Światło i jego właściwości

Co to jest światło

Światło, jest falą elektromagnetyczną, której nośnikami są fotony.


Światło jako zbiór fotonów

Opis światła jako zbioru cząsteczek umożliwia wytłumaczenie wielu zjawisk które są wynikiem oddziaływania światła (jak zjawisko fotoelektryczne, efekt Comptona i emisja wymuszona), ale jest bezużyteczny przy próbie opisu interferencji lub dyfrakcji. Cząsteczki, które przenoszą światło nazywamy fotonami.

Fotony nie posiadają masy i poruszają się z prędkością światła c (patrz niżej).

Fotony są również interpretowane jako "kwanty energii", czyli najmniejsze możliwe porcje energii, jaka może zostać wyemitowana.


Światło jako fala elektromagnetyczna

Światło możemy opisać jako falę elektromagnetyczną, o dwóch składowych: fali elektrycznej i magnetycznej. Obie składowe indukują się nawzajem. Do opisu tych składowych używamy kolejno: wektora pola elektrycznego i wektora pola magnetycznego. Drgania tych wektorów leżą zawsze w prostopadłych do siebie płaszczyznach.


Na powyższej ilustracji B to wektor pola magnetycznego, E to wektora pola elektrycznego.


Dlaczego istnieją dwa sposoby opisu światła?

Dualizm korpuskularno-falowy materii określa, że każda materia we wszechświecie może być opisana zarówno za pomocą równania falowego jak i opisu cząsteczkowego. Jak opisujemy to w artykule o podstawach mechaniki kwantowej, zgodnie z równaniem de Brogile'a, aby właściwości falowe światła były zauważalne, pęd cząsteczki musi być bardzo bardzo mały. Ponieważ pęd fotonów jest bardzo mały, długość ich fal może być zauważalna dla człowieka.


Prędkość światła

Prędkość światła w próżni jest najszybszą możliwą prędkością, z jaką może przemieszczać się materia we wszechświecie. Oznaczamy ją małą literą "c" i wynosi ona:

`c = 299 792 458 text(m)/text(s)`.

Obserwowana prędkość światła może wydawać się wolniejsza w zależności od tego, w jakim ośrodku się porusza:

Światło przechodząc przez ośrodek pobudza do drgań ładunki elektryczne w nim zawarte, co zmniejsza jego amplitudę. Pobudzone ładunki wracając do stanu równowagi emitują falę (świetlną), która jest opóźniona w stosunku do fali pobudzającej. Powoduje to pozorne zmniejszenie prędkości światła (cząsteczki światła - fotony nadal podróżują z c = 299 792 458 m/s) i rzeczywiste zmniejszenie prędkości fali świetlnej.

Efektem osiągania różnych prędkości przez fale świetlne w zależności od ośrodka jest zjawisko załamania światła.


Podział fale elektromagnetycznych ze względu na ich długość

Radiowe > 10-3 m
Mikrofale 3 * 10-1 m - 3* 10-3 m
Podczerwień 3* 10-3 m - 7,8 *10-7 m
Światło widzialne 7,8 *10-7 m - 3,8 * 10-7 m
Ultrafiolet 4* 10-7 m - 10-8 m
Promieniowanie rentgenowskie 10-8 m - 10-11 m
Promieniowanie gamma < 10-11 m

Zakresów fal e-m nie ma na karcie wzorów maturalnych, a pytania o te fale często się pojawiają. Warto nauczyć się tych wartości na pamięć.


Jedynym promieniowaniem, które wyróżniamy nie ze względu na długość fali a ze względu na źródło jest promieniowanie gamma - zawsze powstaje w wyniku przemian materii jądrowej i nawet jeżeli w wyniku przemiany jądrowej powstało promieniowanie o długości 10-8 to i tak będzie nazywane promieniowaniem gamma!

Za "kolor" światła widzialnego, który jest własnością pozorną odpowiada w rzeczywistości również długość fali.


Dlaczego widzimy kolory?

Ludzkie oko zawiera trzy rodzaje receptorów, z których każdy reaguje na światło z innego zakresu barw (o innej długości fali): światło czerwone (ok. 700 nm), zielone (ok. 530 nm) i niebieskie (ok. 420 nm). Granice tych zakresów są rozmyte i zazębiają się - dla tego więcej niż trzy kolory.

380 nm do 436 nm - fiolet,
436 nm do 495 nm - niebieski,
495 nm do 566 nm - zielony,
566 nm do 589 nm - żółty,
589 nm do 627 nm - pomarańczowy,
627 nm do 780 nm - czerwony.

Przesunięcie ku czerwieni to w uproszczeniu wydłużenie długości fali.


Światło białe i monochromatyczne

Światło białe jest złożeniem fal elektromagnetycznych ze wszystkich zakresów światła widzialnego. Skład danego światła, które do nas dociera, możemy poznać obserwując rozszczepienie się światła na skutek dyfrakcji lub pewnych przypadków załamania światła (np. w pryzmacie).

Światło monochromatyczne jest takim światłem,które składa się z fal elektromagnetycznych o tylko jednej, ściśle określonej długości fali. Jest ono emitowane np. przez laser.
Przykład: zielone światło laserowe będzie monochromatyczne - nie będzie ulegało rozszczepieniu, a obiekty nim oświetlone w ciemności będą albo odbijać kolor zielony, albo go w pewnym stopniu pochłaniać.


Źródła światła

Świecenie to proces polegający na emisji fotonów przez atomy z danego ciała.

Istnieją dwa kryteria podziału źródeł światła:

1. Świecenie może być wywołane przez:
- procesy termiczne - tak świecą gwiazdy, żarówki, ogień,
- inne procesy - wówczas nazywamy je luminescencją (zimnym świeceniem, jarzeniem)

2. Emisja fotonów może być:
- spontaniczna - tak świeci większość źródeł światła
- wymuszona - tak świeci np. laser.