Warto przeczytać

Światło słoneczne to światło dochodzące od Słońca do powierzchni Ziemi. Światło jest widzialną częścią promieniowania elektromagnetycznego, odbieraną przez ludzkie oczy.

Falę elektromagnetyczną, która jest rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem pola elektromagnetycznego, charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę.

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza jest długość fali:

gdzie $c$ jest prędkością światła równą około 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s.

Światło widzialne to wąski zakres długości fal od 3,8 · 10Indeks górny -7^-7 m do 7,5 · 10Indeks górny -7^-7 m (czyli od 380 do 750 nm). Promieniowanie elektromagnetyczne o większej długości fali niż 750 nm, niewidzialne dla człowieka, nazywamy promieniowaniem podczerwonymPodczerwieńpromieniowaniem podczerwonym, a promieniowanie o długości fali mniejszej niż 380 nm to promieniowanie ultrafioletoweUltrafioletpromieniowanie ultrafioletowe. Źródła światła możemy podzielić na kilka kategorii, między innymi termiczne, promieniowanie synchrotronowe oraz emitowane z elektronów w atomie czy ciele stałym. Termicznymi źródłami światła są: gwiazdy, żarówki, lampy halogenowe, lampy łukowe, płomień. Źródłem światła może być także synchrotron (promieniowanie synochtotronowe) oraz diody elektroluminescencyjna (LED), lampki fluorescencyjne, rtęciowe, kwarcowe, maser i laser (jako emitowane z elektronów).

Światło słoneczne odbieramy jako światło białe. Jeśli to światło przepuścimy przez pryzmatPryzmatpryzmat, ulegnie ono rozszczepieniu na poszczególne barwy (Rys. 1.). Każda barwa odpowiada innej długości fali elektromagnetycznej: od 380 nm dla światła o barwie fioletowej do 750 nm dla światła czerwonego. Rozszczepiając światło białe na poszczególne barwy, otrzymujemy widmo światła białego (Rys. 2.).

Widmo światła słonecznego to zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego na poszczególne długości fal.

REqZWBg0h76bq

Rys. 1. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest pryzmat oraz zaprezentowane jest zjawisko rozszczepienia światła białego na barwy podstawowe. W centralnej części ilustracji widoczny jest pryzmat w postaci niebieskiej trójkątnej bryły. Bryła tworząca pryzmat jest graniastosłupem podstawie trójkąta równobocznego. Pryzmat ustawiony jest w taki sposób, że leży on na jednej ze ścian. Z lewej strony pryzmatu pada na niego promień światła białego. Promień widoczny jest w postaci wiązki o prawie przezroczystej, lekko niebieskiej barwie. Promień padając na pryzmat początkowo biegnie z lewej strony i nieco w górę. Po przejściu światła białego przez pryzmat, promień zostaje rozszczepione na podstawowe barwy. Po przejściu przez pryzmat światło biegnie w prawo i nieco w dół. Promień światła po przejściu przez pryzmat jest rozbieżny i kolorowy. W dolnej części, barwa promienia po przejściu przez światła jest fioletowa. Następnie barwa promienia zmienia się ku górze od zielonego, przez żółty do czerwonego. Rozszczepienie się światła białego w pryzmacie związane jest ze zjawiskiem dyspersji. W ogólności, zjawisko dyspersji polega na tym, że każda barwa światła ma nieco inną prędkość rozchodzenia się w ośrodkach dyspersyjnych. Zjawisko to można powiązać również faktem, że przy przejściu światła przez granicą dwóch ośrodków każda barwa załamuje się pod innym kątem. Należy pamiętać, że próżnia oraz w przybliżeniu powietrze dla fal elektromagnetycznych, czyli również światła, jest traktowana jako ośrodek bezdyspersyjny. Poniżej ilustracji widoczny jest poziomy prostokąt prezentujący widmo światła białego. Prostokąt zmienia swoją barwę w kierunku poziomym. Po lewej stronie prostokąt jest ciemno fioletowy. Zbliżając się ku prawej krawędzi prostokąta barwa zmienia się przez niebieską, błękitną, zieloną, żółtą, pomarańczową aby na końcu stać się czerwoną.

R19rVlsTtreFS

Rys. 2. Ilustracja przedstawia grafikę, na której przedstawione jest widmo światła białego. Na ilustracji widać poziomy prostokąt, którego barwa zmienia się od lewej do prawej. Lewa strona prostokąta jest ciemnoniebieska. Następnie przesuwając się w prawo barwa prostokąta zmienia się od jasno niebieskiej przez błękitną, zieloną, żółtą, pomarańczową, czerwoną, by w końcu stać się ciemnoczerwona. Pod prostokątem widoczna jest podziałka, na której zaznaczono długości fali rosnąco od lewej do prawej strony. Na podziałce zaznaczono wartości od trzystu osiemdziesięciu nanometrów do około siedmiuset osiemdziesięciu nanometrów. Odpowiada to zakresowi światła widzialnego. Ciemno niebieska barwa odpowiada długości czterystu nanometrów. Dla około pięciuset nanometrów barwa światła jest zielona. Żółta barwa światła odpowiada długości fali około pięciuset osiemdziesięciu nanometrów. Powyżej długości fali sześciuset trzydziestu nanometrów barwa staje się czerwona.

Orientacyjne zakresy długości fal dla poszczególnych barw wynoszą:

• fioletowa 380‑430 nm,

• niebieska 430‑500 nm,

• zielona 500‑570 nm,

• żółta 570‑620 nm,

• czerwona 620‑750 nm.

Odkrycie faktu, że białe światło składa się ze światła o różnych barwach zawdzięczamy Newtonowi, który w XVII wieku pierwszy rozszczepił światło słoneczne w pryzmacie, uzyskując wielobarwne widmo. Newton pokazał również, że połączenie rozszczepionego światła za pomocą soczewki i drugiego pryzmatu powoduje ponowne powstanie białego światła.

Rozszczepienie światła słonecznego podczas przechodzenia przez granice dwóch ośrodków spowodowane jest faktem, że współczynnik załamaniaWspółczynnik załamaniaspółczynnik załamania światła dla danego ośrodka zmienia się wraz z długością fali – ma najmniejszą wartość dla światła czerwonego a największą dla fioletowego. Zgodnie z prawem Snelliusa:

gdzie $\alpha$ to kąt padania, $\beta$ – kąt załamania, $n$ – współczynnik załamania światła, promień fioletowy ulegnie większemu odchyleniu niż czerwony (Rys. 3.).

RtgMOeRFd7uUl

Rys. 3. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano przejście promienia światła białego przez granicę dwóch ośrodków. Ośrodki, pomiędzy którymi przechodzi promień świetlny, narysowano w postaci poziomych prostokątów przyległych do siebie. Lewy prostokąt jest jasnoszary i reprezentuje ośrodek nazwany powietrzem. Prawy ośrodek jest również szary, lecz ciemniejszy i nazwano go szkłem. Promień światła białego narysowano w postaci białej ciągłej linii, która biegnie z lewej strony ku górze, docierając do granicy pomiędzy ośrodkami. Promień światła białego pada pod kątem mała grecka litera alfa do normalnej względem granicy ośrodków. Normalną do granicy ośrodków narysowano w postaci poziomej, czarnej i przerywanej linii prostopadłej do granicy pomiędzy powietrzem i szkłem. Promień światła białego po przejściu do ośrodka szklanego rozdzielany jest na dwie barwy fioletową i czerwoną. Kąty załamania promieni czerwonego i fioletowego są mniejsze od kąta padania promienia białego. Kąt załamania promienia fioletowego oznaczono małą grecką literą beta z indeksem dolnym mała litera f. Kąt załamania promienia czerwonego oznaczono małą grecką literą beta z indeksem dolnym mała litera c. Kąt załamania dla promienia czerwonego jest większy niż dla promienia fioletowego.

Rozszczepienie światła białego pokazuje, z jakich barw składa się to światło, ale nie daje informacji, jaka jest moc promieniowania we wszystkich kolejnych miejscach barwnego widma. Aby dokładniej zbadać widmo promieniowania, należałoby wzdłuż widma przemieszczać czujnik, na przykład fotokomórkę, który zmierzy moc dla każdej długości fali. Zmierzona ilość energii promieniowania w określonych zakresach długości fali światła $\lambda$ pozwala wykreślić krzywą rozkładu widmowego (Rys. 4.).

R1Ikk7QoPs4Lo

Rys. 4. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest pryzmat oraz zaprezentowane jest zjawisko rozszczepienia światła białego na barwy podstawowe. W centralnej części ilustracji widoczny jest pryzmat w postaci niebieskiej trójkątnej bryły. Bryła tworząca pryzmat jest graniastosłupem podstawie trójkąta równobocznego. Pryzmat ustawiony jest w taki sposób, że leży on na jednej ze ścian. Z lewej strony pryzmatu pada na niego promień światła białego. Promień widoczny jest w postaci wiązki o prawie przezroczystej, lekko niebieskiej barwie. Promień padając na pryzmat początkowo biegnie z lewej strony i nieco w górę. Po przejściu światła białego przez pryzmat, promień zostaje rozszczepione na podstawowe barwy. Po przejściu przez pryzmat światło biegnie w prawo i nieco w dół. Promień światła po przejściu przez pryzmat jest rozbieżny i kolorowy. W dolnej części, barwa promienia po przejściu przez światła jest fioletowa. Następnie barwa promienia zmienia się ku górze od zielonego, przez żółty do czerwonego. Rozszczepienie się światła białego w pryzmacie związane jest ze zjawiskiem dyspersji. W ogólności, zjawisko dyspersji polega na tym, że każda barwa światła ma nieco inną prędkość rozchodzenia się w ośrodkach dyspersyjnych. Zjawisko to można powiązać również faktem, że przy przejściu światła przez granicą dwóch ośrodków każda barwa załamuje się pod innym kątem. Należy pamiętać, że próżnia oraz w przybliżeniu powietrze dla fal elektromagnetycznych, czyli również światła, jest traktowana jako ośrodek bezdyspersyjny. Na końcu rozbieżnego, kolorowego promienia symbolizującego światło po przejściu przez pryzmat widoczny jest prostokątny układ współrzędnych. Układ ten przedstawia rozkład natężenia światła w zależności od barwy. Oś pionowa układu skierowana jest w górę i przedstawia natężenie światła wielka litera I. Oś pozioma układu przedstawia długość fali, mała grecka litera lambda. W układzie widoczna jest krzywa narysowana czarnym kolorem, która przypomina charakterem krzywą Gaussa. Maksimum tej krzywej przypada dla barwy zielonej. Poniżej ilustracji widoczny jest poziomy prostokąt prezentujący widmo światła białego. Prostokąt zmienia swoją barwę w kierunku poziomym. Po lewej stronie prostokąt jest ciemno fioletowy. Zbliżając się ku prawej krawędzi prostokąta barwa zmienia się przez niebieską, błękitną, zieloną, żółtą, pomarańczową aby na końcu stać się czerwoną.

Na Rys. 5. przedstawiona jest krzywa rozkładu widmowego promieniowania słonecznego. Na osi pionowej zaznaczone jest natężenie promieniowania, $I$, przypadające na przedział długości fali ($\lambda$, $\lambda+\Delta\lambda$). Natężeniem promieniowania (lub mocą promieniowania) nazywamy energię wyemitowaną w jednostce czasu w jednostkowy kąt bryłowy. Na osi poziomej jest długość fali promieniowania $\lambda$ z zaznaczonym zakresem długości fal światła widzialnego. Widzimy, że największa moc promieniowania dochodzącego do Ziemi przypada na zakres światła widzialnego z maksimum dla długości fali około 500 nm, co odpowiada barwie niebiesko‑zielonej. W promieniowaniu Słońca zawarte są wszystkie długości fal światła widzialnego, dlatego światło słoneczne odbieramy jako białe.

Jednak promieniowanie Słońca daleko wychodzi poza ten zakres. Zawiera również promieniowanie nadfioletowe, o długościach mniejszych od długości fal dla światła widzialnego oraz promieniowanie podczerwone, o długościach fal większych od światła widzialnego.

R13vFTbr3TSLt

Rys. 5. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczny jest prostokątny układ współrzędnych narysowany czarnymi liniami. Oś pionowa układu skierowana jest w górę i przedstawia natężenie światła w funkcji długości fali wyrażone w kilowatach na nanometr wielka litera I i w nawiasie małą grecka litera lambda i w oddzielnym nawiasie kwadratowym małą litera k i wielka litera W podzielone przez małe litery nm. Na osi natężenia zaznaczono wartości od zera do trzydziestu tysięcy, co pięć tysięcy. Oś pozioma układu skierowana jest w Prawo i przedstawia długość fali wyrażoną w nanometrach mała grecka litera lambda i w nawisie kwadratowym małe litery nm. Na osi długości fali zaznaczono wartości od zera do trzech tysięcy nanometrów, co pięćset nanometrów. W układzie widoczna jest funkcja narysowana w postaci niebieskiej i ciągłej linii. Funkcja ta przedstawia krzywą rozkładu widmowego promieniowania słonecznego. Dla małych wartości długości fali poniżej stu pięćdziesięciu nanometrów wartość funkcji jest bliska zeru. Następnie wartość funkcji gwałtownie rośnie, osiągając wartość maksymalną powyżej dwudziestu pięciu kilowatów na nanometr, dla długości fali około pięciuset nanometrów. Długość ta odpowiada barwie zielonej. Przesuwając się ku falom dłuższym, bliżej czerwieni oraz podczerwieni wartość funkcji asymptotycznie maleje do zera.

Na początku XIX wieku odkryto w widmie światła słonecznego ciemne prążki. Nazwano je od nazwiska odkrywcy liniami Fraunhofera. Niektóre z linii Fraunhofera pokazano na Rys. 6. Dziś wiemy, że położenie tych linii w widmie niesie informację o składzie chemicznym atmosfery słonecznej. Powstały one, gdy promieniowanie przechodziło przez atmosferę Słońca i atomy w niej zawarte, pochłonęły fotony o charakterystycznych dla tych atomów długościach fal. Dla tych długości fal wystąpiła więc przerwa (ciemny prążek) w widmie słonecznym. Więcej informacji o tym zjawisku znajdziesz w e‑materiale „W jaki sposób możemy zinterpretować linie widmowe?”.

R7Wh45aJdyTJP

Rys. 6. Ilustracja przedstawia grafikę, na której przedstawione jest widmo światła białego. Na ilustracji widać poziomy prostokąt, którego barwa zmienia się od lewej do prawej. Lewa strona prostokąta jest czerwona. Następnie przesuwając się w prawą stronę, barwa prostokąta zmienia się przez pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską, by na końcu stać się fioletowa. Pod prostokątem widoczna jest podziałka, na której zaznaczono długości fali malejąco od lewej do prawej. Na podziałce zaznaczono wartości od siedmiuset do czterystu nanometrów, co sto nanometrów. Długość fali siedmiuset nanometrów odpowiada barwie czerwonej. Dla długości fali sześćset nanometrów barwa jest pomarańczowa. Dla długość pięciuset nanometrów barwa prostokąta znajduje się pomiędzy zieloną a błękitną. Dla najkrótszej zaprezentowanej długości fali równej czterysta nanometrów. Barwa prostokąta jest fioletowa. Na prostokącie widoczne są również poziome czarne linie. Linie ta odpowiadają długościom fal emitowanym przez konkretne pierwiastki i nazywane są liniami Fraunhofera. Na podstawie długości fal dla linii Fraunhofera można określić skład chemiczny źródła światła.

Słowniczek