Redzamā gaisma — spektrs, fotoni, viļņu īpašības un optika

Iepazīstiet redzamās gaismas spektru, fotonu un viļņu īpašības un optikas likumus — no varavīksnes krāsām līdz polarizācijai, intensitātei un gaismas fāzei.

Gaisma ir elektromagnētiskā starojuma veids, kura viļņa garumu var uztvert cilvēka acs. Tā ir neliela daļa no elektromagnētā spektra un starojums, ko izstaro tādas zvaigznes kā saule. Arī daudzi dzīvnieki var redzēt gaismu. Gaismas pētniecība, ko dēvē par optiku, ir svarīga mūsdienu fizikas un inženierijas joma. Kad gaisma krīt uz necaurspīdīga objekta, tā veido ēnu — zonu, kur tiešā gaisma netiek pārnesta.

Kas ir redzamā gaisma

Redzamā gaisma ir elektromagnētiskā starojuma daļa, ko cilvēka acs uztver kā krāsu. Parasti to raksturo viļņa garuma diapazons aptuveni no 380 nm līdz 740 nm (1 nm = 10−9 m). Viļņa garums nosaka arī gaismas krāsu: ilgākie viļņi šķiet sarkani, īsākie — violeti. Lai gan šie robežvērtības nav stingri — redzes jutīgums atšķiras starp cilvēkiem un sugu grupām —, tās ir noderīgs vadlīnija.

Viļņi un fotoni — viļņu un daļiņu dabu

Gaismai piemīt gan viļņu, gan daļiņu īpašības. Kvantu teorijā gaisma pastāv sīkās enerģijas paketēs, ko sauc par fotoniem. Katram fotonam enerģija ir saistīta ar frekvenci f un viļņa garumu λ ar vienādojumu E = h·f = h·c/λ, kur h ir Planka konstante un c — gaismas ātrums vakuumā (c ≈ 299 792 458 m/s). Redzamā fotonu enerģija ir aptuveni 1,65–3,3 eV (elektronvolti) atkarībā no viļņa garuma.

Redzamā spektra krāsas un varavīksne

Cilvēka acs katru viļņa garumu uztver kā atšķirīgu krāsu. Varavīksne parāda visu redzamās gaismas spektru, ko var sadalīt aptuveni šādās krāsās: sarkana, oranža, dzeltena, zaļa, zila, indigo un violeta. Gaisma ar viļņa garumu nedaudz garāku par sarkano saucas infrasarkanā, bet īsāku par violetu — ultravioletā.

Varavīksnes veidošanos nosaka gaismas laušanās un dispersija — ūdens lāse lauž un sadala balto saules gaismu dažādos virzienos atkarībā no viļņa garuma.

Galvenās fizikālās īpašības

• Intensitāte — gaismas enerģijas plūsma uz laukuma vienību; uztverama kā spožums.
• Polarizācija — lauka svārstību virziena raksturojums (lineāra, cirkulāra, eliptiska); svarīga optikā un sensorikā.
• Fāze — viļņa relatīvais laika nobīde; fāzes kohērence ir būtiska interferencē.
• Orbitālais leņķiskais moments — gaismai var būt gan spin (saistīts ar polarizāciju), gan orbitālais leņķiskais moments, ko var izmantot informācijas pārraidē un mikroskopijā.

Atstarošanās, laušanās un optiskie likumi

Atspoguļošanās likums (reflekcija) nosaka, ka atstarotā stara leņķis pret virsmas normāli ir vienāds ar ieteksto stara leņķi — tas ļauj mums redzēt attēlus spoguļos. Laušanās likums (Snella likums) apraksta gaismas ceļa maiņu, pārejot no vienas vides uz otru: n1·sin(θ1) = n2·sin(θ2), kur n1 un n2 ir attiecīgās vides refrakcijas indeksi un θ leņķi mērīti pret normāli. Refrakcijas indekss nosaka, cik ļoti gaismas ātrums un viļņa garums samazinās materiālā (λ materiālā = λ vakuumā / n).

Dispersija un debesis krāsa

Dispersija — refrakcijas indeksa atkarība no viļņa garuma — izraisa to, ka dažādas krāsas izklīst atšķirīgi. Tas izskaidro varavīksni un to, kā prizmas sadala baltu gaismu. Gaismas izkliedi atmosfērā nosaka zilo debess krāsu: īsāki viļņi (zils) izklīst spēcīgāk (Rayleigh izkliede ∝ λ−4) nekā ilgāki (sarkans), tāpēc saulrietā gaisma, kas iziet cauri biezākai atmosfēras kārtai, kļūst sarkanīga.

Redze, krāsu uztvere un fotoreceptori

Cilvēka tīklenē ir divu galveno veidu fotoreceptori: stieņi (jutīgi pret gaismas intensitāti, svarīgi pie vāja apgaismojuma) un konusi (reaktīvi uz krāsu). Parasti cilvēkam ir trīs konusu tipu (trihromātija) ar maksimālo jutību aptuveni pie 420 nm (S, "zils"), 530 nm (M, "zaļš") un 560 nm (L, "sarkani‑zaļš"), kas ļauj smalki atšķirt krāsas. Krāsu aklums rodas, ja viens vai vairāki konusi darbojas citādi.

Pielietojumi un mērījumi

Redzamā gaisma ir centrāla daudzās tehnoloģijās: kamerās, mikroskopos, teleskopos, displejos, apgaismojumā, lāzeros un optiskajās šķiedrās. Kameras un instrumenti (spektrometri) mēra spektru un intensitāti, ļaujot noteikt materiālu sastāvu, temperatūru un kustību. Lāzeri sniedz kohērentu un polarizētu gaismu, kas ir svarīga zinātnē un medicīnā.

Kohērence, interferencija un difrakcija

Zināšanas par fāzi un kohērenci ļauj izprast interferenci (piemēram, svītru rašanās divu viļņu mijiedarbībā) un difrakciju, kas ierobežo optisko sistēmu izšķirtspēju. Difrakcija nosaka, kā ļoti mazi atveri vai objektu raksturojums ietekmē redzamo gaismas izkliedi.

Ēnas un praktiski novērojumi

Ēnas veidojas, ja gaismas avots tiek bloķēts — pilnīgā tumšākajā zonā ir umbra, bet daļēji apgaismota zona veido penumbra. Dažādas optiskās parādības — atspoguļošanās, laušanās, izkliede, absorbcija — nosaka, kā mēs redzam objektus, to krāsu un spožumu.

Fizikā ar terminu "gaisma" dažkārt apzīmē jebkura viļņa garuma elektromagnētisko starojumu — gan redzamu, gan neredzamu. Šis raksts ir par redzamo gaismu. Lai uzzinātu vispārējo jēdzienu, izlasiet rakstu par elektromagnētisko starojumu.

Atspoguļošanās likums ir tas, kas ļauj mums redzēt spogulī atstaroto objektu.

Par gaismu

Vakuumā gaisma pārvietojas ar gaismas ātrumu, kas ir 299 792 458 metri sekundē (jeb aptuveni 186 282 jūdzes sekundē). Tas nozīmē, ka gaisma no Saules līdz Zemei nonāk apmēram 8 minūtēs. Stiklā tā pārvietojas aptuveni divas trešdaļas ātrāk.

Gaisma pārvietojas taisnā līnijā, radot ēnas, kad gaismas ceļš ir bloķēts. Cietākām lietām būs tumšāka ēna, caurspīdīgām lietām būs gaišāka ēna, bet caurspīdīgām lietām ēnas nebūs vai tās būs ļoti maz. Caur caurspīdīgām lietām gaisma izplūst visvieglāk. Ja gaisma neatrodas vakuumā, tā pārvietojas lēnāk par tās maksimālo gaismas ātrumu. Lēnākā gaisma, kas jebkad reģistrēta, pārvietojās ar ātrumu 39 jūdzes stundā. Mūsu acis reaģē uz gaismu; kad mēs kaut ko redzam, mēs redzam gaismu, ko tā atstaro, vai gaismu, ko tā izstaro. Piemēram, lampa izstaro gaismu, un viss pārējais, kas atrodas tajā pašā telpā, kur lampa, atspoguļo tās gaismu.

Katrai gaismas krāsai ir atšķirīgs viļņa garums. Jo īsāks viļņa garums, jo vairāk enerģijas ir gaismai. Gaismas kustības ātrums nav atkarīgs no tās enerģijas. Caur daļēji dzidriem objektiem gaismas plūsma var palēnināties par ļoti nelielu daudzumu.

Baltā gaisma sastāv no daudzām dažādām gaismas krāsām, kas ir saliktas kopā. Kad baltā gaisma spīd caur prizmu, tā sadalās dažādās krāsās, veidojot spektru. Spektrā ir visi gaismas viļņu garumi, ko mēs varam redzēt. Sarkanai gaismai ir visgarākais viļņa garums, bet violetai (purpursarkanai) gaismai ir visīsākais viļņa garums.

Gaismu, kuras viļņa garums ir īsāks par violeto, sauc par ultravioleto gaismu. Arī rentgena un gamma stari ir gaismas veidi ar vēl īsāku viļņa garumu nekā ultravioletais. Gaismu, kuras viļņa garums ir garāks par sarkano, sauc par infrasarkano gaismu. Radioviļņi ir elektromagnētiskā starojuma veids, kura viļņa garums ir vēl garāks par infrasarkano gaismu. Arī mikroviļņi, ko izmanto ēdiena sildīšanai mikroviļņu krāsnī, ir elektromagnētiskā starojuma veids. Mūsu acis šos enerģijas veidus neredz, bet ir dažas kameras, kas tos spēj saskatīt. Dažādie gaismas veidi, gan redzamie, gan neredzamie, veido elektromagnētisko spektru.

Kad lietus pilieni lauž gaismu, rodas varavīksne. Lietus piliens darbojas kā prizma un lauž gaismu, līdz mēs varam redzēt dažādas spektra krāsas.

Krāsa

Gaisma un krāsa ir analogās informācijas veidi. Tomēr elektroniskās kameras un datoru displeji darbojas ar digitālu informāciju. Elektroniskās kameras vai dokumentu skeneri veido krāsaina attēla digitālo versiju, sadalot pilnu krāsu attēlu atsevišķos sarkanos, zaļos un zilos attēlos. Vēlāk digitālajā displejā tiek izmantoti tikai šo trīs krāsu pikseļi. Datoru ekrānos izmanto tikai šīs trīs krāsas dažādos spilgtuma līmeņos. Smadzenes tās apvieno, lai attēlā redzētu visas pārējās krāsas.

Cilvēki domā, ka priekšmetiem ir krāsa. Tas ir tāpēc, ka molekulas, kas veido objektu, absorbē noteiktus gaismas viļņus, atstājot citus gaismas viļņus atstaroties. Cilvēka acs redz visu to gaismas viļņu garumu, kas neabsorbējās, un to kombinācija smadzenēs rada iespaidu par krāsu.

Lāzera stari


Varavīksne Budapeštā parāda redzamā spektra krāsas.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir gaisma?

J: Kā sauc pētījumus par gaismu?

J: Kā gaisma mijiedarbojas ar necaurspīdīgiem objektiem?

J: Kā gaisma mijiedarbojas ar caurspīdīgiem objektiem?

J: Kādas ir varavīksnes krāsas no ārējās malas līdz iekšējai malai?

J: Kā sauc viļņu garumu, kas ir zemāks par sarkano frekvenci?

J: Kas ir galvenais Zemes gaismas avots?

Meklēt pēc burta