Lys: Hvad er det? Synligt spektrum, fotoner og optik

Lær om lys: synligt spektrum, fotoner, bølgelængder og optik. Kort, klar forklaring af farver, refleksion, intensitet og hvordan øjet opfatter lys.

Lys er en form for elektromagnetisk stråling med en bølgelængde, som kan registreres af det menneskelige øje. Det er en lille del af det elektromagnetiske spektrum og stråling fra stjerner som f.eks. solen. Dyr kan også se lys. Studiet af lys, kendt som optik, er et vigtigt forskningsområde inden for moderne fysik. Når lys rammer en uigennemsigtig genstand, danner det en skygge.

Hvad menes med synligt lys?

Synligt lys dækker den del af det elektromagnetiske spektrum, som det menneskelige øje kan opfatte — groft sagt bølgelængder fra omkring 380 nm til 750 nm. I fysik bruges ordet lys nogle gange om elektromagnetisk stråling af enhver bølgelængde, men her koncentrerer vi os om det synlige område. For et overblik over alle bølgelængder læs artiklen om elektromagnetisk stråling.

Spektrum og farver

Lysets bølgelængde eller frekvens bestemmer, hvilken farve vi opfatter. Regnbuer viser hele spektret af synligt lys. De enkelte farver, der bevæger sig ind fra de ydre kanter, er normalt opført som rød, orange, gul, grøn, blå, indigo og violet. Bølgelængder kortere end violet kaldes ultraviolet, og længere end rød kaldes infrarødt. Mange tekniske instrumenter og kameraer kan registrere disse udenforliggende bånd, så man kan analysere objekter, som øjet ikke kan se.

Fotoner og bølge-partikel dualitet

Lys har både bølge- og partikelegenskaber. I kvantefysikken beskrives lys som bestående af små energipakker kaldet fotoner, hvor hver foton har en energi proportional med lysets frekvens. Samtidig udviser lys bølgefænomener som interferens og diffraktion, som forklares bedst med bølgeteori.

Vigtige fysiske egenskaber

• Intensitet — hvor meget energi der passerer pr. areal (opfattes ofte som lysstyrke).
• Polarisering — retningen af lysets elektriske felt; bruges i briller, kameraer og kommunikation.
• Fase — positionen i en bølges cyklus; vigtig for interferens og koherens.
• Omløbsvinkelmoment — (orbital angular momentum) en egenskab ved nogle lysfelter, relevant i avanceret optik og manipulation af partikler.

Disse størrelser beskriver hvordan lys opfører sig og bruges i praksis i både målinger (radiometri, fotometri) og teknologier som lasere og fiberoptik.

Optiske fænomener og love

Refleksion og brydning (refraktion) er grundlæggende: loven om refleksion forklarer, hvordan vi ser et spejlbillede, mens Snells lov beskriver, hvordan lys ændrer retning ved passage mellem medier med forskellig brydningsindeks. Dispersion — at forskellige bølgelængder brydes forskelligt — er årsagen til, at et prisme deler hvidt lys i farver, og er også bag regnbuens farveopdeling. Andre fænomener omfatter absorption (energi optages af stof), spredning (fx Rayleigh-spredning, som giver himlen sin blå farve) og interferens (fx farvespil i tynde film).

Biologisk syn og opfattelse af farve

Det menneskelige øje har to hovedtyper fotoreceptorer: stave (sensitive til svagt lys, opfatter ikke farver) og tappe (ansvarlige for farvesyn). Tappene kommer i tre hovedtyper med forskellige følsomhedsprofiler, hvilket gør os til trichromater. Kombinationen af signaler fra disse celler og hjernens behandling bestemmer vores farveoplevelse. Farveopfattelse påvirkes også af lysintensitet, omgivende belysning og adaptionsmekanismer.

Kilder til lys og anvendelser

Naturlige lyskilder omfatter solen og andre stjerner; kunstige lyskilder spænder fra glødelamper og fluorescerende lamper til moderne LED- og laserlys. Lys bruges i et væld af teknologier: belysning, billeddannelse (kameraer, mikroskoper), kommunikation (fiberoptik), fjernmåling, medicinsk diagnostik (endoskopi, røntgen, infrarød billeddannelse) og industrielt målearbejde.

Det er loven om refleksion, der gør det muligt for os at se en genstand reflekteret i et spejl.

Om lys

I et vakuum bevæger lyset sig med lysets hastighed, som er 299.792.458 meter i sekundet (eller ca. 186.282 miles i sekundet). Det betyder, at det tager ca. 8 minutter for lyset at nå Jorden fra Solen. I glas bevæger det sig med ca. to tredjedele af denne hastighed.

Lyset bevæger sig i en lige linje og skaber skygger, når lysets vej er blokeret. Mere faste ting vil have en mørkere skygge, ting, der er mere klare, har en lysere skygge, og gennemsigtige ting vil ikke have nogen eller kun meget lidt skygge. Lyset kan nemmest passere gennem gennemsigtige ting. Når lyset ikke befinder sig i et vakuum, bevæger det sig langsommere end sin maksimale lyshastighed. Det langsomste lys, der nogensinde er registreret, bevægede sig med 39 miles i timen. Vores øjne reagerer på lys; når vi ser noget, ser vi det lys, det reflekterer, eller det lys, det udsender. En lampe afgiver f.eks. lys, og alt andet i samme rum som lampen reflekterer dens lys.

Hver lysfarve har en forskellig bølgelængde. Jo kortere bølgelængden er, jo mere energi har lyset. Den hastighed, hvormed lyset bevæger sig, afhænger ikke af dets energi. Når lyset går gennem delvist klare genstande, kan det bremse det med en meget lille mængde.

Hvidt lys består af mange forskellige farver lys, der er lagt sammen. Når hvidt lys skinner gennem et prisme, deler det sig op i forskellige farver og bliver til et spektrum. Spektret indeholder alle de bølgelængder af lys, som vi kan se. Rødt lys har den længste bølgelængde, og violet (lilla) lys har den korteste bølgelængde.

Lys med en bølgelængde, der er kortere end violet, kaldes ultraviolet lys. Røntgenstråler og gammastråler er også former for lys med endnu kortere bølgelængder end ultraviolet. Lys med en bølgelængde, der er længere end rødt, kaldes infrarødt lys. Radiobølger er en form for elektromagnetisk stråling med en bølgelængde, der er endnu længere end infrarødt lys. De mikrobølger, der bruges til at opvarme mad i en mikrobølgeovn, er også en form for elektromagnetisk stråling. Vores øjne kan ikke se disse former for energi, men der findes nogle kameraer, som kan se dem. De forskellige former for lys, både synlige og usynlige, udgør det elektromagnetiske spektrum.

Når lyset brydes i regndråberne, opstår der en regnbue. Regndråben fungerer som et prisme og bryder lyset, indtil vi kan se alle spektrets farver.

Farve

Lys og farver er former for analog information. Elektroniske kameraer og computerskærme arbejder imidlertid med digital information. Elektroniske kameraer eller dokumentscannere laver en digital version af et farvebillede ved at adskille det fulde farvebillede i separate røde, grønne og blå billeder. Senere bruger en digital skærm pixel med kun disse tre farver. Computerskærme bruger kun disse tre farver i forskellige lysstyrkeniveauer. Hjernen kombinerer dem for at se alle de andre farver i billedet.

Folk tror, at objekter har farver. Det skyldes, at de molekyler, som genstanden består af, absorberer visse lysbølger og lader de andre lysbølger prelle af på dem. Det menneskelige øje ser bølgelængderne af alt det lys, der ikke blev absorberet, og kombinationen af disse bølgelængder giver hjernen indtryk af en farve.

Regnbuen i Budapest viser farverne i det synlige spektrum.


Laserstråler

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er lys?

Spørgsmål: Hvad er studiet af lys kendt som?

Spørgsmål: Hvordan interagerer lys med uigennemsigtige genstande?

Spørgsmål: Hvordan interagerer lys med gennemsigtige genstande?

Spørgsmål: Hvilke farver er der i en regnbue fra yderkanter til inderkanter?

Spørgsmål: Hvad kaldes bølgelængder under den røde frekvens?

Spørgsmål: Hvad er den vigtigste lyskilde på Jorden?

Søg efter bogstav