Astronomía

¿Por qué la luz azul se extingue con más fuerza que la roja?

¿Por qué la luz azul se extingue con más fuerza que la roja?


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Sabemos que la luz azul se extingue con más fuerza que la roja (los ejemplos incluyen ISM, atmósfera, etc.), pero ¿por qué? ¿Es una propiedad de la propia longitud de onda más corta? ¿Alguien puede proporcionar una explicación conceptual de por qué ocurre esto? TIA


El enrojecimiento (o el hecho de que la luz azul se extingue más que la roja, lo que hace que los objetos parezcan más rojos) se debe a la interacción entre la luz y los granos de polvo y las moléculas de gas que atraviesa, y es causado por el tamaño relativo del granos de polvo y de la longitud de onda. De hecho, los granos de polvo son muy efectivos para dispersar la luz que tiene una longitud de onda que es aproximadamente del mismo tamaño que el grano.

Vea esta ilustración de la universidad de virginia

Los granos de polvo en el medio interestelar tienen un tamaño de aproximadamente 1 micrón o menos. Debido a esto, la luz azul (0.4 $ mu $m) es absorbido / dispersado por el polvo, pero la luz roja (0,7 $ mu $m) atraviesa. Dado que el infrarrojo tiene una longitud de onda aún más larga, hay nebulosas que oscurecen las estrellas de fondo en la luz visible, pero que son transparentes en el infrarrojo.

El mismo fenómeno hace que las puestas de sol se vean rojas, y más aún después de una erupción volcánica, cuando hay más polvo en la atmósfera.


Hay dos efectos que causan esto:

La cantidad relevante para determinar si un fotón interactúa o no con una partícula es la relación $$ x equiv frac {2 pi r} { lambda}, $$ dónde $ r $ es un tamaño del agente de dispersión.

La dispersión de Rayleigh

Cuándo $ x ll 1 $, estamos en el régimen de Rayleigh donde la longitud de onda es tan larga en comparación con la partícula que el campo eléctrico del fotón hace que las cargas dentro de la partícula oscilen con la misma frecuencia, resultando efectivamente en una dispersión dipolar. Esto tiene una dependencia de la longitud de onda muy fuerte, con la probabilidad de que la interacción comience proporcional a $ lambda ^ {- 4} $.

Mie dispersando

Cuándo $ x sim 1 $, estamos en el régimen de Mie, donde la probabilidad de interacción es mayor. Entonces, si tuvieras un conjunto de partículas de tamaño aleatorio con una cantidad igual de cualquier tamaño, y brillaras un haz de luz que consiste en fotones con la misma distribución de longitudes de onda, dispersarías todos los fotones con la misma probabilidad (a menos que, por supuesto, tu distribución se extendiera a valores muy pequeños de $ x $).

Sin embargo, como ocurre con muchas otras cosas en el Universo, p. Ej. galaxias, estrellas, ciudades, lagos y riquezas: los granos de polvo son no igualmente distribuidos en tamaño, pero tiene una distribución que declina como una ley de potencia de tamaño pequeño a grande. En el caso de los granos de polvo, esta potencia es muy pronunciada, con una pendiente de ley de potencia de aproximadamente $-3.5$; es decir, la densidad $ n $ de granos de polvo en función de las gotas de tamaño $$ n (r) propto r ^ {- 3.5}. $$

Por lo tanto, hay muchos más granos de polvo pequeños disponibles, que envuelven los fotones azules para que se dispersen con mucha más frecuencia.

Partículas más grandes / longitudes de onda más pequeñas

Cuándo $ x> 1 $, pero menos que $ simeq1.8 $, la probabilidad de dispersión disminuye, lo que significa que en esta ventana estrecha, rojo la luz se dispersa más fácilmente que el azul. Casualmente, estos valores corresponden a la luz óptica y el polvo en Marte, lo que conduce a puestas de sol azules, como se analiza en esta respuesta.

Cuándo $ x gg 1 $ - es decir, cuando las partículas se vuelven muy grandes en comparación con la longitud de onda - tenemos "dispersión geométrica", toda la luz se dispersa por igual. En astronomía, a esto lo llamamos "polvo gris" y sería causado, por ejemplo, por guijarros pequeños.

Dispersión frente a absorción

La albedo $ A $ de los granos de polvo, es decir, la probabilidad de que una interacción dé como resultado una dispersión en lugar de una absorción, también depende de la longitud de onda, pero no tan fuerte. Los valores típicos son De la orden de $0.5$, pero disminuye hacia cero para longitudes de onda largas (por ejemplo, Pei 1992)


Prueba de astronomía 4

Gravitación: movimiento, o tendencia a moverse, hacia un centro de fuerza de atracción, como en la caída de cuerpos a la tierra.

Electromagnetismo: tipo de interacción física que ocurre entre partículas cargadas eléctricamente. La fuerza electromagnética generalmente muestra campos electromagnéticos, como campos eléctricos, campos magnéticos y luz.

Interacción débil: en la física de partículas, la interacción débil es el mecanismo responsable de la fuerza débil o la fuerza nuclear débil, una de las cuatro interacciones fundamentales conocidas de la naturaleza, junto con la interacción fuerte, el electromagnetismo y la gravitación. La interacción débil es responsable de la desintegración radiactiva de las partículas subatómicas y juega un papel esencial en la fisión nuclear. La teoría de la interacción débil a veces se llama flavordinámica cuántica (QFD), en analogía con los términos QCD y QED, pero el término rara vez se usa porque la fuerza débil se entiende mejor en términos de teoría electro-débil (EWT). [1 ]


¿Qué es el ozono?

Ozono u O3, es una molécula que consta de 3 átomos de oxígeno unidos entre sí. La mayor parte del gas (alrededor del 90%) se encuentra en la estratosfera, que comienza entre 10 y 17 kilómetros (6 y 10 millas) sobre la superficie de la tierra y se extiende hasta 50 kilómetros (30 millas). Tiene un color azul distintivo, por lo que muchas personas lo nombran como la causa principal del azul general del cielo. De hecho, esto es incorrecto. En cambio, el azul del cielo es causado principalmente por otros dos gases que son mucho más abundantes en la atmósfera terrestre y # x2019s, el oxígeno (O2) y nitrógeno (N2). Ambas moléculas son mucho más pequeñas que el ozono, lo cual es un hecho clave que deberá recordar para más adelante.

Representación de una molécula de ozono y una molécula de O2.


Física del color

Comience con una pieza de vidrio que tenga un revestimiento que refleje la luz azul.

Cuando lo tienes sobre una mesa lo que ves es la luz que se refleja, por lo que se ve azul.

Luego lo levantas y lo sostienes entre la luz y tu ojo. Dado que (algo de) el azul se refleja, lo que ves a través del cristal es lo que queda. En los términos más simples, lo que queda es rojo y verde que vemos como amarillo.

Sé que lo rojo + verde = amarillo es un poco difícil de asimilar, pero esa es la forma en que funciona la teoría del color debido a cómo funcionan nuestros ojos. Probablemente wiki ayudará en este sentido.


Ahora bien, ¿por qué el humo se reflejaría en azul? No se. ¿Por qué la pintura azul refleja el azul? Generalmente la explicación implica tener la pintura absorber rojo y verde y solo re-emiten azul. Entonces las moléculas de pintura tienen un afinidad para luz roja / verde, lo que significa que sus electrones pueden captura fotones con esas energías y eventualmente convertirlas en calor.

Ese no es un mecanismo tan bueno para mi explicación de solo reflexión, pero estoy bastante seguro de que está sucediendo algo similar. Otra posibilidad es: al mirar mediante humo contra el cielo tu ojo lo compara con el fondo azul y lo ve como más amarillo.

¿Quizás alguien que sepa más sobre gases y suspensiones pueda intervenir aquí? Realmente debería haberme detenido en la teoría del color.

Ampliando lo que ha escrito schip666:

Algunas de las partículas de humo son lo suficientemente pequeñas como para dispersar la luz. Las partículas de humo están muy diluidas en el aire, pero una pequeña porción de la luz que viaja a través del humo se dispersa. La porción azul del espectro se dispersa con más fuerza que la porción roja.

La misma dispersión tiene lugar en la atmósfera en su conjunto. Cuando el sol se pone (o cuando sale), la luz tiene un largo camino para viajar a través de la atmósfera antes de llegar a nuestros ojos. Es menos probable que la parte roja del espectro esté dispersa, por lo que al atardecer nos llega más rojo. Por eso el sol poniente se ve rojo.

Durante el día, cuando miramos una parte del cielo donde no está el Sol, vemos luz que se ha dispersado. Al mirar el cielo, ve la luz que no ha viajado desde el Sol en línea recta, ha "rebotado" al menos una vez. Es más probable que la parte azul del espectro esté dispersa, por lo que el cielo tiene un tinte azul.

Al mirar el cielo con aire cargado de humo en el medio, se obtiene el mismo efecto que hace que el sol poniente sea rojo. (El reconocimiento del color por la retina procede en comparación. Sus ojos ven menos azul en la luz que viaja a través del aire cargado de humo, en comparación con la luz "limpia" del cielo circundante. Eso es suficiente).

Finalmente, está el caso de mirar el aire cargado de humo sobre un fondo oscuro, con el aire cargado de humo iluminado por la luz del cielo. Más luz azul que luz roja se dispersa en todo el camino de regreso.


¿Porque el cielo es azul?

Para comprender por qué el cielo es azul, debemos considerar la naturaleza de la luz solar y cómo interactúa con las moléculas de gas que forman nuestra atmósfera. La luz del sol, que parece blanca para el ojo humano, es una mezcla de todos los colores del arco iris. Para muchos propósitos, la luz solar se puede considerar como una onda electromagnética que hace que las partículas cargadas (electrones y protones) dentro de las moléculas de aire oscilen hacia arriba y hacia abajo a medida que la luz solar atraviesa la atmósfera. Cuando esto sucede, las cargas oscilantes producen radiación electromagnética a la misma frecuencia que la luz solar entrante, pero se extienden en todas las direcciones diferentes. Esta redirección de la luz solar entrante por las moléculas de aire se llama dispersión.

El componente azul del espectro de luz visible tiene longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas que el componente rojo. Por lo tanto, cuando la luz del sol de todos los colores atraviesa el aire, la parte azul hace que las partículas cargadas oscilen más rápido que la parte roja. Cuanto más rápida es la oscilación, se produce más luz dispersa, por lo que el azul se dispersa con mayor intensidad que el rojo. Para partículas como las moléculas de aire que son mucho más pequeñas que las longitudes de onda de la luz visible, la diferencia es dramática. La aceleración de las partículas cargadas es proporcional al cuadrado de la frecuencia y la intensidad de la luz dispersa es proporcional al cuadrado de esta aceleración. Por tanto, la intensidad de la luz dispersa es proporcional a la cuarta potencia de frecuencia. El resultado es que la luz azul se dispersa en otras direcciones casi 10 veces más eficientemente que la luz roja.

Cuando miramos un punto arbitrario en el cielo, lejos del sol, solo vemos la luz que fue redirigida por la atmósfera hacia nuestra línea de visión. Debido a que eso ocurre con mucha más frecuencia con la luz azul que con la roja, el cielo parece azul. En realidad, la luz violeta se dispersa incluso un poco más intensamente que la azul. Sin embargo, la mayor parte de la luz solar que ingresa a la atmósfera es azul que violeta, y nuestros ojos son algo más sensibles a la luz azul que a la violeta, por lo que el cielo parece azul.

Cuando vemos el sol poniente en el horizonte, ocurre lo contrario. Solo vemos la luz que no se ha dispersado en otras direcciones. Las longitudes de onda rojas de la luz solar que atraviesan la atmósfera sin dispersarse llegan mucho a nuestros ojos, mientras que la luz azul fuertemente dispersa no lo hace. La distancia más larga que recorre la luz del sol a través de la atmósfera cuando está en el horizonte amplifica el efecto: hay más oportunidades de que la luz azul se disperse que cuando el sol está en lo alto. Por lo tanto, el sol poniente aparece rojizo. En un cielo contaminado, pequeñas partículas en aerosol de sulfato, carbono orgánico o polvo mineral amplifican aún más la dispersión de la luz azul, lo que hace que los atardeceres en condiciones de contaminación a veces sean espectaculares.

Las nubes, por otro lado, están formadas por gotas de agua que son mucho más grandes que las longitudes de onda de la luz visible. La forma en que dispersan la luz solar está determinada por la forma en que la luz se refracta y se refleja internamente y se difracta alrededor de las gotas de la nube. Para estas partículas, la diferencia entre la dispersión de la luz azul y roja no es tan grande como para las moléculas de gas. Por lo tanto, nuestros ojos reciben una luz dispersa sustancial en todas las longitudes de onda visibles, lo que hace que las nubes parezcan más blancas que azules, especialmente cuando se ven contra un fondo de cielo azul.

Dado que la dispersión por la atmósfera hace que el cielo sea azul, un planeta sin atmósfera no puede tener un cielo brillante. Por ejemplo, las fotografías tomadas por los astronautas del Apolo en la luna los muestran y la superficie de la luna está bañada por la luz del sol, pero un cielo completamente oscuro en todas las direcciones lejos del sol.


Sobre el centelleo de las estrellas

Entiendo el mecanismo general detrás del centelleo de las estrellas (y la apariencia más estable de los planetas), pero ayúdame a entender por qué vemos estrellas coloridas solo cuando están en altitudes más bajas (& lt 20º más o menos).

Al principio pensé que las estrellas en altitudes más altas deberían poder exhibir colores que las de altitudes más bajas, ya que su luz atraviesa menos aire. Cuanto menor es la perturbación, más estable es la luz dispersa que se encuentra con nuestros ojos y más coloridos aparecen. Las estrellas en altitudes más bajas tienen su luz mucho más perturbada, lo que hace que todos los colores de la luz dispersa se encuentren con el ojo en poco tiempo, lo que hace que se mezclen con el blanco (debido al tiempo de exposición lento del ojo: 1/15 de segundo).

Pero este no es el caso, ya que se ve que las estrellas en altitudes más altas son más blancas que las más bajas. Entonces, la única explicación en la que puedo pensar es por qué esto es así es la siguiente:

- la luz de las estrellas en altitudes más bajas sufre una mayor dispersión, lo que lleva a un ángulo elevado entre los rayos rojo y violeta. Para simplificar, suponga que no están lo suficientemente dispersos, por lo que todos los colores generados a partir de un rayo determinado todavía pasan a través de una sola bolsa de aire a una altura determinada. Si ese bolsillo dobla momentáneamente las longitudes de onda violetas hacia nuestros ojos, no doblará de manera similar otras longitudes de onda incidentes sobre él, ya que llegan a ángulos muy variables. Por lo tanto, la estrella parece ser violeta hasta que el mismo fenómeno se dobla en otra longitud de onda hacia nosotros.

Pero a veces, la estrella también parece ser blanca, lo que puede deberse a que los bolsillos adyacentes inclinan diferentes colores hacia nuestros ojos en el mismo instante.

El período de tal curvatura de una determinada longitud de onda no puede ser mucho más corto que el tiempo de exposición de nuestro ojo, de lo contrario, este último mezclaría estos colores para que parezca blanco en todo momento.

- la luz de las estrellas a mayor altitud experimenta una menor dispersión, lo que lleva a un ángulo bajo entre los rayos rojo y violeta. Si un bolsillo sobre el que incide dicha luz dispersa dobla momentáneamente las longitudes de onda violetas hacia nuestros ojos, también doblará de manera similar otras longitudes de onda incidentes sobre él, ya que llegan a ángulos poco profundos entre sí. Por tanto, la estrella parece ser blanca la mayor parte del tiempo.

Avísame si estoy en el camino correcto.

# 2 ravenhawk82

Tengo entendido que más luz se dispersa cuanto más bajo en el cielo se encuentran las estrellas debido a la cantidad de atmósfera a través de la cual tiene que viajar la luz, y esto puede provocar todo tipo de distorsiones. Esta es la misma razón por la que el sol y la luna aparecen rojos en el horizonte y cambian a blanco a medida que viajan más alto. Más atmósfera también significa más posibilidades de que esté mirando a través de la turbulencia en algún lugar, lo que puede cambiar la apariencia de la luz, ya sea parpadeando, cambiando o dispersando el color. La luz azul se dispersa especialmente por la atmósfera, tanto que el cielo se ve azul durante el día a medida que la luz azul se difunde por los rayos del sol.

Esto es lo que me han enseñado, pero no soy un físico, así que tómalo por lo que vale

# 3 GalaxyPiper

Longitudes de onda largas frente a longitudes de onda corta.

Esta es también la razón por la que el Sol se verá más anaranjado por la noche que durante el día, lo mismo ocurre con la luna. Más atmósfera, mayor longitud de onda, más rojo.

¡Esa atmósfera molesta siempre se interpone en el camino!

Editado por GalaxyPiper, 03 de abril de 2021-02: 02 PM.

# 4 ShaulaB

# 5 dearchichi

Gracias por las respuestas hasta ahora.

Sí, el centelleo de las estrellas en el horizonte es mucho más pronunciado debido a la mayor parte del aire por el que necesita viajar, pero me gustaría saber por qué los colores que muestran las estrellas también son más pronunciados cuando se colocan así. Como dije en el OP, habría pensado que cuanto peor era el parpadeo, más rápido pasarían los colores por nuestros ojos y más blancas aparecerían las estrellas. Pero este no es el caso.

El Sol en el horizonte aparece rojo ya que la mayoría de las longitudes de onda de alta frecuencia se han dispersado o han sido absorbidas por el vapor de agua o las moléculas de O4.

Editado por dearchichi, 03 de abril de 2021-03: 06 PM.

# 6 dearchichi

Por otro lado, compare la observación de Albireo (doble azul y dorado) cerca del horizonte con cerca de Venus. En mi opinión, los colores aparecen cerca del cenit.

Esto podría tener más que ver con los rápidos cambios en su intensidad cuando están bajos. Más cerca del cenit, sus intensidades son más estables y, por lo tanto, pueden presentar una mejor vista.

# 7 sg6

Las estrellas en lo alto vienen "fijas" de manera que, como la luz a través de un bloque de vidrio, hay poca división de la luz en longitudes de onda variadas. Algunos de un índice de reacción variable por longitud de onda.

Sin embargo, las capas atmosféricas en movimiento provocan el parpadeo.

A bajas altitudes, la atmósfera actúa más como un prisma. Entonces una estrella blanca brillará con más colores.

Debido a que la luz pasa a través de más atmósfera, la luz se dispersa más y el azul se dispersa proporcionalmente más y, por lo tanto, cuando lo mira, llega menos azul a su ojo.

La dispersión es proporcional a la frecuencia a la 4ª potencia. Entonces, en términos simples, si el rojo es 1, entonces el verde es 1,5 y el azul es 2, en frecuencias relativas aproximadas. Entonces, si una unidad es Roja está dispersa, entonces 5 unidades de Verde están dispersas y 16 unidades de Azul están dispersas. Básicamente, una gran cantidad de rojo llega directamente, por lo que las puestas de sol son rojas.

Ignorando eso, a bajas altitudes la atmósfera tiene más forma de prisma, y ​​como un prisma los colores están separados y así ves el efecto de prisma y muchos colores.

Entonces, a bajas altitudes tienes las capas atmosféricas en movimiento (5 ??), luego una mayor dispersión para que sean "más rojas" y finalmente el efecto de prisma que divide la luz como en los experimentos de Issacs Newton. Y solo el viejo prisma lo hace hasta el día de hoy.

Editado por sg6, 03 de abril de 2021-03: 46 PM.

# 8 Starman1

Entiendo el mecanismo general detrás del centelleo de las estrellas (y la apariencia más estable de los planetas), pero ayúdame a entender por qué vemos estrellas coloridas solo cuando están en altitudes más bajas (& lt 20º más o menos).

Al principio pensé que las estrellas en altitudes más altas deberían poder exhibir colores que las de altitudes más bajas, ya que su luz atraviesa menos aire. Cuanto menor es la perturbación, más estable es la luz dispersa que se encuentra con nuestros ojos y más coloridos aparecen. Las estrellas en altitudes más bajas tienen su luz mucho más perturbada, lo que hace que todos los colores de la luz dispersa se encuentren con el ojo en poco tiempo, lo que hace que se mezclen con el blanco (debido al tiempo de exposición lento del ojo: 1/15 de segundo).

Pero este no es el caso, ya que se ve que las estrellas en altitudes más altas son más blancas que las más bajas. Entonces, la única explicación en la que puedo pensar es por qué esto es así es la siguiente:

- la luz de las estrellas en altitudes más bajas sufre una mayor dispersión, lo que lleva a un ángulo elevado entre los rayos rojo y violeta. Para simplificar, suponga que no están lo suficientemente dispersos, por lo que todos los colores generados a partir de un rayo determinado todavía pasan a través de una sola bolsa de aire a una altura determinada. Si ese bolsillo dobla momentáneamente las longitudes de onda violetas hacia nuestros ojos, no doblará de manera similar otras longitudes de onda incidentes sobre él, ya que llegan a ángulos muy variables. Por lo tanto, la estrella parece ser violeta hasta que el mismo fenómeno se dobla en otra longitud de onda hacia nosotros.

Pero a veces, la estrella también parece ser blanca, lo que puede deberse a que los bolsillos adyacentes inclinan diferentes colores hacia nuestros ojos en el mismo instante.

El período de tal curvatura de una determinada longitud de onda no puede ser mucho más corto que el tiempo de exposición de nuestro ojo, de lo contrario, este último mezclaría estos colores para que parezca blanco en todo momento.

- la luz de las estrellas a mayor altitud experimenta una menor dispersión, lo que lleva a un ángulo bajo entre los rayos rojo y violeta. Si un bolsillo sobre el que incide dicha luz dispersa dobla momentáneamente las longitudes de onda violetas hacia nuestros ojos, también doblará de manera similar otras longitudes de onda incidentes sobre él, ya que llegan a ángulos poco profundos entre sí. Por tanto, la estrella parece ser blanca la mayor parte del tiempo.

Avísame si estoy en el camino correcto.

Obtuviste muchas respuestas buenas, pero la razón principal por la que las estrellas parecen más blancas más arriba es que, en general, las estrellas están blanco.

Excepto, quizás, las gigantes rojas, que emiten la mayor parte de su energía en rojo e infrarrojo, la mayoría de las estrellas son de espectro completo, visualmente.

Las estrellas más calientes emiten más violeta y azul, por lo que las vemos como azul-blancas, con énfasis en el blanco, y algunas estrellas más frías pueden aparecer un poco más amarillo-blancas, con énfasis en el blanco.

La luz de nuestro sol alcanza su punto máximo en amarillo, pero también vemos su luz como blanca.

Cualquier espectro que se extienda a través del rango visual debe estar severamente inclinado hacia un extremo del espectro para ver un color fuerte que no sea el blanco.

Una estrella que parece roja será una de esas estrellas, sin mucha energía en las longitudes de onda más cortas.

Pero la mayoría de las estrellas de la secuencia principal aparecen blancas. Incluso un gigante rojo como Betelgeuse parece rosado y emite muy poca energía en longitudes de onda más cortas.

Entonces, si la estrella NO aparece blanca y no es una gigante roja, lo más probable es que la baja altitud en la atmósfera, combinando atenuación debido a la extinción (que provoca un cambio espectral en el ojo) y refracción atmosférica,


¿Por qué la luz azul se extingue con más fuerza que la roja? - Astronomía

La física y las matemáticas del movimiento ondulatorio subyacen a muchos fenómenos importantes. La onda de agua en el mar, la vibración de una cuerda de violín y la onda de la mecánica cuántica asociada con un electrón pueden describirse de manera similar. La luz también muestra a menudo propiedades ondulantes. Comenzaremos el curso mirando la óptica & quotray & quot, pero luego haremos una pausa para un tratamiento general de ondas de todo tipo. Comenzaremos esta sección de ondas revisando ideas de oscilaciones y movimiento armónico simple, y pasaremos a ver la física de las ondas estacionarias y viajeras. Aplicaremos estas ideas a varios tipos de ondas y veremos cuán omnipresente es este tema en la física. Entonces estaremos en condiciones de considerar una serie de fenómenos en los que las propiedades ondulatorias de la luz son importantes.

La óptica es el estudio de la luz y sus usos. & quotLight & quot; es la radiación electromagnética que nuestros ojos pueden detectar, es decir, radiación electromagnética con longitudes de onda en el rango

400 nm - 700 nm (aunque a menudo se aplican ideas muy similares más allá de ambos extremos de este rango de longitud de onda). En este curso de conferencias veremos las ideas básicas de la propagación de la luz, la óptica geométrica (imágenes, etc.), la interferencia y difracción de la luz, y algunos de los muchos usos que se le dan a la luz. Lejos de ser un tema "antiguo", la óptica se está volviendo cada vez más importante a medida que se utilizan cada vez más los láseres y la optoelectrónica en la industria y la sociedad. Veremos varios ejemplos, incluidos la detección remota basada en láser, las comunicaciones ópticas, la medición de longitud basada en láser y el almacenamiento de datos ópticos (el CD). El último tema es el que ha traído láseres, óptica de precisión y optoelectrónica a muchos hogares. Usaremos este ejemplo a lo largo del curso para ilustrar los diversos fenómenos ópticos que intentaremos explicar.

Se ofrece un desglose más detallado en la página de inicio del curso. Las secciones son las siguientes:

  • Introducción - La relevancia de la óptica y la naturaleza de la luz.
  • Óptica geométrica: ley de Snell, reflexión interna total y ejemplos
  • Imágenes, fórmula de lente delgada y ejemplos de instrumentos ópticos
  • Oscilaciones y ondas: las oscilaciones y las ondas viajeras de movimiento armónico simple efecto Doppler superposición lineal y superan los reflejos de las ondas estacionarias.
  • Óptica de onda: descripción de onda
  • Interferencia de dos haces: rendijas de Young e interferómetro de Michelson
  • Interferencia de haz múltiple

¿Qué vimos en la presentación de diapositivas introductoria? Esta lista pretende indicar algunos ejemplos de ideas en óptica y ondas, y describir el camino que estaremos tomando en la asignatura durante las próximas conferencias.

El reproductor de discos compactos: nuestro principal ejemplo de la relevancia moderna de la óptica, y la excusa para obtener un respaldo musical.

Amanecer / atardecer rojo: la luz azul (longitud de onda corta) se dispersa con más fuerza que la roja (longitud de onda más larga), ya que la cantidad de dispersión depende de l- 4. Por eso el cielo nos parece azul. Además, cuando los rayos del sol se propagan a través de un largo camino en la atmósfera, se ha dispersado más luz azul que roja y, por lo tanto, queda más rojo que azul (dispersión de Rayleigh).

Cielos azules: parte de la luz solar que viaja a través de la atmósfera se dispersa hacia la tierra, por lo tanto, la luz azul se dispersa con más fuerza que la roja.

Blanca nieve - ¿Por qué la nieve es blanca? Véase, por ejemplo, "Nubes en un vaso de cerveza" de Craig Bohren.

Arco iris: todos los han visto, pero ¿cómo se divide la luz blanca en los arcos de diferentes colores que vemos en el arco iris? Consulte el material sobre arco iris en la sección de óptica de rayos para obtener más información.

Varios colores - ¿Qué es & quotcolor & quot? ¿Cuánto cuesta la física y cuánto cuesta la psicología y la fisiología? Los colores del espectro están directamente relacionados con la longitud de onda de la luz, rojo en

630 nm, naranja como en las farolas de sodio a 590 nm, amarillo alrededor de 570 nm, verde alrededor de 530 nm, azul alrededor de 480 nm. Otros colores como el marrón, gris, violeta, etc., son de origen tanto psicológico y fisiológico como físico.

Prisma y refracción: la luz "blanca" se compone de muchas longitudes de onda diferentes, que podemos separar utilizando, por ejemplo, un prisma.

Espectáculos, cámaras, - La idea de la lente y la formación de la imagen son importantes para los telescopios, binoculares, muchos instrumentos ópticos, y dedicaremos algún tiempo a desarrollar la teoría necesaria para predecir el comportamiento de la luz y las lentes.

Ojos de gato - ¿Qué está sucediendo en nuestro gato y en el camino para devolvernos reflejos fuertes hacia nosotros? Algunas ideas interesantes en refracción y reflexión aquí.

Relojes: el reloj de péndulo y el reloj de "cuarzo" funcionan debido al período bien definido asociado con un oscilador. Aunque los tamaños son muy diferentes, gran parte de la física es la misma.

Ondas de agua: las ondas de agua u ondulaciones transportan energía de un lugar a otro. ¿Cómo podemos describirlos?

Sirenas: el cambio de frecuencia que escuchamos a medida que pasa se debe al efecto Doppler. Volveremos a las mismas ideas más adelante usando la luz.

Instrumentos musicales: las ondas estacionarias establecidas en columnas de aire o en cuerdas son la base de la creación musical.

Ondas cuánticas: dejaremos un buen tratamiento de la mecánica cuántica a la Física 1B, pero observemos que muchas de las ideas de las ondas clásicas se transfieren a las complejidades del mundo cuántico.

Colores en derrames de petróleo y megaburbujas: ¿de dónde surgen estos colores? Necesitaremos usar ideas sobre la luz como onda y cómo las ondas pueden interferir entre sí para explicar el origen de estos patrones.

Espectros flotantes: se producen al hacer brillar un foco a través de un filtro de efectos especiales; de hecho, una rejilla de difracción. Tendremos que mirar la luz como una onda nuevamente aquí, y mostraremos cómo estos efectos pueden usarse para separar la luz de diferentes longitudes de onda en espectroscopía (terrestre o astronómica) y para colorear ciertos insectos.

Fibras ópticas: la aplicación de ideas básicas de reflexión y refracción muestra que la luz puede guiarse a lo largo de fibras transparentes. Esto puede usarse para iluminación o para comunicaciones ópticas. Comunicaciones ópticas? Si telefonea a alguien a más de unas pocas decenas de millas de distancia, es probable que esté usando fibras ópticas, y si usa las computadoras de la Universidad, toda la red está conectada mediante pulsos de luz que se aceleran a través de un bucle de fibras alrededor de St Andrews. La "luz" que se elige para su uso tiene una longitud de onda larga, debido a la dispersión de Rayleigh nuevamente. Esta escuela lidera actualmente una colaboración de investigación de 10.5 millones de libras que busca cómo obtener una transferencia de datos aún más rápida a través de las redes de comunicación óptica.

Láseres: un campo de investigación floreciente en esta escuela y un tema de importancia tecnológica. El láser es un excelente ejemplo del uso moderno de la óptica, con aplicaciones en el procesamiento de materiales, comunicaciones ópticas, almacenamiento de datos ópticos, medicina, guerra, ciencia, metrología y reprografía.

La mayoría de las ideas fundamentales en óptica de ondas están bien cubiertas en los libros de texto generales que le han recomendado (Halliday, Resnick y Walker Ohanian). Los libros específicamente sobre óptica que le pueden resultar útiles para leer incluyen

  • Lothian, & quot La óptica y sus usos & quot
  • Longhurst, & quot Óptica física y geométrica & quot
  • Jenkins y White, & quotFundamentals of Optics & quot
  • Hecht, & quotOptica & quot

Todos están reservados en la biblioteca departamental. Longhurst es mi favorito, pero Hecht es el que actualmente se recomienda comprar para el curso de Honores en Óptica.

Simulaciones e información electrónica

Utilizaré una serie de simulaciones por computadora en este curso para tratar de explicar lo que está sucediendo. Creo que los encontrará útiles para explorar. En las páginas web de resúmenes de conferencias, encontrará una serie de & quot; subprogramas de Java & quot que deberían poder ejecutarse en la mayoría de las computadoras. Estos son pequeños programas que nos permiten llevarlo a explorar algunas de las ideas de óptica. La mayoría son de otros sitios y se reconocen como tales. Los de Lightlink tienen un botón & lt = Atrás al pie de sus páginas; este no es un botón de regreso en el sentido correcto, al hacer clic en él, accederá al índice de Lightlink. En su lugar, utilice el botón Atrás de su navegador.

En las preguntas del tutorial hacemos uso de simulaciones más sustanciales, que están disponibles para su uso en nuestro Aula de PC. Las preguntas del tutorial impresas en este folleto también se reproducen electrónicamente en la World-Wide-Web. Estas páginas son accesibles desde computadoras en red dentro del dominio st-andrews.ac.uk. Pero para sacar el máximo provecho de ellos, el PC Classroom aquí es el mejor, ya que hay enlaces desde las páginas web a los programas de simulación que se cargan en la red de PC Classroom. Para acceder a las páginas asociadas con este (y otros) cursos dentro de la Escuela, siga los enlaces de la página de la Universidad & # 146s = & gt Academic Schools = & gt Física y Astronomía. Una vez allí, siga los enlaces sobre Enseñanza y Material didáctico. Se llevarán a cabo sesiones especiales durante la primera semana para presentar a los estudiantes el Aula de PC, Windows NT, la Web y el uso de las simulaciones. Además de ser útil para sus estudios de física, la experiencia en computadoras es ahora casi un requisito previo para muchas carreras.

Agradezco positivamente las interrupciones de cualquiera de ustedes durante la conferencia si no ha entendido un punto que he tratado de transmitir; probablemente no será el único. Del mismo modo, puede intentar arrancarme los sesos al final de la conferencia si hay algún problema pendiente. Your tutors can also be a great help, but remember that you will get the most out of your tutorials if you prepare beforehand, and, in particular, if you have attempted the questions on the tutorial sheets. You are welcome to ask me questions at other times of the week if you can find me (room 214, across the corridor from the school office and down a wee bit).

I strongly recommend that you review the material in each lecture as soon as possible, and certainly before the next lecture. As you can see from the course structure, many topics build on ideas presented before. Again I stress, if you have queries, please ask that is what your lecturers are here for. Bruce


Imagen de astronomía del día

¡Descubre el cosmos! Cada día se presenta una imagen o fotografía diferente de nuestro fascinante universo, junto con una breve explicación escrita por un astrónomo profesional.

2018 August 9
Red Planet, Red Moon, and Mars
Image Credit & Copyright: Alex Cherney (Terrastro, TWAN)

Explicación: Mars is also known as The Red Planet, often seen with a reddish tinge in dark night skies. Mars shines brightly at the upper left of this gorgeous morning twilight view from Mornington Peninsula, Victoria, Australia, but the Moon and planet Earth look redder still. Taken on July 27, the totally eclipsed Moon is setting. It looks reddened because the Earth's umbral shadow isn't completely dark. Instead Earth's shadow is suffused with a faint red light from all the planet's sunsets and sunrises seen from the perspective of an eclipsed Moon. The sunsets and sunrises are reddened because Earth's atmosphere scatters blue light more strongly than red, creating the faint bluish twilight sky. Of course, craggy seaside rocks also take on the reddened colors of this Australian sunrise.


Why are skies so red over the U.S. West this week?

Les Cowley – who publishes the great website Atmospheric Optics and is surely the world’s best-known living master of the physics of sky phenomena – emailed EarthSky early this morning. He said he’s being asked over and over about the red color of skies in the U.S. West this week, due to the ongoing massive wildfires. His answer below.

The color of our skies is a matter of the sizes of the particles making up our air. It’s also a function of the number of particles per unit volume in air, and to a much lesser extent – during wildfire season – the color of soot itself.

Particles smaller than visible light wavelengths scatter short wavelengths (e.g. blue light) much more strongly than long wavelengths (red). This is known as Rayleigh scattering, named for Lord Rayleigh in the 19th century, who derived the small particle limit. Lord Rayleigh determined that the scattering goes as the inverse fourth power of the wavelength.

Hence, blue light is scattered some 10 to 15 times more than red light. Air molecules scattering in this manner are what generate our blue skies.

Note that the light of even glorious red sunsets still has some transmitted blue. Not all is scattered away!

As particles get bigger they still scatter blue more than red, but the wavelength dependence weakens from the Rayleigh limit of the fourth power. Particles several times larger than light wavelengths scatter all wavelengths more or less equally.

Fresh smoke is an intermediate case. Look at a campfire sideways-on to the sunlight direction, and you’ll see its smoke is blue. If you are unfortunate enough to be downwind and in the smoke, the sun is reddened,

The wildfire smoke over the U.S. West this week is largely in this regime. It scatters away more blue and the sun’s transmitted light is reddened (but not completely denuded of blues).

All this holds for single scattering where a sun ray is scattered by only one particle before reaching the eye. Where the smoke clouds are dense, there is significant multiple scattering. In the limit of an optically thick cloud the light inside the cloud (or sky) becomes a uniform color: that of the incident light before significant multiple scattering. Thus clouds are white inside, and a clear blue sky gets milky white toward the horizon. Multiple scattering will modify the sky colors in San Francisco, for example, to an almost uniform orange-red. It is orange-red because the sunlight reaching the dense smoke has already been reddened by less dense smoke.

Sky colors with multiple scattering get complicated and need mathematical modeling to make predictions.

#Rogerdeakins is such a brilliant cinematographer, he nailed the orange sky . The power of cinematography can never be underestimated.#SanFranciscosky pic.twitter.com/Xkrzd1ukGQ

&mdash Vijay Ganapathy G (@VijayGanapathyG) September 11, 2020

Major credit to DoctorSbaitso for capturing such a beautifully horrifying reality, one that's ongoing. And s/o Terry Tsai for putting the Bladerunner music to the moment. This is the ORIGINAL original video, taken at 11am(!) on 9/9. https://t.co/6kwR2fz5lc

&mdash Omar Jimenez (@OmarJimenez) September 10, 2020

View at EarthSky Community Photos. | Jim Hatcher in San Diego, California, captured this very red sun on September 7, 2020. The red color was caused by smoke in the air due to wildfires in the West this week.

Bottom line: Wildfires cause red skies because sky color is a matter of particle size, and because wildfires introduce differently sized particles into our air.


Unfortunately, there's no easy explanation for this. It involves some basic atomic physics, so you will need a picture of how electromagnetic fields interact with matter. Consequently, some of this may be difficult to understand, but hopefully you can ask about (or read up) whatever you don't understand.

Semoi's answer is correct, but a lot of details have been left out. I will try to fill in some of the gaps. Semoi's description is the modern semi-classical understanding of the process, but we can step back to the older Lorentz-Lorenz model to understand the essential idea. I'll explain all this in what follows.

What is happening when light refracts is that when the electromagnetic wave (the light ray) hits a material, it induces the charges in the material to move. Basically, the electron cloud of the atoms are pulled one way (because it is negatively charged) and the nucleus is pushed in the opposite direction (because it is positively charged). This creates a dipole field that opposes the incident field of the electromagnetic wave, and reduces the perpendicular component of the electromagnetic field, and this changes the direction of the wave.

Fermilab have a good video explaining this, which is not too detailed. They don't talk about the atoms, though -- they just say the charges are randomly placed in the material. But these are the details they have skipped over.

Most undergraduate electromagnetic courses will also cover this in detail. David Tong's lecture notes are quite good. You want chapter 7, Electromagnetism in Matter. You can also search online for any other set of notes that you like better: if they are posted, they will usually be open for anyone to read.

Now, this explains why light refracts, but why does blue light refract more than red? The light ray is composed of oscillating electric and magnetic fields. So the charges in the atoms are not just moved in one direction and that's it, they are being oscillated because the field itself is oscillating. As such, the induced dipole field acts like a (damped) harmonic oscillator that is being driven by the external field (the light ray). And like all damped harmonic oscillators, the response of the oscillator depends on what the driving frequency is with respect to the natural frequency of the oscillator. Going back to Semoi's answer, for glass, for example, the natural frequency of the atomic dipole is much higher than the frequency of visible light, so the closer the driving frequency (the frequency of the light ray) gets to it, the more in phase the incident field (the light ray) will be with the induced dipole field. And the more in phase these two fields are, the stronger they will cancel. And the stronger this cancelling is, the more the ray will be refracted, as per the explanation above. If this talk about damped oscillators is a bit confusing, then look online for a good description of forced/driven harmonic oscillators, o forced/driven simple harmonic motion. A cursory search shows what looks like a few university videos: again, pick whichever seems easiest to you to understand.

Where Semoi talks about transitions, this is the modern semiclassical understanding of the process, whereby rather than shifting the position of the electron cloud, the electrons are instead excited into higher orbits. The higher-energy orbits are located further away from the nucleus, so effectively this is like moving the electron cloud. The only difference here is a more accurate description of the atomic dynamics -- the end result is basically the same.

This is a page from The Physics of Laser-Atom Interactions, by Suter. It has a good description of the basic physics, but, again, it may be too advanced. It will cover all the concepts though. If you can get your hands on a copy, then I recommend giving it a read.