Látható fény: definíció, spektrum és főbb tulajdonságok

Ismerd meg a látható fényt: definíció, spektrum, színek, fotonok és fő tulajdonságok — egyszerű magyarázatok és szemléltető példák a fény természetéről.

A látható fény az elektromágneses sugárzás olyan része, amelyet az emberi szem képes érzékelni. Ez az elektromágneses spektrum egy viszonylag keskeny tartománya, és ide tartozik például a csillagok, így a Nap által kibocsátott sugárzás egy része is. A fényt nemcsak az emberek, hanem sok állatfaj is látja, gyakran eltérő hullámhossztartományokban. A fény jelenségeit és alkalmazásait a fizikában az úgynevezett optika a tanulmányozza.

Definíció és alapok

A látható fény hullámhossza megközelítőleg 380–750 nanométer (nm) közé esik, ami frekvenciában kb. 400–790 terahertz (THz)-nek felel meg. Energetikailag ez nagyjából 1,65–3,26 elektronvolt (eV) per foton. Ezek a határok nem élesek: egyes emberek és állatok kissé eltérő tartományt érzékelhetnek. A pontos fizikai leírásnál fontos megérteni, hogy a fény egyszerre mutat hullámok és részecskék tulajdonságait — a kvantumelmélet szerint a fény energiacsomagokban, azaz fotonokban létezik.

Spektrum és színek

A látható fényt az emberi szem az egyes hullámhosszok alapján különböző színűnek érzékeli. A természetes példa a szivárványok, ahol a fehér fény komponensei szétválva a teljes látható spektrumot megmutatják. A spektrum szokásos, külső szélektől befelé haladó sorrendje: vörös, narancssárga, sárga, zöld, kék, indigó és ibolya színként megadva. A vörösnél hosszabb hullámhosszakat (alacsonyabb frekvenciájúakat) infravörösnek, az ibolya felett magasabb frekvenciájúakat pedig ultraibolyának nevezzük.

Az emberi retinában háromféle csap receptor (S, M és L típus) különböző hullámhossz-érzékenységgel felel a kék, zöld és vörös tartományokra; ezek kombinációja adja a színlátásunkat. A színek keverése lehet additív (fényforrások, pl. monitorok) vagy szubtrakítv (festékek, nyomtatás), ez a különbség magyarázza a különböző megjelenítési eljárásokat.

A fény természete

A fény viselkedését számos jelenség írja le: hullámként diffrakciót és interferenciát mutat; részecskeként pedig fotonok szintjén kölcsönhat az anyaggal (például fotonelnyelés vagy fotoelektromos hatás). A hullámhossz, a frekvencia és a foton energiája kapcsolódnak egymáshoz a kvantum- és klasszikus összefüggéseken keresztül.

Főbb tulajdonságok

• Intenzitás — a fényenergia mennyisége időegységenként és területegységenként; a megvilágítás erősségét jellemzi.
• Polarizáció — a fény elektromos térerősségének rezgésirányára utal; sok optikai eszköz és jelenség (pl. polarizációs szűrők, visszaverődések) szempontjából fontos.
• Fázis — a hullámok időbeli és térbeli eltolódása; ez határozza meg az interferencia és koherencia jelenségeit.
• Keringési nyomaték (ang. optical angular momentum) — a fénynek lehet impulzusmomentuma és forgató hatása részecskékre; ez felhasználható mikroszkopikus tárgyak manipulálására (optikai csipeszek).

Tükrözés, törés és szóródás

A intenzitás és hullámtermészet mellett fontosak a geometriai optikai törvényei is: a tükrözés törvénye — melynek következtében egy tükörben visszatükröződő tárgyat láthatunk — kimondja, hogy a beesési és a visszaverődési szög megegyezik. A fény a különböző anyagokba való belépéskor megtörik (Snell törvénye), és az anyag hullámhosszfüggő törésmutatója miatt a fehér fény prizmán áthaladva felbontható (diszperzió). A légkörben történő szóródás (például Rayleigh-szórás) magyarázza, miért kék az ég és vöröses a naplemente.

Látható fény forrásai és alkalmazásai

A természetes források közül a Nap a legfontosabb, de ide sorolhatók a csillagok és biolumineszcens élőlények is. Mesterséges források: izzók, fénycsövek, LED-ek, lézerek. A látható fényt széles körben használjuk: látás, világítás, fotózás, televízió- és monitor-kijelzők, optikai kommunikáció (üvegszálak), orvosi képalkotás és spektroszkópia. Bizonyos műszerekkel a látható tartományon kívüli hullámhosszok is mérhetők és megjeleníthetők, de a szemünk számára ezek nem közvetlenül láthatók (kamerákkal vagy műszerekkel lehet látni)

Megjegyzések

A fizikai irodalomban a fény kifejezés időnként tágabban, bármilyen hullámhosszú elektromágneses sugárzásra is vonatkozik, akár látható, akár nem — ebben az értelemben lásd az elektromágneses sugárzás általános ismertetését. Ez a cikk azonban kifejezetten a látható fény tulajdonságaira, spektrumára és szerepére összpontosít.

A fényről

Vákuumban a fény a fény sebességével mozog, ami 299 792 458 méter/másodperc (vagy körülbelül 186 282 mérföld/másodperc). Ez azt jelenti, hogy a fénynek körülbelül 8 percbe telik, amíg eléri a Földet a Naptól. Üvegben körülbelül kétharmaddal gyorsabban halad.

A fény egyenes vonalban mozog, és árnyékokat hoz létre, ha a fény útját elzárják. A tömörebb dolgok sötétebb árnyékot vetnek, a világosabb dolgok világosabb árnyékot vetnek, az átlátszó dolgok pedig nem vagy csak nagyon kevés árnyékot vetnek. A fény az átlátszó dolgokon halad át a legkönnyebben. Ha a fény nem vákuumban van, akkor a fény a maximális fénysebességénél lassabban halad. A valaha feljegyzett leglassabb fény 39 mérföld per órával haladt. A szemünk reagál a fényre; amikor látunk valamit, akkor a fényt látjuk, amit az visszatükröz, vagy a fényt, amit kibocsát. Például egy lámpa fényt bocsát ki, és minden más, ami a lámpával egy helyiségben van, visszaveri a fényét.

A fény minden színének más-más hullámhossza van. Minél rövidebb a hullámhossz, annál több energiával rendelkezik a fény. A fény mozgási sebessége nem függ az energiájától. A részben átlátszó tárgyakon való áthaladás nagyon kis mértékben lelassíthatja a fényt.

A fehér fény sok különböző színű fényből áll, amelyek összeadódnak. Amikor a fehér fény egy prizmán keresztül világít, különböző színekre bomlik, és spektrumot alkot. A spektrum tartalmazza a fény minden olyan hullámhosszát, amelyet látunk. A vörös fénynek van a leghosszabb hullámhossza, az ibolya (lila) fénynek pedig a legrövidebb.

Az ibolyánál rövidebb hullámhosszúságú fényt ultraibolya fénynek nevezzük. A röntgen- és a gammasugárzás szintén az ultraibolyánál is rövidebb hullámhosszúságú fényformák. A vörösnél hosszabb hullámhosszúságú fényt infravörös fénynek nevezzük. A rádióhullámok az elektromágneses sugárzás egy olyan formája, amelynek hullámhossza még az infravörös fénynél is hosszabb. A mikrohullámok, amelyeket az ételek mikrohullámú sütőben történő felmelegítésére használnak, szintén az elektromágneses sugárzás egyik formája. A szemünk nem látja ezeket az energiafajtákat, de vannak olyan fényképezőgépek, amelyek látják őket. A fény különböző, látható és láthatatlan formái alkotják az elektromágneses spektrumot.

Amikor a fény megtörik az esőcseppekben, szivárvány keletkezik. Az esőcsepp prizmaként viselkedik, és megtörik a fény, amíg a spektrum színeit láthatjuk.

Színes

A fény és a szín az analóg információ formái. Az elektronikus fényképezőgépek és a számítógépes kijelzők azonban digitális információval dolgoznak. Az elektronikus kamerák vagy dokumentumszkennerek a színes kép digitális változatát úgy készítik el, hogy a teljes színes képet külön piros, zöld és kék képekre bontják. Később a digitális kijelző csak ennek a három színnek a pixeleit használja. A számítógépek képernyői csak ezt a három színt használják különböző fényerősséggel. Az agy ezeket kombinálja, hogy a kép összes többi színét láthassa.

Az emberek úgy gondolnak a tárgyakra, mint amelyeknek színük van. Ez azért van, mert a tárgyat alkotó molekulák elnyelnek bizonyos fényhullámokat, és a többi fényhullám visszaverődik róluk. Az emberi szem az összes el nem nyelt fény hullámhosszát látja, és ezek kombinációja az agyban a szín benyomását kelti.

A budapesti szivárvány a látható spektrum színeit mutatja be.


Lézersugarak

Kérdések és válaszok

K: Mi a fény?

K: Hogy hívják a fény tanulmányozását?

K: Hogyan lép kölcsönhatásba a fény az átlátszatlan tárgyakkal?

K: Hogyan lép kölcsönhatásba a fény az átlátszó tárgyakkal?

K: Milyen színeket tartalmaz a szivárvány a külső szélétől a belső széléig?

K: Hogyan nevezik a vörös frekvencia alatti hullámhosszakat?

K: Mi a Föld fő fényforrása?

Keresés betűvel