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.