Lys

mini|Lysstrålar gjennom eit vindauge.

Synleg lys (ofte berre kalla lys eller ljos) er elektromagnetisk stråling som er synleg for det menneskelege auga og er ansvarleg for det vi sansar som syn.CIE (1987). International Lighting Vocabulary . Number 17.4. CIE, 4th edition. ISBN 978-3-900734-07-7.By the International Lighting Vocabulary, the definition of light is: “Any radiation capable of causing a visual sensation directly.” Synleg lys er ein grunnleggjande faktor i vera til mennesket og andre organismar. Tilhøva mennesket har til ljoset har alltid hatt både praktiske, kjenslemessige og intuitive aspekt som uløyseleg hengjer saman, og det er få eller ingen andre ord som har så djupe og allsidig forgreina røter i kulturhistoria.«lys – fysikk» (27.10.2011), Store norske leksikon.

Synleg lys har ei bølgjelengd i området frå kring 380 nanometer til kring 740 nm – mellom usynleg infraraudt lys, med lengre bølgjelengder og usynleg ultrafiolett lys, med kortare bølgjelengder.

Dei viktigaste eigenskapane til synleg lys er intensitet, forplantingsretning, frekvens eller bølgjelengd og polarisering. Lysfarten i vakuum er 299 792 458 meter per sekund og er ein av dei fundamentale konstantane i naturen. I daglegtalen seier ein oftast at lyset har ein fart på 300 000 km i sekundet. Både synleg lys og all anna elektromagnetisk stråling flyttar seg alltid med denne farten i vakuum.

Som alle former for elektromagnetisk stråling, vert synleg lys emittert og absorbert i små «pakkar» kalla foton, og har eigenskapar som både bølgjer og partiklar. Denne eigenskapen vert kalla bølgje-partikkel-dualiteten. Studiet av lys vert kalla optikk og er eit viktig forskingsområde i moderne fysikk.

I fysikk kan stundom «lys» syne til elektromagnetisk stråling med alle slags bølgjelengder, same om det er synleg eller ikkje. Denne artikkelen fokuserer på synleg lys. For meir generell handsaming, sjå elektromagnetisk stråling.

Lysfarten

Lysfarten i vakuum er definert til å vere nøyaktig 299 792 458 m/s. Den faste verdien av lysfarten i SI-einingar kjem av at meteren no er definert i høve til lysfarten. Ein trur at alle former for elektromagnetisk stråling flyttar seg med nøyaktig denne farten i vakuum.

Mange fysikarar har prøvd å måle lysfarten gjennom historia. Galileo prøvde å måle lysfarten på 1600-talet. Eit tidleg eksperiment for å måle lysfarten vart utført av Ole Rømer, ein dansk fysikar, i 1676. Ved hjelp av eit teleskop, observerte Rømer rørslene til Jupiter og ein av månane til planeten, Io. Han fann avvik i den tilsynelatande perioden til banen til Io, og rekna seg fram til at lyset brukte kring 22 minuttar på å passere ei lengd som svara til diameteren av banen til jorda rundt sola. Kor stor denne diameteren er, var derimot ikkje kjend på den tida. Om Rømer hadde kjend diameteren til jordbanen, så hadde han kome fram til at farten var 227 000 000 m/s.

Ei anna, meir nøyaktig måling av lysfarten vart gjort i Europa av Hippolyte Fizeau i 1849. Fizeau retta ein lysstråle mot ein spegel fleire kilometer unna. Eit roterande tannhjul vart plassert i lysstrålen, slik at lyset passerte tannhjulet både på veg til spegelen og attende igjen. Fizeau fann ut at når hjulet roterte med ein viss snøggleik, så passerte stråla eit hakk i hjulet på veg ut, og det neste hakket i hjulet på veg attende. Sidan han kjende avstanden til spegelen, kor mange tenner det var på tannhjulet og kor raskt tannhjulet roterte, kunne Fizeau rekne seg fram til ein lysfart på 313 000 000 m/s.

Léon Foucault nytta eit eksperiment med roterande speglar for å kome fram til verdien 298 000 000 m/s i 1862. Albert A. Michelson utførte eksperiment for å finne lysfarten frå 1877 fram til han døydde i 1931. Han betra metodane til Foucault i 1926 og nytta roterande speglar til å måle tida det tok lyset å gjere ei rundreise frå Mt. Wilson til Mt. San Antonio i California. Den nøyaktige målinga gav han resultatet 299 796 000 m/s.

Den effektive lysfarten i forskjellige gjennomsiktige stoff er mindre enn i vakuum. Til dømes er lysfarten i vatn kring 3/4 av lysfarten i vakuum. At lyset verkar å gå langsamare kjem ikkje av at lyspartiklane faktisk går treigare, men at dei vert absorbert og reemittert frå ladde partiklar i stoffet.

Eit ekstremt døme på denne prosessen var då to forskjellige grupper klarte å få lyset til å stå «heilt i ro» ved å la det gå gjennom eit Bose-Einstein-kondensat av grunnstoffet rubidium. Den eine gruppa var frå Harvard University og Rowland Institute for Science i Cambridge i Massachusetts, og den andre frå Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, som òg ligg i Cambridge. Den populære skildringa om at lyset vart «stoppa» i desse eksperimenta syner berre til at lyset vart lagra i eksiterte atom, så reemittert ved eit vilkårleg tidspunkt seinare. I tida lyset hadde «stoppa» kunne det ikkje lenger kallast lys.

Elektromagnetisk spektrum og synleg lys

mini|380px|Elektromagnetisk spektrum med lys utheva. Generelt vert EM-stråling eller EMR (frå engelsk electromagnetic radiation der «radiation» eller «stråling» utelukkar statisk elektrisitet og magnetisme og nære felt) delt inn etter bølgjelengd i radio, mikrobølgje, infraraud, det synleg området som me oppfattar som lys, ultrafiolett, røntgenstråling og gammastråling.

Korleis EMR oppfører seg er avhengig av bølgjelengda. Høgare frekvensar har kortare bølgjelengder og lågare frekvensar har lengre bølgjelengder. Når EMR vekselverkar med enkle atom og molekyl er oppførselen avhengig av kor mykje energi kvart kvant fører med seg.

EMR i synleg lys består av kvant (kalla foton) som er i den lågare enden av energiar som har høve til å få molekyl til å bli elektrisk eksitert, noko som fører til endringar i bindingane eller kjemien i molekylet. I den nedre enden av det synleg lysspektrumet vert EMR usynleg for menneskeauget (infraraud), fordi fotona ikkje lenger har nok individuell energi til å skape ei varig molekylær endring i molekyla i netthinna. Det er desse endringane som utløyser det me sansar som syn.

Det finst dyr som er sensitive til forskjellige typar infraraudt lys, men ikkje på den måten at dei absorberer foton. Infraraud sansing hos slangar baserer seg på ein slag naturleg termografi, der ørsmå pakkar med cellulært vatn vert varma opp av den infraraude strålinga. EMR fører i dette tilfellet til vibrasjonar og oppvarmingseffektar i molekyla, og det slik levande dyr oppfattar den infraraude strålinga.

I andre enden av skalaen går synleg lys over i ultrafiolett lys, som òg er usynleg for mennesket, hovudsakleg fordi det vert absorbert av vevet i auga og særleg i linsa. I tillegg klarar ikkje stavane og tappane på baksida av menneskeauget å fange opp dei korte ultrafiolette bølgjelengdene, og er faktisk øydelagde av ultrafiolett stråling.http://www.yorku.ca/eye/lambdas.htm Mange dyr med auge som ikkje krev linser (som insekt og reker) klarar å sanse ultrafiolett direkte, som synleg lys, via absorpsjon av foton, som er mykje likt måten mennesket sansar synleg lys på.

Optikk

Studiet av lys og vekselverknaden mellom lys og materie vert kalla optikk. Observasjon og studie av optiske fenomen som regnbogar og polarlys gjev oss mange peikepinnar på korleis lyset fungerer.

Lysbryting

mini|Eit døme på lysbryting. Sugerøyret ser bøygd ut, fordi lyset vert brote når det går frå væska til lufta.

Lysbryting er bøying av lysstrålar når det passerer gjennom ei flate mellom to gjennomsiktige stoff. Dette er skildra av Snell-lova:

der er vinkelen mellom strålen og flatenormalen i det første mediet, er vinkelen mellom strålen og flatenormalen i det andre mediet, og n1 og n2 er brytingsindeksane, n = 1 i vakuum og n > 1 i gjennomsiktige stoff.

Når ein lysstråle kryssar grenseflata mellom eit vakuum og eit anna medium, eller mellom to forskjellige medium, endrar bølgjelengda til lyset seg, men frekvensen er framleis den same. Om lysstrålen ikkje er ortogonal (eller normal) på grenseflata, fører endringa i bølgjelengda til at lystrålen endrar retning. Denne endringa vert kalla lysbryting eller refraksjon.

Linser har god brytingskvalitet og vert ofte nytta til å manipulere lys, slik at ein kan endre den tilsynelatande storleiken til biletet. Forstørringsglas, briller, kontaktlinser, mikroskop og refraktorar er alle døme på slik manipulering.

Lyskjelder Det finst mange lyskjelder. Dei vanlegaste lyskjeldene er varmebaserte. Ein lekam ved ein gjeven temperatur sender ut eit karakteristisk spektrum av svartlekamstråling. Ei enkel varmekjelde som sollys, der strålinga kjem frå kromosfæren til sola med ein temperatur på kring 6000 Kelvin, har størst energi i den synlege regionen av det elektromagnetiske spekteret når det er plotta i bølgjelengderhttp://thulescientific.com/LYNCH%20&%20Soffer%20OPN%201999.pdf og kring 44 % av solstrålingsenergien når bakken som synleg lys. Eit anna døme er glødelys, der berre 10 % av energien vert send ut som synleg lys og resten som infraraudt, som altså er varmestråling. Ei vanleg termal lyskjelde gjennom historia er dei glødande partiklane i ein eld, men òg desse sender det meste av strålinga ut som infraraudt lys, og berre ein brøkdel i det synlege spekteret. Toppen i svartlekamspekteret er djupt i det infraraude, ved ei bølgjelengd på kring 10 mikrometer, for relativt kjølige lekamar som menneske. Etter kvart som temperaturen aukar, vert denne toppen flytta mot kortare bølgjelengder, og ein lekam vert først raudglødande, så kvit, og til slutt blåkvit før han går ut av det synlege spekteret og inn i det ultafiolette. Desse fargane kan ein sjå når eit metall vert varma opp til raudglødande og så til kvitglødande. Blåkvit varmestråling er sjeldan å sjå, utanom i stjerner. Dei reine blåfargane ein ser i ein gassflamme eller sveiseflamme er ikkje døme på dette, men heller utstråling frå særskile molekyla, hovudsakleg CH-radikalar.

Atom emitterer og absorberer lys ved karakteristiske energiar. Dette skapar emisjonslinjer i spekteret til kvart atom. Emisjonen kan skje spontant, som i lysdiodar, gassutladingslampar (som neonlampar og neonskilt, kvikksølvlampar osv.) og flammar (lys frå den varme gassen i seg sjølv, som til dømes at natrium gjev ein karakteristisk gulfarge i ein gassflamme). Emisjonen kan stimulerast, som i ein laser eller maser.

Oppbremsing av frie ladde partiklar, som eit elektron, kan skape synleg stråling: syklotronstråling, synkrotronstråling og bremsestråling er alle døme på dette. Partiklar som teoretisk sett kan flytte seg raskare gjennom eit medium enn lysfarten kan produsere synleg tsjerenkovstråling.

Somme kjemikaliar produserer synleg stråling via kjemoluminescens. I levande skapningar vert denne prosessen kalla bioluminescens. Til dømes skapar eldfloger lys på denne måten, og båtar som flyttar seg gjennom vatn kan forstyrre plankton slik at dei skapar moreld.

Somme stoff produserer lys når dei vert opplyst av meir energirik stråling, ein prosess kalla fluorescens. Somme stoff sender ut lys langsamt etter å ha vorte eksitert av meir energirik stråling. Dette vert kalla fosforescens.

Fosforescente stoff kan òg eksiterast ved å bombardere dei med subatomiske partiklar. Katodeluminescens er eit døme. Denne mekanisme vert nytta i katrodestrålerøyr fjernsynsapparat og dataskjermar.

Somme andre mekanismar kan produsere lys: Bioluminescens Tsjerenkovstrålign Elektroluminescens Funkling Sonoluminescens Triboluminescens

Når konseptet lys omfattar særs energirike foton (gammastråling) har ein i tillegg: Partikkel-antipartikkel-annihilasjon Radioaktiv nedbryting

Einingar og måling

Lysmåling går føre seg med to hovudmetodar: radiometri går ut på måling av lyseffekten ved alle bølgjelengder, medan lysmåling eller fotometri måler lys med bølgjelengder vektlagt med omsyn til ein standardisert modell for korleis menneske oppfattar lyset. Lysmåling er til dømes nyttig til å kvantifisere belysning meint for menneske. SI-einingane for begge systema kan oppsummerast i dei følgjande tabellane: