Svjetlost

Svjetlo je osjećaj koji nastaje podražajem očnog živca u oku. Taj podražaj dolazi u naše oko s pojedinih tijela koja nas okružuju, pa ih tako vidimo. Fizikalno tijelo s kojega dolazi takav podražaj zove se izvor svjetlosti. Izvori svjetlosti mogu biti primarni i sekundarni, prirodni i umjetni.

Primarni izvori svjetlosti su ona tijela koja svijetle sama od sebe. To su na primjer:

• tijela visoke temperature, Sunce, zvijezde i užarene kovine;
• tijela koja isijavaju svjetlost na račun kemijskih procesa koji se u njima zbivaju, na primjer fosfor, svijetleći kukci i tako dalje;
• tijela koja svijetle zbog električnih izbijanja, na primjer razrijeđeni plinovi u svijetlećim cijevima.

Sekundarni izvori svjetlosti su sva tijela od kojih se svjetlost odbija. Tako je na primjer Mjesec sekundarni izvori svjetlosti jer se od njega odbija svjetlost koja dolazi sa Sunca.

Umjetni izvori svjetlosti su na primjer tijela koja svijetle izgaranjem ili zbog zagrijavanja električnom strujom na visoku temperaturu. Među ta tijela spadaju baklje, svijeće, petrolejske svjetiljke, žarulje, električni luk i tako dalje.

Promatramo li plamen svijeće kroz cijev, vidjet ćemo ga samo onda ako je cijev ravna. Kroz savijenu cijev ne možemo vidjeti plamen. Također ga ne možemo vidjeti ni onda ako između oka i plamena stavimo neprozirno tijelo. Odatle zaključujemo da se svjetlost u homogenom sredstvu od svojeg izvora rasprostire na sve strane i to pravocrtno. To je zakon pravocrtnog širenja svjetlosti.

Kad svjetlost prolazi kroz vrlo mali otvor, kažemo da je to zraka svjetlosti. Ako je otvor veći pa prolazi više zraka, onda je to snop svjetlosti. Snop svjetlosti je stožac kojemu je vrh u izvoru svjetlosti. Zraka je vrlo uski snop svjetlosti. Posljedica pravocrtnog širenja svjetlosti je sjena. To je neosvijetljeni čunasti prostor iza neprozirnog tijela. Zbog sjene, koju Mjesec baca, nastaje pomrčina Sunca kada Mjesec u svojem gibanju oko Zemlje dođe u pravac Sunca i Zemlje. Mjesec tada sprječava prolaz Sunčevim zrakama na Zemlju. Promatrač koji se nalazi na Zemlji u toj sjeni vidi crnu Mjesečevu plohu koja prolazi ispred Sunca. Isto tako nastaje i pomrčina Mjeseca kada Zemlja dođe u pravac između Sunca i Mjeseca. Tada sjena Zemlje pada na Mjesec i nastaje pomrčina Mjeseca.

Zbog pravocrtnog širenja svjetlosti nastaje obrnuta slika u tamnoj komori (lat. camera obscura). To je kutija s malim otvorom, pa zrake svjetlosti, koje dolaze od predmeta, stvaraju obrnutu sliku dobro osvijetljenog predmeta na strani kutije nasuprot rupici. Onaj dio optike koji geometrijski istražuje zakone rasprostiranja svjetlosti zove se geometrijska optika.^[3]

Elektromagnetski spektar prikaz je jakosti elektromagnetskoga zračenja kao funkcije njegove frekvencije, odnosno valne duljine. Obuhvaća sve vrste elektromagnetskih valova, od niskofrekventnih radiovalova (valne duljine od nekoliko kilometara) preko mikrovalova (30 cm do 1 mm) i područja optičkih spektara (infracrvenoga zračenja, vidljive svjetlosti, ultraljubičastoga zračenja; od 1 mm do 1 nm) do visokofrekvencijskoga rendgenskog zračenja (valne duljine do približno 1 pm) i gama-zračenja. Promjene u energijskim razinama elektrona odražavaju se uglavnom na ultraljubičastim i vidljivim spektrima, a od vibracijske i rotacijske energije molekula potječu infracrveni spektri.

Osnovne su pojave vezane uz širenje svjetlosti: refleksija (odbijanje valova), refrakcija (lom svjetlosti), ogib (difrakcija), interferencija i polarizacija svjetlosti. Refleksija i refrakcija svjetlosti nastaju kada zrake svjetlosti stignu na granicu dvaju optičkih sredstava različite optičke gustoće. Tada se dio svjetlosti reflektira, a dio lomi po zakonima refleksije i loma. Ogib je odstupanje od ravnocrtnoga širenja svjetlosti kada ona naiđe na zapreku, dok se interferencijom, koja nastaje kombinacijom svjetlosnih valova iz dvaju izvora, stvaraju tamnije i svjetlije plohe. Polarizacija svjetlosti je uređenje titranja električnoga i magnetskoga polja koje nastaje međudjelovanjem svjetlosti i tvari: refleksijom, dvolomom ili disperzijom.

Teorije o naravi svjetlosti razvijale su se i mijenjale kako su se otkrivale pojave o njezinu širenju.

Kako bi objasnio ravnocrtno širenje svjetlosti i pojave refleksije i loma, I. Newton je 1672. pretpostavio da se svjetlost sastoji od roja sitnih čestica, koje se gibaju određenom brzinom.

Newtonov autoritet zasjenio je gotovo istodobnu teoriju C. Huygensa koja je svjetlosne pojave opisala s pomoću valnoga gibanja hipotetičnoga savršeno elastičnoga sredstva. Ole Rømer je bio danski astronom koji je 1676. prvi izmjerio brzinu svjetlosti. Početkom 19. stoljeća otkrivene su interferencija i ogib (difrakcija) svjetlosti (T. Young; A. J. Fresnel), a valna je teorija svjetlosti u nešto izmijenjenom obliku opet vraćena jer su se te pojave mogle objasniti samo pretpostavkom o valnoj naravi svjetlosti. Mjerenjem brzine širenja svjetlosti u različitim prozirnim sredstvima (1849.) ustanovljeno da se brzina svetlosti mijenja suprotno Newtonovim predviđanjima. Jedino je ostalo otvoreno pitanje hipotetičnoga sredstva, etera, kojim se valovi svjetlosti šire. Eter je morao biti bez mase, a ipak imati savršena elastična svojstva.

Otkriće polarizacije svjetlosti uputilo je na vezu između svjetlosti i elektromagnetskih pojava. Elektromagnetska teorija svjetlosti J. C. Maxwella (1873.) objasnila je sve do tada poznate pojave. Prema toj teoriji, svjetlost je elektromagnetski val vrlo visoke frekvencije, koji titra okomito na smjer vlastitoga širenja. Pokusi H. R. Hertza (1886.) pokazali su ispravnost Maxwellove teorije.

W. Hallwachs (1888.) otkrio je da svjetlost, kada pada na metal, izbacuje elektrone iz njihovih stacionarnih stanja na površini metala. P. Lenard ustanovio je da se zakoni fotoelektričnog učinka ne mogu uskladiti s načelima valne teorije. Suprotno valnoj teoriji energija izbačenih elektrona bila je neovisna o svjetlosnoj jakosti, a razmjerna frekvenciji svjetlosti. A. Einstein (1905.) ponovno je postavio teoriju svjetlosti na korpuskularne temelje. Prema Einsteinu, svjetlost je roj čestica, fotona, kojih je energija dana Planckovim izrazom:

${\displaystyle E=h\cdot \nu }$ 

gdje je: h - Planckova konstanta, a ν - frekvencija. Fotoni su čestice svjetlosti kojima je masa mirovanja nula, a šire se brzinom svjetlosti.

Kvantna teorija svjetlosti objašnjava dualističku narav svjetlosti, koja se nedvojbeno pokazuje u pojavama interferencije i fotoelektričnog učinka. Prema toj teoriji svjetlost nastaje kvantnim prijelazima elektrona iz jednog energetskoga stanja u atomu (ili u kristalnoj rešetki) u drugo. Elektroni su u atomima raspoređeni po stanjima određene energije (kvantna stanja) i dok se nalaze u tim stanjima, ne emitiraju energiju. Pri prijelazu elektrona u kvantno stanje niže energije, razlika u energiji emitira se kao kvant elektromagnetskoga zračenja:

${\displaystyle E=h\cdot \nu }$ 

Vrsta emitiranoga zračenja ovisi o razlici energije početnog i konačnoga stanja. Ako je energetska razlika tolika da se frekvencija zračenja nalazi između 4∙10¹⁴ i 8∙10¹⁴ Hz, emitirana energija ima oblik vidljive svjetlosti. Na isti se način objašnjava i apsorpcija svjetlosti: kvant svjetlosti, predajući svoju energiju elektronu, prebacuje ga iz stanja niže u stanje više energije. Kako su samo neka energetska stanja u atomu moguća, jasno je da će svako fizikalno tijelo apsorbirati upravo one frekvencije koje i samo emitira. Tako emitirani kvant energije širi se prostorom u obliku elektromagnetskoga vala. U kvantnoj teoriji svjetlosti procesi emisije i apsorpcije svjetlosti tumače se korpuskularno, dok se širenje svjetlosti i pojave povezane s time tumače valnom teorijom svjetlosti. Dualizam val – čestica proširen je i na tvar i temelj je shvaćanja prirode.

Bošković je smatrao da svjetlost može biti kao neko fino istakanje i kao neka para koju izbacuje žestoka vatrena fermentacija. Tvrdio je da je struktura svjetlosnih čestica, iako su male mase, složena i da se zrake različitih boja međusobno razlikuju. Kako bi objasnio zašto se na prelasku iz jednog optičkog sredstva u drugo dio svjetlosnog snopa reflektira a dio prelama, pretpostavio je da je svjetlosna čestica složena od mnoštva čestica nižeg reda povezanih elastičnim silama. Ako u trenutku emisije čestice koje čine svjetlosnu česticu dobiju različite početne brzine sporije će čestice usporavati brže a brže će ubrzavati sporije pa će se svjetlosna čestica rastezati i stezati. Ovisno je li svjetlosna čestica rastegnuta ili stegnuta u trenutku kad dolazi do granične površine između dva optička sredstva ona će se odbiti ili proći.

Boškovićevi opisi zagrijavanja tvari s pomoću svjetlosti zvuče moderno: "Sunčeve zrake podavaju vrlo neznatnim česticama tijela gibanje iz kojeg ... nastaje toplina…"

Osmislio je (ali nije proveo) pokus kojim je s pomoću dva teleskopa od kojih je jedan napunjen vodom namjeravao utvrditi je li svjetlost čestične ili valne prirode.^[4]

Ljudsko oko reagira samo na vrlo ograničeni raspon valnih duljina, na vidljivu svjetlost. Međutim, ono odlično raspoznaje i vrlo male razlike unutar tog raspona. Te male razlike nazivamo boje. Boje su dakle male frekvencijske razlike u području vidljive svjetlosti. Najkraću valnu duljinu imaju ljubičasta i plava svjetlost, a najdulju crvena svjetlost. Spektar vidljivog zračenja čine:

• ljubičasta boja (najveća frekvencija, najkraća valna duljina),
• plava boja,
• zelena boja,
• žuta,
• narančasta boja i
• crvena boja (najniža frekvencija, najdulja valna duljina).

Bijela svjetlost sastavljena je od kontinuiranog niza svih boja vidljivog spektra. U praksi pod bojom nekog tijela možemo smatrati boju koje tijelo reflektira kada je osvijetljeno bijelom svjetlošću, to jest tijelo će biti obojeno nekom bojom ako mu površina apsorbira bijelu svjetlost samo na određenom valnom području. Boja dakle ovisi o frekvenciji reflektiranog zračenja. Bijela površina je ona koja u jednakoj mjeri reflektira sva valna područja bijele svjetlosti.

Crna površina je ona koja u potpunosti apsorbira bijelu svjetlost. Siva površina u jednakoj mjeri reflektira sva valna područja bijele svjetlosti, ali ih i djelomično apsorbira. Bijela, crna i siva su akromatske boje, a sve ostale boje su kromatske. Osnovna svojstva kromatskih boja:

• ton (pojam vezan za ime boje na primjer crvena, zelena),
• svjetlina (ovisi o jakosti ili intenzitetu zračenja),
• zasićenost (ovisi o čistoći boje).

Kraće se valne duljine učinkovitije raspršuju po zraku nego dulje valne duljine. Nebo je plavo jer se kratke valne duljine (plava svjetlost) najviše raspršuju. Sunce isijava najviše energije u vidljivom dijelu spektra elektromagnetskoga zračenja. Vrlo vruća zvijezda emitira većinu svjetlosti u ultraljubičastom području. Vrlo hladna zvijezda (na temperaturi nižoj od 1000 K) većinu zračenja emitira u infracrvenom području. Sunce, po mnogome prosječna zvijezda emitira većinu energije u vidljivom dijelu elektromagnetskoga spektra.

Vegetacija upija crvenu i plavu svjetlost, a zrcali zelenu, pa nam stoga biljke izgledaju zeleno. Tvar koja upija plavo, a reflektira crveno izgleda nam crvena; koja upija crvenu svjetlost, a reflektira plavu je plava; koja podjednako reflektira svjetlost u svim bojama je bijela ili crna ili siva. Npr. ruža je crvena zato što se sve boje osim crvene upijaju unutar ruže, a samo se crvena boja reflektira. Crno i bijelo su u osnovi isto, a razlika je samo u količini reflektirane svjetlosti, a ne u njihovoj boji. Sve boje koje vidimo na Zemlji i drugdje su samo pitanje koje se valne duljine Sunčeve svjetlosti najbolje reflektiraju.

Dopplerov učinak je promjena promatrane valne duljine vala zbog međusobnog približavanja ili udaljavanja izvora vala i promatrača. Valne duljine spektralnih linija svjetlosti povećavaju se (pomiču prema crvenom području spektra) kada se izvor udaljava, a smanjuju se (pomiču prema plavom području spektra) kada se izvor približava promatraču. Proučavanjem Dopplerova učinka svjetlosti zvijezda i drugih nebeskih tijela može se odrediti radijalna brzina njihova gibanja.

Crveni pomak je pomak spektralnih linija svjetlosti (povećanje valnih duljina) prema crvenom dijelu spektra. Općenitije, pomak spektralnih linija elektromagnetskih valova prema većim valnim duljinama u spektru. Nastaje kad se izvor elektromagnetskih valova udaljava, što je brže udaljavanje izvor veći je crveni pomak (Dopplerov učinak) ili kad se izvor elektromagnetskih valova nalazi u snažnom gravitacijskom polju, a emitirani se valovi šire prema slabijem gravitacijskom polju. Kozmički crveni pomak odražava opće širenje svemira (Hubbleov zakon). Gravitacijski crveni pomak nastaje gubitkom energije fotona u gravitacijskome polju. Dokazan je Mössbauerovim učinkom i zapažen je u spektrima zvijezda s jakim gravitacijskim poljem.

• Svjetlosno zagađenje