Viditeľné svetlo: definícia, spektrum, vlastnosti a optika

Komplexný prehľad viditeľného svetla: definícia, spektrum farieb, fyzikálne vlastnosti a základy optiky. Vysvetlené jednoducho pre študentov aj nadšencov.

Svetlo je forma elektromagnetického žiarenia s vlnovou dĺžkou, ktorú dokáže ľudské oko zachytiť. Viditeľné svetlo je len malá časť celého elektromagnetického spektra a zahŕňa žiarenie vyžarované hviezdami, ako napríklad Slnko. Svetlo vidia nielen ľudia, ale aj mnohé zvieratá — rozsah vnímanej vlnovej dĺžky sa medzi druhmi líši. Štúdium svetla, známe ako optika, je dôležitou oblasťou modernej fyziky. Keď svetlo dopadá na nepriehľadný predmet, vytvára tieň.

Definícia a základné vlastnosti

Svetlo má dvojakú povahu: prejavuje sa ako vlnenie aj ako súbor častíc — fotónov. Energiu jedného fotónu vyjadruje vzťah E = h·ν, kde h je Planckova konštanta a ν je frekvencia. Pre elektromagnetické vlny platí vzťah medzi rýchlosťou svetla c, frekvenciou ν a vlnovou dĺžkou λ: c = λ·ν (v prostredí s indexom lomu n je rýchlosť v = c/n).

Viditeľné spektrum u väčšiny ľudí približne pokrýva vlnové dĺžky od asi 380 nm do 750 nm. Hodnoty sa líšia podľa zdroja a definície, pretože hranice medzi infračerveným, viditeľným a ultrafialovým pásmom nie sú ostré.

Spektrum viditeľného svetla a farby

Ľudské oko vníma rôzne vlnové dĺžky ako rôzne farby. Príkladom rozkladu celého spektra je dúha, kde sa jednotlivé farby zoskupujú približne v nasledujúcom poradí (od vonkajšieho okraja):

• červená
• oranžová
• žltá
• zelená
• modrá
• indigová
• fialová

Vlnové dĺžky pod červenou síce existujú, ale sú už mimo rozsahu viditeľného spektra a nazývame ich infračervené. Podobne vlnové dĺžky nad fialovou sú ultrafialové a pre ľudské oko sú tiež neviditeľné. Na pozorovanie týchto častí spektra sa používajú špeciálne kamery a prístroje.

Hlavné fyzikálne vlastnosti svetla

Medzi základné vlastnosti svetla patria:

• intenzita (svietivosť) — množstvo energie prechádzajúce za jednotku času a plochy, v optike často meraná ako žiarivosť alebo svietivosť;
• polarizácia — orientácia elektrickej zložky elektromagnetickej vlny, využívaná v polarizačných filtroch, optickej komunikácii a meraniach;
• fáza — relatívne posunutie vĺn, rozhodujúce pri javoch ako interferencia a difrakcia;
• orbitálny uhlový moment — vlastnosť, ktorú môžu niesť niektoré typy svetelných lúčov (napríklad vortexové lúče), dôležitá v pokročilej optike a pri manipulačných silách na mikročastice.

Svetlo môže byť tiež charakterizované jeho koherenciou (časovou a priestorovou), spektrálnym zložením a smerovým rozptylom (monochromatické vs. širokopásmové zdroje).

Interakcie svetla s látkou a základy optiky

Pri prechode svetla cez rôzne prostredia sa menia jeho rýchlosť a smer podľa indexu lomu — to je základom lámania. Základné javy pri interakcii svetla s materiálmi zahŕňajú:

• odrazenie — pri hladkom povrchu vzniká zrkadlové odrazenie podľa zákona odrazu (dopadajúci uhol = odrazený uhol); práve zákon odrazu nám umožňuje vidieť predmet odrazený v zrkadle;
• lámanie — zmena smeru šírenia pri prechode medzi prostrediami s rôznymi indexmi lomu (opisuje Snellov zákon);
• difrakcia — ohyb vĺn na prekážkach alebo štrbinách, prejavuje sa rozložením intenzity za prekážkou;
• interferencia — superpozícia vĺn vedúca k zosilneniu alebo zrušeniu signálu, základ pre mnohé optické prístroje (napr. interferometre);
• rozptyl — elastické (Rayleighov rozptyl spôsobuje modrú farbu oblohy) a neelastické (napr. Ramanov rozptyl) procesy;
• absorpcia — pohltenie fotónov materiálom, čo vedie k lokálnemu ohrevu alebo k prechodu energie do iných foriem.

Optika zahŕňa návrh a analýzu systémov, ktoré svetlo usmerňujú alebo tvarujú — šošovky, zrkadlá, optické vlákna, filtre, polarizátory a ďalšie prvky. Moderná optika sa delí na geometrickú optiku (lúče a zobrazenie), vlnovú optiku (interferencia, difrakcia) a kvantovú optiku (fotóny, kvantové stavy svetla).

Ľudské videnie a percepcia farieb

V ľudskom oku sú fotoreceptory rozdelené na tyčinky (citlivé na intenzitu svetla, dôležité pri slabom osvetlení) a čapíky (citlivé na farebné spektrum). Existujú tri hlavné typy čapíkov citlivé na rôzne oblasti spektra, čo umožňuje vnímanie farieb kombináciou signálov (princip trojfarebného videnia).

Vnímanie farieb nie je len fyzikálny prejav spektrálneho zloženia svetla, ale aj biologický a psychologický proces — kontext, adaptácia oka a spracovanie v mozgu ovplyvňujú, ako farbu vnímame. Niektoré farby vznikajú aj miešaním monochromatických zložiek (aditívne miešanie pri svetle) alebo miešaním pigmentov (subtraktívne miešanie).

Aplikácie a fenomény

Viditeľné svetlo má široké praktické využitie: osvetlenie, zobrazovacie techniky (fotografia, mikroskopia), komunikácia (optické vlákna pri neviditeľných častiach spektra), merania, umenie a dizajn. Zároveň sú s ním spojené prírodné javy ako dúhy, prízračné farebné efekty, západy Slnka a farebné rozloženia spôsobené rozptylom a absorpciou atmosféry.

Upozornenia a terminológia

Vo fyzike sa slovo svetlo niekedy používa všeobecne pre elektromagnetické žiarenie akejkoľvek vlnovej dĺžky, nielen viditeľné. Tento článok sa však sústredí konkrétne na viditeľné svetlo. Pre širší kontext si môžete prečítať článok o elektromagnetickom žiarení.

O svetle

Vo vákuu sa svetlo pohybuje rýchlosťou svetla, ktorá je 299 792 458 metrov za sekundu (alebo približne 186 282 míľ za sekundu). To znamená, že svetlo zo Slnka na Zem dorazí približne za 8 minút. V skle sa pohybuje približne dvojtretinovou rýchlosťou.

Svetlo sa pohybuje priamočiaro a vytvára tiene, keď je cesta svetla zablokovaná. Pevnejšie veci budú mať tmavší tieň, priehľadné veci budú mať svetlejší tieň a priehľadné veci nebudú mať žiadny alebo len veľmi malý tieň. Svetlo môže najľahšie prechádzať cez priehľadné veci. Keď sa svetlo nenachádza vo vákuu, pohybuje sa pomalšie, ako je jeho maximálna rýchlosť svetla. Najpomalšie svetlo, aké bolo kedy zaznamenané, sa pohybovalo rýchlosťou 39 míľ za hodinu. Naše oči reagujú na svetlo; keď niečo vidíme, vidíme svetlo, ktoré odráža, alebo svetlo, ktoré vyžaruje. Napríklad lampa vydáva svetlo a všetko ostatné v tej istej miestnosti ako lampa odráža jej svetlo.

Každá farba svetla má inú vlnovú dĺžku. Čím kratšia je vlnová dĺžka, tým viac energie má svetlo. Rýchlosť, ktorou sa svetlo pohybuje, nezávisí od jeho energie. Prechod cez čiastočne číre predmety môže svetlo spomaliť o veľmi malú hodnotu.

Biele svetlo sa skladá z mnohých rôznych farieb svetla, ktoré sa sčítajú. Keď biele svetlo presvietime cez hranol, rozdelí sa na rôzne farby a vznikne spektrum. Spektrum obsahuje všetky vlnové dĺžky svetla, ktoré môžeme vidieť. Červené svetlo má najdlhšiu vlnovú dĺžku a fialové (purpurové) svetlo má najkratšiu.

Svetlo s vlnovou dĺžkou kratšou ako fialová sa nazýva ultrafialové svetlo. Röntgenové a gama žiarenie sú tiež formy svetla s ešte kratšou vlnovou dĺžkou ako ultrafialové. Svetlo s vlnovou dĺžkou dlhšou ako červená sa nazýva infračervené svetlo. Rádiové vlny sú formou elektromagnetického žiarenia s vlnovou dĺžkou ešte dlhšou ako infračervené svetlo. Mikrovlny, ktoré sa používajú na ohrev jedla v mikrovlnnej rúre, sú tiež formou elektromagnetického žiarenia. Naše oči tieto druhy energie nevidia, ale existujú kamery, ktoré ich dokážu vidieť. Rôzne formy svetla, viditeľné aj neviditeľné, tvoria elektromagnetické spektrum.

Keď sa svetlo láme v kvapkách dažďa, vzniká dúha. Dažďová kvapka pôsobí ako hranol a láme svetlo, až kým nevidíme farby spektra.

Farba

Svetlo a farba sú formy analógovej informácie. Elektronické fotoaparáty a počítačové displeje však pracujú s digitálnymi informáciami. Elektronické fotoaparáty alebo skenery dokumentov vytvárajú digitálnu verziu farebného obrazu rozdelením plnofarebného obrazu na samostatné červené, zelené a modré obrazy. Neskôr digitálny displej používa pixely len týchto troch farieb. Počítačové obrazovky používajú len tieto tri farby v rôznych úrovniach jasu. Mozog ich kombinuje, aby videl všetky ostatné farby v obraze.

Ľudia si myslia, že predmety majú farbu. Je to preto, že molekuly, z ktorých sa objekt skladá, absorbujú určité svetelné vlny a ostatné svetelné vlny sa od nich odrážajú. Ľudské oko vidí vlnové dĺžky všetkého svetla, ktoré nebolo absorbované, a ich kombinácia zanecháva v mozgu dojem farby.

Laserové lúče


Dúha v Budapešti ukazuje farby viditeľného spektra.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to svetlo?

Otázka: Ako sa nazýva štúdium svetla?

Otázka: Ako svetlo interaguje s nepriehľadnými predmetmi?

Otázka: Ako svetlo pôsobí na priehľadné predmety?

Otázka: Aké farby má dúha od vonkajších okrajov po vnútorné okraje?

Otázka: Ako sa nazývajú vlnové dĺžky pod frekvenciou červenej farby?

Otázka: Čo je hlavným zdrojom svetla na Zemi?

Hľadajte podľa písmena