# 2.1: Mali ya Mwanga

$$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$$ $$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$$$$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$ $$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$$ $$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$$ $$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$$ $$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$$ $$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$$ $$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$$ $$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$ $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$ $$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$$ $$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$$ $$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$$ $$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$$ $$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$$ $$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$$ $$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$$ $$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$$

Malengo ya kujifunza

• Kutambua na kufafanua sifa za mionzi ya umeme (EMR) iliyotumiwa katika hadubini
• Eleza jinsi lenses hutumiwa katika hadubini ili kuendesha mwanga unaoonekana na ultraviolet (UV)

Mtazamo wa kliniki: Sehemu ya

Cindy, mshauri mwenye umri wa miaka 17 katika kambi ya michezo ya majira ya joto, alipiga magoti yake akicheza mpira wa kikapu wiki 2 zilizopita. Wakati huo, alidhani ilikuwa ni abrasion ndogo tu ambayo ingeweza kuponya, kama wengine wengi kabla yake. Badala yake, jeraha lilianza kuonekana kama kuumwa kwa wadudu na limeendelea kuwa chungu na kuvimba.

Muuguzi wa kambi anachunguza lesion na anaona kiasi kikubwa cha pus oozing kutoka kwenye uso. Wasiwasi kwamba Cindy anaweza kuwa na maambukizi ya uwezekano wa fujo, yeye swabs jeraha kukusanya sampuli kutoka tovuti ya maambukizi. Kisha yeye husafisha pus na huvaa jeraha, akifundisha Cindy kuweka eneo hilo safi na kurudi siku inayofuata. Wakati Cindy anapoondoka, muuguzi hutuma sampuli kwenye maabara ya matibabu ya karibu zaidi ili kuchambuliwa chini ya darubini.

Zoezi$$\PageIndex{1}$$

Ni mambo gani tunayoweza kujifunza kuhusu bakteria hizi kwa kuziangalia chini ya darubini?

Nuru inayoonekana ina mawimbi ya sumakuumeme yanayofanya kama mawimbi mengine. Kwa hiyo, mali nyingi za nuru ambazo zinafaa kwa hadubini zinaweza kueleweka kwa suala la tabia ya mwanga kama wimbi. Mali muhimu ya mawimbi ya mwanga ni wavelength, au umbali kati ya kilele kimoja cha wimbi na kilele cha pili. Urefu wa kila kilele (au kina cha kila shimo) huitwa amplitude. Kwa upande mwingine, mzunguko wa wimbi ni kiwango cha vibration ya wimbi, au idadi ya wavelengths ndani ya kipindi cha muda maalum (Kielelezo$$\PageIndex{1}$$).

## Mwingiliano wa Mwanga

Mawimbi ya nuru yanaingiliana na vifaa kwa kutafakari, kufyonzwa, au kuambukizwa. Kutafakari hutokea wakati wimbi linapoondoka kwenye nyenzo. Kwa mfano, kipande nyekundu cha kitambaa kinaweza kutafakari mwanga nyekundu kwa macho yetu huku ukichukua rangi nyingine za mwanga. Kufyonzahutokea wakati nyenzo zinakamata nishati ya wimbi la mwanga. Katika kesi ya plastiki za mwanga-ndani ya giza, nishati kutoka kwa mwanga inaweza kufyonzwa na kisha baadaye imetolewa tena kama aina nyingine ya phosphorescence. Uhamisho hutokea wakati wimbi linasafiri kupitia nyenzo, kama nuru kupitia kioo (mchakato wa maambukizi huitwa transmittance). Wakati nyenzo inaruhusu idadi kubwa ya mwanga kupitishwa, inaweza kufanya hivyo kwa sababu ni nyembamba, au uwazi zaidi (kuwa na uwazi zaidi na opacity chini). Kielelezo$$\PageIndex{2}$$ kinaonyesha tofauti kati ya uwazi na opacity.

Mawimbi ya mwanga yanaweza pia kuingiliana kwa kuingiliwa, na kujenga mifumo tata ya mwendo. Kuacha majani mawili ndani ya dimbwi husababisha mawimbi kwenye uso wa puddle kuingiliana, na kuunda mifumo ya kuingiliwa ngumu. Mawimbi ya mwanga yanaweza kuingiliana kwa njia ile ile.

Mbali na kuingilia kati, mawimbi ya mwanga yanaweza pia kuingiliana na vitu vidogo au fursa kwa kupiga au kueneza. Hii inaitwa diffraction. Diffraction ni kubwa wakati kitu ni ndogo jamaa na wavelength ya mwanga (umbali kati ya kilele mbili mfululizo wa wimbi la mwanga). Mara nyingi, wakati mawimbi yanapotofautiana kwa njia tofauti karibu na kikwazo au ufunguzi, wataingilia kati.

Zoezi$$\PageIndex{2}$$

1. Ikiwa wimbi la mwanga lina wavelength ndefu, inawezekana kuwa na mzunguko wa chini au wa juu?
2. Ikiwa kitu ni wazi, je, kinaonyesha, kunyonya, au kusambaza mwanga?

## Lenses na refraction

Katika muktadha wa hadubini, kukataa labda ni tabia muhimu zaidi iliyoonyeshwa na mawimbi ya mwanga. Kukataa hutokea wakati mawimbi ya mwanga yanabadilika mwelekeo wanapoingia katikati mpya (Kielelezo$$\PageIndex{3}$$). Vifaa tofauti vya uwazi vinatumia mwanga kwa kasi tofauti; hivyo, mwanga unaweza kubadilisha kasi wakati unapotoka kwenye nyenzo moja hadi nyingine. Mabadiliko haya kwa kasi pia husababisha mabadiliko katika mwelekeo (kukataa), na kiwango cha mabadiliko kinategemea angle ya mwanga unaoingia.

Kiwango ambacho nyenzo hupunguza kasi ya maambukizi kuhusiana na nafasi tupu inaitwa index ya refractive ya nyenzo hiyo. Tofauti kubwa kati ya fahirisi za refractive za vifaa viwili zitasababisha kiasi kikubwa cha kukataa wakati mwanga unapita kutoka kwenye nyenzo moja hadi nyingine. Kwa mfano nuru huenda polepole zaidi kupitia maji kuliko kupitia hewa, hivyo mwanga unaoingia maji kutoka hewa unaweza kubadilisha mwelekeo sana. Tunasema kwamba maji ina index ya juu ya refractive kuliko hewa (Kielelezo$$\PageIndex{4}$$).

Wakati mwanga unavuka mipaka ndani ya nyenzo zilizo na index ya juu ya refractive, mwelekeo wake unageuka kuwa karibu na perpendicular kwa mipaka (yaani, zaidi kuelekea kawaida kwa mipaka hiyo; Kielelezo$$\PageIndex{5}$$). Hii ni kanuni nyuma ya lenses. Tunaweza kufikiria lenzi kama kitu kilicho na mipaka ya pembe (au mkusanyiko wa miche) inayokusanya nuru yote inayoipiga na kuikataa ili yote ikakutana kwenye hatua moja inayoitwa hatua ya picha (focus). Lens ya mbonyeo inaweza kutumika kukuza kwa sababu inaweza kuzingatia kwa karibu zaidi kuliko jicho la mwanadamu, na kuzalisha picha kubwa. Lenses na vioo vya Concave pia vinaweza kutumika katika microscopes ili kuelekeza njia ya mwanga. Kielelezo$$\PageIndex{5}$$ kinaonyesha hatua ya msingi (hatua ya picha wakati mwanga unaoingia kwenye lens ni sambamba) na urefu wa focal (umbali wa kituo cha msingi) kwa lenses za convex na concave.

Jicho la mwanadamu lina lenzi ambayo inatuwezesha kuona picha. Lens hii inalenga mwanga unaoonyesha mbali ya vitu mbele ya jicho kwenye uso wa retina, ambayo ni kama skrini iliyo nyuma ya jicho. Lenses bandia zilizowekwa mbele ya jicho (lenses za mawasiliano, glasi, au lenses microscopic) zinalenga mwanga kabla ya kulenga (tena) na lenzi ya jicho, kuendesha picha inayoishia kwenye retina (kwa mfano, kwa kuifanya ionekane kubwa).

Picha ni kawaida manipulated kwa kudhibiti umbali kati ya kitu, lens, na screen, pamoja na curvature ya lens. Kwa mfano, kwa kiasi fulani cha curvature, wakati kitu kiko karibu na lens, pointi za msingi ziko mbali na lens. Matokeo yake, mara nyingi ni muhimu kuendesha umbali huu ili kuunda picha iliyozingatia kwenye skrini. Vile vile, curvature zaidi inajenga pointi za picha karibu na lens na picha kubwa wakati picha iko kwenye mtazamo. Mali hii mara nyingi huelezwa kwa suala la umbali wa mbali, au umbali wa hatua kuu.

Zoezi$$\PageIndex{3}$$

1. Eleza jinsi lens inavyozingatia mwanga kwenye hatua ya picha.
2. Taja baadhi ya mambo yanayoathiri urefu wa lens.

## Spectrum ya umeme na Rangi

Mwanga unaoonekana ni aina moja tu ya mionzi ya sumakuumeme (EMR), aina ya nishati iliyo karibu nasi. Aina nyingine za EMR ni pamoja na microwaves, eksirei, na mawimbi ya redio, miongoni mwa mengine. Aina tofauti za EMR huanguka kwenye wigo wa umeme, ambayo hufafanuliwa kwa suala la wavelength na mzunguko. Wigo wa mwanga unaoonekana unachukua aina ndogo ya mzunguko kati ya mwanga wa infrared na ultraviolet (Kielelezo$$\PageIndex{6}$$).

Wakati wavelength inawakilisha umbali kati ya peaks karibu ya wimbi mwanga, frequency, katika ufafanuzi rahisi, inawakilisha kiwango cha oscillation. Mawimbi yenye masafa ya juu yana wavelengths fupi na kwa hiyo, huwa na oscillations zaidi kwa wakati wa kitengo kuliko mawimbi ya chini ya mzunguko. Mawimbi ya juu-frequency pia yana nishati zaidi kuliko mawimbi ya chini. Nishati hii hutolewa kama chembe za msingi zinazoitwa photons. Mawimbi ya juu-frequency hutoa photoni zaidi ya juhudi kuliko mawimbi

Photons na nguvu tofauti huingiliana tofauti na retina. Katika wigo wa mwanga unaoonekana, kila rangi inalingana na mzunguko fulani na wavelength (Kielelezo$$\PageIndex{6}$$) .Mzunguko wa chini kabisa wa mwanga unaoonekana unaonekana kama rangi nyekundu, wakati juu inaonekana kama rangi ya violet. Wakati retina inapata mwanga unaoonekana wa mzunguko tofauti, tunaona hii kama mwanga mweupe. Hata hivyo, mwanga mweupe unaweza kutengwa katika rangi zake za sehemu kwa kutumia kukataa. Ikiwa tunapitia mwanga mweupe kupitia mche, rangi tofauti zitakataliwa kwa njia tofauti, na kujenga wigo wa upinde wa mvua kwenye skrini nyuma ya mche. Utengano huu wa rangi huitwa utawanyiko, na hutokea kwa sababu, kwa nyenzo zilizopewa, index ya refractive ni tofauti kwa mzunguko tofauti wa mwanga.

Vifaa vingine vinaweza kukataa aina zisizoonekana za EMR na, kwa kweli, kuzibadilisha kuwa mwanga unaoonekana. Baadhi ya dyes fluorescent, kwa mfano, kunyonya ultraviolet au bluu mwanga na kisha kutumia nishati emit photons ya rangi tofauti, kutoa mbali mwanga badala ya tu vibrating. Hii hutokea kwa sababu ngozi ya nishati husababisha elektroni kuruka kwa majimbo ya juu ya nishati, baada ya hapo basi karibu mara moja kuanguka nyuma chini ya nchi zao za ardhi, kutoa kiasi maalum cha nishati kama photons. Sio nishati zote zinazotolewa katika photon iliyotolewa, hivyo photons zilizotolewa zitakuwa za nishati ya chini na, kwa hiyo, ya mzunguko wa chini kuliko yale yaliyoingizwa. Hivyo, rangi kama vile Texas nyekundu inaweza kuwa na msisimko na mwanga wa bluu, lakini emit nyekundu mwanga; au rangi kama vile fluorescein isothiocyanate (FITC) inaweza kunyonya (asiyeonekana) high-nishati ultraviolet mwanga na emit mwanga kijani (Kielelezo$$\PageIndex{7}$$). Katika vifaa vingine, photons zinaweza kutolewa kufuatia kuchelewa baada ya kunyonya; katika kesi hii, mchakato huitwa phosphorescence. Plastiki ya Glow-katika-giza hufanya kazi kwa kutumia vifaa vya phosphorescent.

Zoezi$$\PageIndex{4}$$

1. Ambayo ina mzunguko wa juu: mwanga nyekundu au mwanga wa kijani?
2. Eleza kwa nini utawanyiko hutokea wakati mwanga mweupe unapita kupitia mche.
3. Kwa nini dyes ya fluorescent hutoa rangi tofauti ya mwanga kuliko wao kunyonya?

## Kukuza, Azimio, na Tofauti

Microscopes hukuza picha na kutumia mali ya mwanga ili kuunda picha muhimu za vitu vidogo. Kukuza hufafanuliwa kama uwezo wa lens kupanua picha ya kitu ikilinganishwa na kitu halisi. Kwa mfano, ukuzaji wa 10unamaanisha kuwa picha inaonekana mara 10 ukubwa wa kitu kama inavyotazamwa kwa jicho la uchi.

Kukuza zaidi kwa kawaida inaboresha uwezo wetu wa kuona maelezo ya vitu vidogo, lakini ukuzaji peke yake haitoshi kufanya picha muhimu zaidi. Mara nyingi ni muhimu kuimarisha azimio la vitu: uwezo wa kuwaambia kwamba pointi mbili tofauti au vitu ni tofauti. Picha ya chini ya azimio inaonekana kuwa ya fuzzy, wakati picha ya juu-azimio inaonekana mkali. Sababu mbili zinaathiri azimio. Ya kwanza ni wavelength. Wavelengths mfupi huweza kutatua vitu vidogo; hivyo, darubini ya elektroni ina azimio kubwa zaidi kuliko darubini ya mwanga, kwani inatumia boriti ya elektroni yenye wavelength fupi sana, kinyume na mwanga unaoonekana wa wavelength mrefu unaotumiwa na darubini nyepesi. Sababu ya pili inayoathiri azimio ni kufungua namba, ambayo ni kipimo cha uwezo wa lens wa kukusanya mwanga. Ya juu ya kufungua namba, azimio bora zaidi.

Hata wakati darubini ina azimio la juu, inaweza kuwa vigumu kutofautisha miundo midogo katika vielelezo vingi kwa sababu microorganisms ni kiasi cha uwazi. Mara nyingi ni muhimu kuongeza tofauti ili kuchunguza miundo tofauti katika specimen. Aina mbalimbali za hadubini hutumia vipengele tofauti vya nuru au elektroni ili kuongeza tofauti tofauti—inayoonekana kati ya sehemu za specimen (tazama Vyombo vya hadubini). Zaidi ya hayo, dyes kwamba kumfunga kwa baadhi ya miundo lakini si wengine inaweza kutumika kuboresha tofauti kati ya picha ya vitu kiasi uwazi (tazama Madoa Microscopic Specimens).

Zoezi$$\PageIndex{5}$$

1. Eleza tofauti kati ya ukuzaji na azimio.
2. Eleza tofauti kati ya azimio na tofauti.
3. Jina sababu mbili zinazoathiri azimio.

## Dhana muhimu na Muhtasari

• Mawimbi ya mwanga yanayoingiliana na vifaa yanaweza kuonekana, kufyonzwa, au kuambukizwa, kulingana na mali ya nyenzo.
• Mawimbi ya nuru yanaweza kuingiliana (kuingiliwa) au kupotosha kwa kuingiliana na vitu vidogo au fursa (diffraction).
• Kukataa hutokea wakati mawimbi ya nuru yanabadilika kasi na mwelekeo wanapopita kutoka kati moja hadi nyingine. Tofauti katika fahirisi za kukataa za vifaa viwili huamua ukubwa wa mabadiliko ya uongozi wakati mwanga unapita kutoka kwa moja hadi nyingine.
• Lens ni kati yenye uso wa pembe ambayo hufuta na inalenga mwanga ili kuzalisha picha.
• Mwanga unaoonekana ni sehemu ya wigo wa sumakuumeme; mawimbi ya nuru ya masafa tofauti na wavelengths yanajulikana kama rangi na jicho la mwanadamu.
• Mche unaweza kutenganisha rangi za nuru nyeupe (utawanyiko) kwa sababu masafa tofauti ya nuru yana fahirisi tofauti za refractive kwa nyenzo zilizopewa.
• Dyes ya fluorescent na vifaa vya fosforescent vinaweza kubadilisha mionzi ya umeme isiyoonekana kuwa mwanga unaoonekana.
• Nguvu ya darubini inaweza kuelezewa kwa mujibu wa ukuzaji na azimio lake.
• Azimio inaweza kuongezeka kwa kupunguza wavelength, kuongeza aperture namba ya lens, au kutumia stains kwamba kuongeza tofauti.

## faharasa

ufyonzaji
wakati molekuli inakamata nishati kutoka photon na vibrates au stretches, kwa kutumia nishati
ukubwa
urefu wa wimbi
tofauti
tofauti inayoonekana kati ya sehemu za specimen microscopic
kupindika
mabadiliko ya mwelekeo (kupiga au kueneza) ambayo hutokea wakati wimbi la mwanga linakabiliana na ufunguzi au kizuizi
utawanyiko
kujitenga kwa mwanga wa masafa tofauti kutokana na digrii tofauti za kukataa
mmemeto
uwezo wa vifaa fulani kunyonya nishati na kisha kutolewa mara moja nishati hiyo kwa namna ya mwanga
urefu wa focal
umbali kutoka kwa lens hadi hatua ya picha wakati kitu kiko umbali wa uhakika kutoka kwa lens (hii pia ni umbali wa kituo cha msingi)
kipaumbele
mali ya lens; hatua ya picha wakati mwanga unaoingia kwenye lens ni sawa (yaani, kitu ni umbali usio na mwisho kutoka kwa lens)
marudio
kiwango cha vibration kwa wimbi la mwanga au wimbi lingine la umeme
hatua ya picha (lengo)
mali ya lens na umbali wa kitu kwa lens; hatua ambayo picha inazingatia (hatua ya picha mara nyingi huitwa lengo)
kuingiliwa
kuvuruga kwa wimbi la mwanga kutokana na mwingiliano na wimbi jingine
ukuzaji
nguvu ya darubini (au lens) kuzalisha picha inayoonekana kubwa kuliko specimen halisi, iliyoelezwa kama sababu ya ukubwa halisi
kufungua namba
kipimo cha uwezo wa lens wa kukusanya mwanga
opacity
mali ya kunyonya au kuzuia mwanga
fosforescence
uwezo wa vifaa fulani kunyonya nishati na kisha kutolewa nishati hiyo kama mwanga baada ya kuchelewa
tafakari
wakati mwanga unapokwisha nyuma kutoka kwenye uso
kupinda
kupiga mawimbi ya mwanga, ambayo hutokea wakati wimbi la mwanga linapita kutoka kati moja hadi nyingine
index refractive
kipimo cha ukubwa wa kupunguza kasi ya mawimbi ya mwanga na kati fulani
azimio
uwezo wa kutofautisha kati ya pointi mbili katika picha
uambukizaji
kiasi cha mwanga kinachopita kupitia kati
udhahiri
mali ya kuruhusu mwanga kupita
masafa
umbali kati ya kilele kimoja cha wimbi na kilele cha pili