεινής ακτίνας η αρχική δέσμη αναλύεται σε επιμέρους ομόχρωμες δέσμες με διαφορετικές διευθύνσεις. Αυτές οι διαφορετικές κατά χρώμα και διεύθυνση ακτίνες αν στη συνέχεια προσπέσουν σε μια λευκή οθόνη (πέτασμα) θα παρουσιάσει μια έγχρωμη ταινία που ονομάζεταιορατό φάσμα. Τα άκρα αυτής της ταινίας απολήγουν με τα χρώματακόκκινο καιιώδες. Η σειρά των χρωμάτων αυτών είναι:Κόκκινο,κίτρινο,πράσινο,μπλε καιιώδες. Αν μια από αυτές τις αναδυόμενες οδηγηθεί σε άλλο πρίσμα θα διαπιστωθεί ότι αυτή δεν θα αναλυθεί περαιτέρω αλλά το μόνο που θα υποστεί θα είναι να αλλάξει διεύθυνση. Τούτο σημαίνει ότι ταφωτόνια της συγκεκριμένης δέσμης έχουν την αυτήσυχνότητα, δηλαδή το ίδιομήκος κύματος. Την ανάλυση του φωτός ωςφάσμα, εξετάζει με ειδικά όργανα ηφασματοσκοπία.
Κάθε σύνθετο φως μπορεί να υποστεί ανασύνθεση από τις συνιστώσες ακτίνες του. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν οι αναδυόμενες από ένα διαφανές πρίσμα μονοχρωματικές φωτεινές ακτίνες προσπέσουν σε όμοιο ισότροπο πρίσμα σε αντίστροφη διάταξη οπότε εξερχόμενες του δεύτερου θα συγκεντρωθούν σε ένα σημείο σχηματίζοντας μια λευκή κηλίδα. Αν το αρχικό φως δεν ήταν λευκό αλλά κάποιο άλλο σύνθετο, τότε η τελική κηλίδα θα έχει το αυτό χρώμα με το αρχικό.
Μια τέτοια ανασύνθεση λευκού φωτός μπορεί να γίνει επίσης και με τον δίσκο του Νεύτωνα. Πρόκειται για έναν δίσκο που περιστρέφεται με μεγάληταχύτητα και που είναι χρωματισμένος κατά τομείς με τα χρώματα τουορατού φάσματος σε ίδια σειρά χρωμάτων. Μόνο που η επιφάνεια του κάθε χρωματιστού τομέα είναι ανάλογη της περιεκτικότητας των διαφόρων χρωμάτων στο λευκό φως. Όταν λοιπόν ο δίσκος αυτός περιστρέφεται με ταχύτητα δημιουργείται στον οφθαλμό η εντύπωση του λευκού φωτός. Αυτό συμβαίνει διότι η εντύπωση του κάθε χρώματος παραμένει στο μάτι για 1/16 του δευτερολέπτου. Όμως στον χρόνο αυτό συμβαίνει να έχουν παρέλθει, με την ταχύτητα περιστροφής του δίσκου, όλα τα χρώματα.
