Svjetlost

Spektar elektromagnetskih valovas istaknutim dijelom vidljive svjetlosti.

Boje vidljive ljudskom oku

Boja	raspon valnih duljina	frekvencijski raspon
crvena	~ 625 – 740 nm	~ 480 – 405 THz
narančasta	~ 590 – 625 nm	~ 510 – 480 THz
žuta	~ 565 – 590 nm	~ 530 – 510 THz
zelena	~ 500 – 565 nm	~ 600 – 530 THz
cijan	~ 485 – 500 nm	~ 620 – 600 THz
plava	~ 440 – 485 nm	~ 680 – 620 THz
ljubičasta	~ 380 – 440 nm	~ 790 – 680 THz

Sunčevoj svjetlostije potrebno 8minutai 19sekundida bi stigla doZemlje(udaljenost od 150 milijunakilometara).

Sunceje osnovni ili primarni izvor svjetlosti.

Bliža stranaMjesecakoju stalno vidimo saZemlje.

Svjetlostjeelektromagnetsko zračenjekoje je vidljivo ljudskomoku.Ljudsko oko u prosjeku može vidjeti svjetlost svalnom duljinomu rasponu od 380 do 780nm(vidljiva svjetlost), koje ljudskookorazlikuje kaoboje,od ljubičaste s najmanjom do crvene s najvećom valnom duljinom.Svjetlost u širem smislu uključuje iultraljubičastoiinfracrveno zračenje.

Kao i sve ostalo elektromagnetsko zračenje, svjetlost se širi konačnom brzinomc(brzina svjetlosti), koja uvakuumuiznosi:

$c\,=\,299\,\,792\,\,458\ \,m/s\,$

U prozirnim materijalima brzina svjetlosti je manja i mijenja u omjeru:

$c_{mat}={c \over n}$

gdje je:n-indeks lomaza određenimaterijal.Indeks loma ovisi ofrekvencijisvjetlosti i uvijek je veći od jedinice. Premarelativističkoj fizicibrzina svjetlosti u vakuumu univerzalna jekonstanta,jednaka u svim sustavima, bez obzira na njihovu relativnu brzinu. Ona je ujedno najveća moguća brzina širenjasignala.

Izvori svjetlosti

Podrobniji članak o temi:Izvori svjetlosti

Svjetlojeosjećajkoji nastaje podražajemočnog živcauoku.Tajpodražajdolazi u naše oko s pojedinih tijela koja nas okružuju, pa ih tako vidimo.Fizikalno tijelos kojega dolazi takav podražaj zove seizvor svjetlosti.Izvori svjetlosti mogu biti primarni i sekundarni, prirodni i umjetni.

Primarni izvori svjetlostisu ona tijela koja svijetle sama od sebe. To su na primjer:

• tijela visoketemperature,Sunce,zvijezdei užarenekovine;
• tijela koja isijavaju svjetlost na račun kemijskih procesa koji se u njima zbivaju, na primjerfosfor,svijetleći kukci i tako dalje;
• tijela koja svijetle zbogelektričnih izbijanja,na primjer razrijeđeni plinovi u svijetlećim cijevima.

Sekundarni izvori svjetlostisu sva tijela od kojih se svjetlost odbija. Tako je na primjerMjesecsekundarni izvori svjetlosti jer se od njega odbija svjetlost koja dolazi sa Sunca.

Umjetni izvori svjetlostisu na primjer tijela koja svijetle izgaranjem ili zbog zagrijavanjaelektričnom strujomna visoku temperaturu. Među ta tijela spadajubaklje,svijeće,petrolejske svjetiljke,žarulje,električni luki tako dalje.

Promatramo li plamen svijeće kroz cijev, vidjet ćemo ga samo onda ako jecijevravna. Kroz savijenu cijev ne možemo vidjetiplamen.Također ga ne možemo vidjeti ni onda ako između oka i plamena stavimo neprozirno tijelo.Odatle zaključujemo da se svjetlost u homogenom sredstvu od svojeg izvora rasprostire na sve strane i to pravocrtno. To je zakon pravocrtnog širenja svjetlosti.

Kad svjetlost prolazi kroz vrlo mali otvor, kažemo da je tozraka svjetlosti.Ako je otvor veći pa prolazi više zraka, onda je tosnop svjetlosti.Snop svjetlosti jestožackojemu je vrh u izvoru svjetlosti. Zraka je vrlo uski snop svjetlosti. Posljedica pravocrtnog širenja svjetlosti jesjena.To je neosvijetljeni čunasti prostor iza neprozirnog tijela. Zbog sjene, koju Mjesec baca, nastajepomrčina Suncakada Mjesec u svojem gibanju oko Zemlje dođe upravacSunca i Zemlje. Mjesec tada sprječava prolaz Sunčevim zrakama na Zemlju. Promatrač koji se nalazi na Zemlji u toj sjeni vidi crnu Mjesečevu plohu koja prolazi ispred Sunca. Isto tako nastaje ipomrčina Mjesecakada Zemlja dođe u pravac između Sunca i Mjeseca. Tada sjena Zemlje pada na Mjesec i nastaje pomrčina Mjeseca.

Zbog pravocrtnog širenja svjetlosti nastaje obrnuta slika u tamnoj komori (lat.camera obscura). To je kutija s malim otvorom, pa zrake svjetlosti, koje dolaze od predmeta, stvaraju obrnutu sliku dobro osvijetljenog predmeta na strani kutije nasuprot rupici. Onaj diooptikekoji geometrijski istražuje zakone rasprostiranja svjetlosti zove segeometrijska optika.

Svjetlost - elektromagnetsko zračenje

Podrobniji članak o temi:Elektromagnetski spektar

Elektromagnetski spektarprikaz je jakosti elektromagnetskoga zračenja kao funkcije njegovefrekvencije,odnosnovalne duljine.Obuhvaća sve vrste elektromagnetskih valova, od niskofrekventnihradiovalova(valne duljine od nekolikokilometara) prekomikrovalova(30 cm do 1 mm) i područja optičkih spektara (infracrvenoga zračenja,vidljive svjetlosti,ultraljubičastoga zračenja;od 1 mm do 1 nm) do visokofrekvencijskogarendgenskog zračenja(valne duljine do približno 1 pm) igama-zračenja.Promjene u energijskim razinamaelektronaodražavaju se uglavnom na ultraljubičastim i vidljivim spektrima, a od vibracijske i rotacijske energijemolekulapotječu infracrveni spektri.

Crtežom je prikazano širenje svjetlosti odZemlje(lijevo) doMjeseca(desno) koje traje 1,255sekundi.

Refleksija:zraka svjetlosti koja pada na nekuravninureflektira se tako da je upadni kutαjednak kutu refleksijeβ,a upadna i reflektirana (odbijena) zraka leže u istoj ravnini.

Refrakcijaililom svjetlosti.

Prikazogibakada je otvor na zapreci jednakvalnoj duljinivala.

Interferencijadvaju kružnihvalova.

Disperzijakodoptičke prizmeuzrokuje da se bijela svjetlost razloži nadugine boje.

Pojave vezane uz svjetlost

Osnovne su pojave vezane uz širenje svjetlosti:refleksija(odbijanje valova),refrakcija(lom svjetlosti),ogib(difrakcija),interferencijaipolarizacija svjetlosti.Refleksija i refrakcija svjetlosti nastaju kada zrake svjetlosti stignu na granicu dvaju optičkih sredstava različite optičkegustoće.Tada se dio svjetlosti reflektira, a dio lomi po zakonima refleksije i loma. Ogib je odstupanje od ravnocrtnoga širenja svjetlosti kada ona naiđe na zapreku, dok se interferencijom, koja nastaje kombinacijom svjetlosnih valova iz dvaju izvora, stvaraju tamnije i svjetlije plohe. Polarizacija svjetlosti je uređenje titranja električnoga imagnetskoga poljakoje nastaje međudjelovanjem svjetlosti i tvari: refleksijom,dvolomomilidisperzijom.

Povijest

Teorije o naravi svjetlosti razvijale su se i mijenjale kako su se otkrivale pojave o njezinu širenju.

Korpuskularna teorija

Podrobniji članak o temi:Korpuskularna teorija

Kako bi objasnio ravnocrtno širenje svjetlosti i pojave refleksije i loma,I. Newtonje 1672. pretpostavio da se svjetlost sastoji od roja sitnih čestica, koje se gibaju određenom brzinom.

Valna teorija

Podrobniji članak o temi:Valna teorija

Newtonov autoritet zasjenio je gotovo istodobnu teorijuC. Huygensakoja je svjetlosne pojave opisala s pomoću valnoga gibanja hipotetičnoga savršenoelastičnogasredstva.Ole Rømerje bio danski astronom koji je 1676. prvi izmjerio brzinu svjetlosti. Početkom 19. stoljeća otkrivene suinterferencijaiogib(difrakcija) svjetlosti (T. Young;A. J. Fresnel), a valna je teorija svjetlosti u nešto izmijenjenom obliku opet vraćena jer su se te pojave mogle objasniti samo pretpostavkom o valnoj naravi svjetlosti. Mjerenjem brzine širenja svjetlosti u različitim prozirnim sredstvima (1849.) ustanovljeno da se brzina svetlosti mijenja suprotno Newtonovim predviđanjima. Jedino je ostalo otvoreno pitanje hipotetičnoga sredstva, etera, kojim se valovi svjetlosti šire.Eterje morao biti bez mase, a ipak imati savršena elastična svojstva.

Elektromagnetska teorija svjetlosti

Podrobniji članak o temi:Maxwellove jednadžbe

Otkrićepolarizacije svjetlostiuputilo je na vezu između svjetlosti ielektromagnetskih pojava.Elektromagnetska teorija svjetlostiJ. C. Maxwella(1873.) objasnila je sve do tada poznate pojave. Prema toj teoriji, svjetlost jeelektromagnetski valvrlo visokefrekvencije,kojititraokomito na smjer vlastitoga širenja. PokusiH. R. Hertza(1886.) pokazali su ispravnost Maxwellove teorije.

Fotoelektrični učinak

Podrobniji članak o temi:Fotoelektrični učinak

W. Hallwachs(1888.) otkrio je da svjetlost, kada pada nametal,izbacujeelektroneiz njihovih stacionarnih stanja na površini metala.P. Lenardustanovio je da se zakonifotoelektričnog učinkane mogu uskladiti s načelima valne teorije. Suprotno valnoj teoriji energija izbačenih elektrona bila je neovisna osvjetlosnoj jakosti,a razmjerna frekvenciji svjetlosti.A. Einstein(1905.) ponovno je postavio teoriju svjetlosti na korpuskularne temelje. Prema Einsteinu, svjetlost je rojčestica,fotona,kojih jeenergijadanaPlanckovimizrazom:

$E=h\cdot \nu$

gdje je:h-Planckova konstanta,aν-frekvencija.Fotoni su čestice svjetlosti kojima jemasamirovanja nula, a šire se brzinom svjetlosti.

Dualističku narav svjetlosti

Podrobniji članak o temi:Dualizam (fizika)

Kvantna teorijasvjetlosti objašnjava dualističku narav svjetlosti, koja se nedvojbeno pokazuje u pojavama interferencije i fotoelektričnog učinka. Prema toj teoriji svjetlost nastaje kvantnim prijelazima elektrona iz jednog energetskoga stanja uatomu(ili ukristalnoj rešetki) u drugo. Elektroni su u atomima raspoređeni po stanjima određene energije (kvantna stanja) i dok se nalaze u tim stanjima, ne emitiraju energiju. Pri prijelazu elektrona u kvantno stanje niže energije, razlika u energiji emitira se kao kvant elektromagnetskoga zračenja:

$E=h\cdot \nu$

Vrsta emitiranogazračenjaovisi o razlici energije početnog i konačnoga stanja. Ako je energetska razlika tolika da se frekvencija zračenja nalazi između 4∙10¹⁴i 8∙10¹⁴Hz,emitirana energija ima oblik vidljive svjetlosti. Na isti se način objašnjava iapsorpcijasvjetlosti: kvant svjetlosti, predajući svoju energiju elektronu, prebacuje ga iz stanja niže u stanje više energije. Kako su samo neka energetska stanja u atomu moguća, jasno je da će svakofizikalno tijeloapsorbirati upravo one frekvencije koje i samo emitira. Tako emitirani kvant energije širi se prostorom u obliku elektromagnetskoga vala. U kvantnoj teoriji svjetlosti procesi emisije i apsorpcije svjetlosti tumače se korpuskularno, dok se širenje svjetlosti i pojave povezane s time tumače valnom teorijom svjetlosti. Dualizam val – čestica proširen je i natvari temelj je shvaćanjaprirode.

Doprinos Ruđera Boškovića tumačenju svjetlosti

Podrobniji članak o temi:Ruđer Bošković

Bošković je smatrao dasvjetlost može biti kao neko fino istakanje i kao neka para koju izbacuje žestoka vatrena fermentacija.Tvrdio je da je struktura svjetlosnih čestica, iako su male mase, složena i da se zrake različitih boja međusobno razlikuju. Kako bi objasnio zašto se na prelasku iz jednog optičkog sredstva u drugo dio svjetlosnog snopa reflektira a dio prelama, pretpostavio je da je svjetlosna čestica složena od mnoštva čestica nižeg reda povezanih elastičnimsilama.Ako u trenutku emisije čestice koje čine svjetlosnu česticu dobiju različite početne brzine sporije će čestice usporavati brže a brže će ubrzavati sporije pa će se svjetlosna čestica rastezati i stezati. Ovisno je li svjetlosna čestica rastegnuta ili stegnuta u trenutku kad dolazi do granične površine između dva optička sredstva ona će se odbiti ili proći.

Boškovićevi opisi zagrijavanja tvari s pomoću svjetlosti zvuče moderno: "Sunčeve zrake podavaju vrlo neznatnim česticama tijela gibanje iz kojeg... nastajetoplina…"

Osmislio je (ali nije proveo)pokuskojim je s pomoću dvateleskopaod kojih je jedan napunjen vodom namjeravao utvrditi je li svjetlost čestične ili valne prirode.

Fotometrija:funkcija osjetljivostiokaprikazana je na dijagramu kojemu se na apscisi nalazevalne duljinepribližno je simetrična krivulja s oštrim maksimumom jednakim jedinici na valnoj duljini 555nmza dnevnu osjetljivost (crno) i 507 nm za noćnu osjetljivost (zeleno). Njezina je vrijednost za valnu duljinu 600 nm 0,63, a za valne duljine 380 i 780 nm iznosi 0.

Crveni pomak(gore) iplavi pomak(dolje).

Spektralne linijeudaljenegalaksijeu usporedbi saSunčevim(lijevo).

Boje

Podrobniji članak o temi:Boja

Ljudskookoreagira samo na vrlo ograničeni raspon valnih duljina, na vidljivu svjetlost. Međutim, ono odlično raspoznaje i vrlo male razlike unutar tog raspona. Te male razlike nazivamoboje.Boje su dakle male frekvencijske razlike u području vidljive svjetlosti. Najkraću valnu duljinu imaju ljubičasta i plava svjetlost, a najdulju crvena svjetlost. Spektar vidljivog zračenja čine:

• ljubičastaboja (najvećafrekvencija,najkraćavalna duljina),
• plavaboja,
• zelenaboja,
• žuta,
• narančastaboja i
• crvenaboja (najniža frekvencija, najdulja valna duljina).

Bijela svjetlost sastavljena je od kontinuiranog niza svih boja vidljivog spektra. U praksi pod bojom nekog tijela možemo smatrati boju koje tijelo reflektira kada je osvijetljeno bijelom svjetlošću, to jest tijelo će biti obojeno nekom bojom ako mu površina apsorbira bijelu svjetlost samo na određenom valnom području. Boja dakle ovisi o frekvenciji reflektiranog zračenja. Bijela površina je ona koja u jednakoj mjeri reflektira sva valna područja bijele svjetlosti.

Crna površina je ona koja u potpunosti apsorbira bijelu svjetlost. Siva površina u jednakoj mjeri reflektira sva valna područja bijele svjetlosti, ali ih i djelomično apsorbira. Bijela, crna i siva suakromatske boje,a sve ostale boje su kromatske. Osnovna svojstva kromatskih boja:

• ton(pojam vezan za ime boje na primjer crvena, zelena),
• svjetlina (ovisi ojakosti ili intenzitetu zračenja),
• zasićenost (ovisi o čistoći boje).

Kraće se valne duljine učinkovitije raspršuju pozrakunego dulje valne duljine. Nebo je plavo jer se kratke valne duljine (plava svjetlost) najviše raspršuju.Sunceisijava najviše energije u vidljivom dijelu spektra elektromagnetskoga zračenja. Vrlo vrućazvijezdaemitira većinu svjetlosti u ultraljubičastom području. Vrlo hladna zvijezda (na temperaturi nižoj od 1000 K) većinu zračenja emitira u infracrvenom području. Sunce, po mnogome prosječna zvijezda emitira većinu energije u vidljivom dijelu elektromagnetskoga spektra.

Koja je tvar koje boje?

Vegetacijaupija crvenu i plavu svjetlost, a zrcali zelenu, pa nam stogabiljkeizgledaju zeleno. Tvar koja upija plavo, a reflektira crveno izgleda nam crvena; koja upija crvenu svjetlost, a reflektira plavu je plava; koja podjednako reflektira svjetlost u svim bojama je bijela ili crna ili siva. Npr. ruža je crvena zato što se sve boje osim crvene upijaju unutar ruže, a samo se crvena boja reflektira. Crno i bijelo su u osnovi isto, a razlika je samo u količini reflektirane svjetlosti, a ne u njihovoj boji. Sve boje koje vidimo naZemljii drugdje su samo pitanje koje se valne duljineSunčeve svjetlostinajbolje reflektiraju.

Dopplerov učinak

Podrobniji članak o temi:Dopplerov učinak

Dopplerov učinakje promjena promatrane valne duljine vala zbog međusobnog približavanja ili udaljavanja izvora vala i promatrača. Valne duljine spektralnih linija svjetlosti povećavaju se (pomiču prema crvenom području spektra) kada se izvor udaljava, a smanjuju se (pomiču prema plavom području spektra) kada se izvor približava promatraču. Proučavanjem Dopplerova učinka svjetlostizvijezdai drugihnebeskih tijelamože se odrediti radijalnabrzinanjihova gibanja.

Crveni pomak

Podrobniji članak o temi:Crveni pomak

Crveni pomakje pomakspektralnih linijasvjetlosti (povećanjevalnih duljina) premacrvenom dijelu spektra.Općenitije, pomak spektralnih linijaelektromagnetskih valovaprema većim valnim duljinama u spektru. Nastaje kad se izvor elektromagnetskih valova udaljava, što je brže udaljavanje izvor veći je crveni pomak (Dopplerov učinak) ili kad se izvor elektromagnetskih valova nalazi u snažnomgravitacijskom polju,a emitirani se valovi šire prema slabijem gravitacijskom polju. Kozmički crveni pomak odražava opće širenjesvemira(Hubbleov zakon). Gravitacijski crveni pomak nastaje gubitkom energijefotonau gravitacijskome polju. Dokazan jeMössbauerovim učinkomi zapažen je u spektrimazvijezdas jakim gravitacijskim poljem.

Izvori

HE

Dio sadržaja ove stranice preuzet je iz mrežnog izdanjaHrvatske enciklopedijei nije slobodan za daljnju upotrebu pod uvjetima Wikipedijine licencije o sadržaju. Uvjete upotrebe uzdano nam pojašnjenjepogledajte nastranici Leksikografskog zavoda

Poveznice

• Svjetlosno zagađenje