To ciekawe

Światło widzialne, to jedyny rodzaj fal elektromagnetycznych znany ludziom od zawsze, choć aż do lat sześćdziesiątych XIX wieku nieznana była jego natura. Ludzi fascynowały zjawiska optyczne, jak tęcza widoczna na zdjęciu. Całe wieki trwały spory, czy światło ma skończoną prędkość, czy też rozchodzi się natychmiastowo.

RucXeF9rMFbQt

Na zdjęciu pokazany jest krajobraz z zielonymi łąkami, ciemnoniebieskim niebem, które przecina wielobarwna tęcza.

Z tego e‑materiału dowiesz się, jak doszło do poznania natury światła, oraz dlaczego widzimy świat w kolorach.

Warto przeczytać

W 1861 James Maxwell opublikował równania, w których udowodnił, że elektryczność i magnetyzm są dwoma rodzajami tego samego zjawiska – elektromagnetyzmu. Równania Maxwella nie tylko w spójny sposób wyjaśniały wszystkie zjawiska elektryczne i magnetyczne, ale przewidywały istnienie fal elektromagnetycznych, które poruszają się z prędkością światła $c=3·{10}^8\frac{m}{s}$. Naturalnym wnioskiem było przyjęcie, że światło jest falą elektromagnetyczną.

Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych cykli zmian pola magnetycznego lub elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz), $1Hz=1s^{-1}$.

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między najbliższymi punktami, w których pole elektryczne lub magnetyczne jest w tej samej fazie cyklu.

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

gdzie c jest prędkością światła.

Światło widzialne obejmuje bardzo wąski zakres w widmie fal elektromagnetycznych, od 380 do 780 nm. Tylko takie promieniowanie odbierają nasze oczy. Promieniowanie o mniejszej długości fali to ultrafioletnadfiolet (ultrafiolet)ultrafiolet, o większej – podczerwieńpodczerwieńpodczerwień.
Oko ludzkie odbiera światło o różnych długościach fal jako wrażenie różnych barw (Rys. 1.).

• fiolet od 380 nm do 436 nm,

• niebieski od 436 nm do 495 nm,

• zielony od 495 nm do 566 nm,

• żółty od 566 nm do 589 nm,

• pomarańczowy od 589 nm do 627 nm,

• czerwony od 627 nm do 780 nm.

R7heeCkGGkED3

Rys. 1. Rysunek przedstawia widmo światła widzialnego, czyli wszystkie kolory tęczy przechodzące stopniowo jeden w drugi. Od lewej strony są to: fioletowy, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy i czerwony.

Światło białe jest mieszaniną wszystkich barw. Można się o tym przekonać rozszczepiając światło w pryzmacie lub oglądając tęczę, która powstaje na skutek rozszczepienia światła białego na kropelkach wody w chmurach.

Jak to się dzieje, że widzimy świat w kolorach? Gdy na ciało pada światło białe, część promieniowania jest pochłaniana, a część odbija się od jego powierzchni. Jeśli jakieś ciało pochłania światło o barwach od czerwonego do zielonego, a odbija światło niebieskie i fioletowe, to oglądane w świetle białym, będzie mieć odcień niebieskiego lub fioletowego, zależnie od udziału tych barw w świetle odbitym.

Światło widzialne jest tylko w małym stopniu absorbowane zarówno przez atmosferę ziemską, jak i przez wodę. Ta jego cecha jest niezwykle istotna dla życia na Ziemi.  Zawdzięczamy jej nie tylko możliwość widzenia otoczenia, ale też samo powstanie życia na Ziemi. Życie nie mogłoby istnieć bez fotosyntezy, do której potrzebne jest światło.

Światło ma naturę falową, czyli ulega różnego rodzaju zjawiskom fizycznym, typowym dla fal, jak dyfrakcja, czy interferencja. Ale jednocześnie posiada naturę korpuskularną – składa się z fotonów, cząstek elementarnych o zerowym ładunku i masie spoczynkowej. Brak masy spoczynkowej oznacza, że foton nie istnieje w spoczynku, może tylko poruszać się z prędkością światła.

Energia fotonu jest wprost proporcjonalnej do częstotliwości fali, a odwrotnie proporcjonalnej do długości fali elektromagnetycznej:

gdzie $\nu$ jest częstotliwością fali, $\lambda$ - długością fali, $c=3·{10}^8\frac{m}{s}$ - prędkością światła, h - stałą Plancka, $h=6,63\cdot {10}^{-34}J\cdot s=4,14\cdot {10}^{-15}eV·s$.

Mieszając ze sobą wiązki światła w kolorze czerwonym, niebieskim i zielonym można uzyskać dowolną barwę. Zmieszanie światła o jednakowych natężeniach w tych trzech barwach daje światło białe (Rys. 2). Zmieniając udział poszczególnych barw, można otrzymać inny kolor. Zjawisko tworzenia nowych barw przez nakładanie się wiązek światła widzialnego o różnych długościach nazywamy syntezą addytywną.

RapTGYyDGHVd9

Rys. 2. Rysunek przedstawia 3 koła w różnych kolorach: niebieskim, zielonym i czerwonym. Koła częściowo nakładają się na siebie. Obszar nakładania się koła niebieskiego i zielonego ma kolor pośredni między tymi barwami, czyli kolor niebieskozielony. Obszar nakładania się koła niebieskiego i czerwonego ma kolor fioletowy, a obszar nakładania się koła czerwonego i zielonego ma kolor żółty. Obszar nakładania się wszystkich trzech kół ma barwę białą. Taki układ kolorów wykorzystywany jest w modelu graficznym RGB czyli z ang. Red Green Blue.

Wrażliwość oka ludzkiego na barwy wynika z obecności w siatkówce oka trzech rodzajów fotoreceptorówfotoreceptorfotoreceptorów, zwanych czopkami. Każdy z rodzajów czopków jest wrażliwy na inną barwę światła: czerwoną, zieloną i niebieską. W zależności od udziału tych trzech barw zarejestrowanych przez czopki, w mózgu powstaje wrażenie barwy pochodnej.

Środek obszaru światła widzialnego przypada na długość fali około 555 nm, co odpowiada barwie żółtozielonej. Dla światła o tej barwie czułość oka jest największa. Krzywa czułości oka dąży do zera zarówno po stronie fal dłuższych jak i krótszych (Rys. 3.).

RggoADVyItbhl

Rys. 3. Na rysunku jest wykres. Na osi poziomej odłożono długość fali w nanometrach w zakresie od 430 do 700 nanometrów. Na osi pionowej odłożono względną czułość oka ludzkiego w zakresie od zera do 1. Na wykresie są pionowe słupki o barwach tęczy. Słupki mają różną wysokość. Najwyższe są 3 słupki położone w środku wykresu dla długości fali od 530 do 580 nanometrów w kolorach zielonym zielonożółtym i żółtym. Na lewo od najwyższych słupków leżą coraz niższe słupki o barwach: niebieskiej, granatowej i najmniejszy słupek filetowy. Na prawo od najwyższych słupków leżą coraz niższe słupki o barwach pomarańczowej i czerwonej.

Na zasadzie addytywnego mieszania barw działają wszystkie współczesne monitory, telewizory, aparaty cyfrowe i tym podobne urządzenia. Z połączenia barw RGB (red, green, blue) w dowolnych kombinacjach ilościowych można otrzymać na ekranie szeroki zakres barw pochodnych.

Słowniczek

Podczerwień

Promieniowanie podczerwone, zwane w skrócie IR (z angielskiego Infrared), to promieniowanie elektromagnetyczne, którego nie rejestruje ludzkie oko, o długościach fal większych od długości fali światła czerwonego. Zakres promieniowania podczerwonego obejmuje długości fal od 780 nm do około 1 mm (inaczej: od 0,78 μmum do około 1000 μmum). Od strony fal dłuższych graniczy z zakresem promieniowania mikrofalowego.

R1FBeM1Hx5Sva

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia młodą kobietę w maseczce chirurgicznej. Obok postaci znajduje się ekran, na którym widać obraz tej kobiety w promieniowaniu podczerwonym. Na obrazie odsłonięte części ciała: czoło, szyja, dekolt są ciemne, a ubranie, maseczka, włosy kobiety są jasne.

Jak wszystkie fale elektromagnetyczne, promieniowanie podczerwone rozchodzi się w próżni z prędkością światła $c$ = 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s. Falę elektromagnetyczną 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 są w tej samej fazie.

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

Energia kwantu promieniowania, fotonu, jest wprost proporcjonalna do częstotliwości i odwrotnie proporcjonalna do długości fali:

gdzie $h$ jest stałą Plancka, $h$ = 6,63 · 10Indeks górny -34^-34 J·s lub 4,14 · 10Indeks górny -15^-15 eV·s.

Energie fotonów promieniowania podczerwonego są mniejsze niż fotonów światła widzialnego.

Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez wszystkie ciała. Nazywamy je również promieniowaniem termicznym. Promieniowanie termiczne obejmuje szeroki zakres długości fal, od nadfioletu do podczerwieni, ale maksimum tego promieniowania przypada na określony przedział długości fal, zależny od temperatury. Emisja promieniowania termicznego spowodowana jest bezładnym ruchem w materii cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Maksimum promieniowania ciała człowieka, a także przedmiotów o temperaturze pokojowej, przypada na fale długości około 10 μmum. Energia promieniowania termicznego zależy silnie od temperatury ciała – jest wprost proporcjonalna do $T^{4}$, gdzie $T$ jest temperaturą w skali bezwzględnejTemperatura w skali bezwzględnejtemperaturą w skali bezwzględnej. Wynika z tego, że ciało o wyższej temperaturze wypromieniowuje znacznie więcej energii, niż ciało o niższej temperaturze.

Podczerwień dzielimy umownie na podczerwień bliską i dalszą.

Bliska podczerwień to fale w zakresie (0,78 – 10) μmum. Emitują je ciała o temperaturze wyższej od pokojowej, takie jak żarówka, ognisko itp.

Dalsza podczerwień to fale w zakresie (10 - 1000) μmum. Źródłem tego promieniowania są ciała o temperaturze pokojowej i niższej.

Promieniowanie podczerwone kojarzy nam się z ogrzewaniem. I rzeczywiście, znamy lampy na podczerwień (promienniki podczerwieni) służące do ogrzewania ciała człowieka w celach leczniczych (Rys. 2.). Ale podczerwień może też chłodzić ciało. Jak to możliwe?

R18sQ6gUlnj8h

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia lampę na podczerwień, zwaną promiennikiem podczerwieni, używaną do ogrzewania ciała pacjenta.

Emisja promieniowania podczerwonego odbywa się kosztem energii wewnętrznej ciała. Gdy ciało absorbuje podczerwień, energia pochłoniętych fal elektromagnetycznych zamienia się na przyrost energii wewnętrznej. W warunkach równowagi przepływy energii cieplnej są równe – tyle samo energii ciało wypromieniowuje i pochłania. Temperatura ciała jest wtedy stała.

Ogrzewanie przez podczerwień.

Gdy absorbowane promieniowanie niesie więcej energii, niż promieniowanie wysyłane, energia wewnętrzna ciała zwiększa się i jego temperatura rośnie. Tym tłumaczymy, że możemy ogrzać się przy ognisku, lub ogrzać dłonie trzymając je w pobliżu gorącej szklanki z herbatą. W przestrzeni kosmicznej i w próżni podczerwień jest jedynym sposobem przekazywania energii cieplnej.

Chłodzenie przez podczerwień.

Gdy ciało ma wyższą temperaturę niż otoczenie, wysyłane promieniowanie ma większą energię, niż promieniowanie pochłaniane. Ciało traci energię wewnętrzną i jego temperatura się zmniejsza. Spadek temperatury jest szybszy, niż wynikający z przewodności cieplnej, ponieważ powietrze jest złym przewodnikiem ciepła. Każdy, kto stał obok dużej bryły lodu, poczuł od jej strony chłód. Ale to nie lód promieniuje chłodem, to ludzkie ciało wysyła w kierunku lodu więcej energii niż od niego otrzymuje.

Rola podczerwieni w regulacji temperatury na powierzchni Ziemi.

Promieniowanie podczerwone odgrywa ważną rolę w bilansie energetycznym atmosfery ziemskiej. Do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie słoneczne, w większości z zakresu światła widzialnego. Ogrzana powierzchnia Ziemi emituje promieniowanie podczerwone, jako promieniowanie wtórne. Promieniowanie to, przechodząc przez atmosferę, jest w znacznym stopniu pochłaniane przez zawartą w niej parę wodną, dwutlenek węgla, metan i inne gazy cieplarniane, zwiększając temperaturę powietrza. Można obliczyć, że gdyby Ziemia nie miała atmosfery, to jej średnia temperatura, wynikająca z bilansu promieniowania absorbowanego i emitowanego, wynosiłaby trochę mniej niż -18°C. Wiemy jednak, że średnia temperatura naszego globu jest o ponad 33°C większa i wynosi około 15°C. Atmosfera stanowi zatem cieplną izolację Ziemi. Odpowiednią dla życia temperaturę na Ziemi zawdzięczamy temu, że gazy cieplarniane (dwutlenek węgla, para wodna) są przezroczyste dla światła widzialnego, ale absorbują promieniowanie podczerwone.

Słowniczek