Šviesa — matoma elektromagnetinė spinduliuotė: apibrėžimas ir savybės

Sužinokite, kas yra šviesa: matoma elektromagnetinė spinduliuotė, fotonai, spalvos, optika ir pagrindinės savybės — intensyvumas, poliarizacija, fazė ir spektro ribos.

Šviesa yra elektromagnetinės spinduliuotės forma, kurios bangos ilgį gali aptikti žmogaus akis. Tai nedidelė elektromagnetinio spektro dalis ir spinduliuotė, kurią skleidžia tokios žvaigždės kaip Saulė. Gyvūnai taip pat gali matyti šviesą. Optika, šviesos tyrimo sritis, nagrinėja jos plitimą, sąveiką su medžiaga bei prietaisų, tokių kaip lęšiai ar teleskopai, veikimą. Kai šviesa pataiko į nepermatomą objektą, jis užstoja šviesos spindulius ir susidaro šešėlis.

Kas yra šviesa — banga ir dalelė

Šviesa turi tiek bangines, tiek dalelines savybes. Ji sklinda kaip banga, turinti bangos ilgį ir dažnį, tačiau vienu metu egzistuoja ir kaip mažyčiai energijos paketai — fotonai. Fotonų energija susijusi su dažniu formulėje E = hν (čia h — Planko konstanta, ν — dažnis). Kvantinė šviesos prigimtis paaiškina reiškinius, kurių banginė teorija vien tik nebeaprašo, pavyzdžiui, fotoefektą.

Matomas spektras ir spalvos

Žmogaus akis skiria skirtingus bangos ilgius kaip skirtingas spalvas. Matoma šviesa paprastai apima bangų ilgius maždaug nuo 380 nm iki 750 nm (nanometrų). Vaivorykštės atskleidžia visą matomą spektrą, o atskiros spalvos dažnai išvardijamos: raudona, oranžinė, geltona, žalia, mėlyna, indigo ir violetinė. Už matomos srities kyla kitos elektromagnetinės bangos: mažesnio dažnio už raudoną yra infraraudonieji spinduliai, o didesnio už violetinę — ultravioletiniai.

Pagrindinės šviesos savybės

• Intensyvumas — šviesos energijos srautas per plokštelės plotą; matuojamas, pavyzdžiui, liuksais (illuminance) arba kandelomis.
• Poliarizacija — bangų vibracijos kryptis; dalis šviesos gali būti dalinai arba visiškai poliarizuota.
• Fazė — svarbi interferencijos ir koherencijos reiškiniams; lazerių spinduliai dažnai yra didelės koherencijos.
• Orbitinis kampinis momentas — šviesos laukas gali turėti sukamuosius komponentus, svarbius optinių spindulių sukimui ir mikrojudesiams valdyti.

Šviesa ir medžiaga: plitimas ir sąveikos

Šviesa plinta tiesiai vakuume ir beveik visuose skaidriuose terpe, greitis vakuume yra maždaug 299 792 458 m/s. Sąveikaujant su medžiaga, šviesa gali:

• Atspindėti (pagal atspindžio dėsnį kampas tarp atšokusio spindulio ir normalės lygus krintančio kampui) — todėl matome veidrodyje atsispindintį objektą.
• Lūžti — keičiasi spindulio kryptis pereinant iš vienos terpės į kitą; šį reiškinį aprašo Snellio dėsnis, o dispersija sukelia spalvinį skaidymą (vaivorykštė, lęšių spalvinės aberacijos).
• Sklisti (difrakcija) — bangos plinta už kampų ir per plyšius, sukeldamos interferencines gaires.
• Absorbuoti — medžiaga sugeria fotonus, jų energija pavirsta šiluma ar sukelia elektronų perėjimus (pvz., fotosintezėje arba fotoelektros efektu).
• Sklisti (sklaida) — smulkūs dalelės atmosfera sklaido trumpesnius bangos ilgius labiau, dėl to dangus atrodo mėlynas (Raleigh sklaida).

Interferencija, koherencija ir lazeriai

Interferencija — superpozicija dviejų ar daugiau bangų — paaiškina raiškias juostas ant plonų plėvelių ar difrakcines gaires. Koherentinė šviesa (pvz., iš lazerio) turi pastovią fazinę sąsają ir leidžia pasiekti stiprų interferencinį efektą. Lazeriai generuoja kryptingą, dažnai poliarizuotą bei didelės koherencijos šviesą, plačiai naudojamą moksle, pramonėje ir medicinoje.

Žmogaus rega

Žmogaus tinklainėje yra dvi pagrindinės fotoreceptorių rūšys: pusiukai (rods), jautrūs silpnam apšvietimui, ir konusai, atsakingi už spalvų suvokimą ir geresnę skiriamąją gebą. Skirtingi konusų tipai reaguoja į skirtingą bangos ilgių diapazoną, todėl kartu su smegenimis jie suformuoja spalvų pojūtį. Apšvietimo intensyvumas, kontrastas ir spalvinė temperatūra lemia, kaip aiškiai ir tiksliai mes matome objektus.

Praktinės reikšmės ir panaudojimas

Šviesa yra kertinė technologijų ir gamtos procesų dalis: ji būtina optinėms priemonėms (lęšiai, mikroskopai, teleskopai), komunikacijoms (optinės skaidulos), medicinos procedūroms (endoskopija, lazerinė chirurgija), bei biologiniams procesams, pvz., fotosintezei. Tyrimai optikoje ir kvantiniuose fotonikos laukuose nuolat plečia taikomųjų galimybių ribas.

Pastabos apie vartojimą fizikoje

Fizikoje terminas šviesa kartais naudojamas platesne prasme ir apima bet kokio bangos ilgio elektromagnetinę spinduliuotę — matomą arba nematomą. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama matomai šviesai; platesnei sąvokai žr. straipsnį apie elektromagnetinę spinduliuotę, kuriame aptariami visi spektro regionai.

Apie šviesą

Vakuume šviesa sklinda šviesos greičiu, kuris yra 299 792 458 metrai per sekundę (arba apie 186 282 mylios per sekundę). Tai reiškia, kad šviesa iš Saulės Žemę pasiekia maždaug per 8 minutes. Stikle ji sklinda maždaug dviem trečdaliais greičiau.

Šviesa juda tiesia linija, o kai šviesos kelias užstojamas, susidaro šešėliai. Kietesni daiktai turės tamsesnį šešėlį, skaidresni daiktai turės šviesesnį šešėlį, o permatomi daiktai neturės šešėlio arba jo turės labai mažai. Pro skaidrius daiktus šviesa prasiskverbia lengviausiai. Kai šviesa nėra vakuume, ji sklinda lėčiau nei didžiausias šviesos greitis. Pati lėčiausia kada nors užfiksuota šviesa judėjo 39 mylių per valandą greičiu. Mūsų akys reaguoja į šviesą; kai ką nors matome, matome šviesą, kurią ji atspindi, arba šviesą, kurią ji skleidžia. Pavyzdžiui, lempa skleidžia šviesą, o visa kita, kas yra toje pačioje patalpoje kaip ir lempa, atspindi jos šviesą.

Kiekviena šviesos spalva turi skirtingą bangos ilgį. Kuo trumpesnis bangos ilgis, tuo daugiau energijos turi šviesa. Šviesos judėjimo greitis nepriklauso nuo jos energijos. Eidama pro iš dalies skaidrius objektus šviesa gali sulėtėti labai nedaug.

Baltą šviesą sudaro daugybė skirtingų spalvų šviesos elementų. Kai balta šviesa sklinda pro prizmę, ji suskyla į skirtingas spalvas ir tampa spektru. Spektrą sudaro visi šviesos bangų ilgiai, kuriuos galime matyti. Raudona šviesa turi ilgiausią bangos ilgį, o violetinė (purpurinė) - trumpiausią.

Šviesa, kurios bangos ilgis trumpesnis už violetinę, vadinama ultravioletine šviesa. Rentgeno ir gama spinduliai taip pat yra šviesos rūšys, kurių bangos ilgis dar trumpesnis nei ultravioletinių spindulių. Šviesa, kurios bangos ilgis ilgesnis už raudoną, vadinama infraraudonąja šviesa. Radijo bangos yra elektromagnetinės spinduliuotės forma, kurios bangos ilgis dar ilgesnis už infraraudonąją šviesą. Mikrobangos, kurios naudojamos maistui šildyti mikrobangų krosnelėje, taip pat yra elektromagnetinės spinduliuotės forma. Mūsų akys šios energijos rūšies nemato, tačiau yra fotoaparatų, kurie ją mato. Įvairios šviesos formos, tiek matomos, tiek nematomos, sudaro elektromagnetinį spektrą.

Kai šviesa lūžta lietaus lašuose, susidaro vaivorykštė. Lietaus lašas veikia kaip prizmė ir laužia šviesą, kol pamatome įvairias spektro spalvas.

Spalva

Šviesa ir spalva yra analoginės informacijos formos. Tačiau elektroniniai fotoaparatai ir kompiuterių ekranai dirba su skaitmenine informacija. Elektroniniai fotoaparatai arba dokumentų skaitytuvai sukuria skaitmeninę spalvoto vaizdo versiją, išskirdami visą spalvotą vaizdą į atskirus raudonos, žalios ir mėlynos spalvų vaizdus. Vėliau skaitmeniniame ekrane naudojami tik šių trijų spalvų pikseliai. Kompiuterių ekranai naudoja tik šias tris spalvas skirtingais ryškumo lygiais. Smegenys jas sujungia, kad matytų visas kitas vaizdo spalvas.

Žmonės mano, kad daiktai turi spalvą. Taip yra todėl, kad objektą sudarančios molekulės sugeria tam tikras šviesos bangas, o kitos šviesos bangos atsispindi. Žmogaus akis mato visų neabsorbuotų šviesos bangų ilgius, o jų derinys smegenims sudaro spalvos įspūdį.

Lazerio spinduliai


Vaivorykštė Budapešte rodo matomo spektro spalvas.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra šviesa?

K: Kaip vadinamas šviesos tyrimas?

K: Kaip šviesa sąveikauja su nepermatomais objektais?

K: Kaip šviesa sąveikauja su skaidriais objektais?

K: Kokios yra vaivorykštės spalvos nuo išorinio krašto iki vidinio krašto?

K: Kaip vadinamos bangos, kurių ilgis mažesnis už raudonąjį dažnį?

K: Koks yra pagrindinis Žemės šviesos šaltinis?

Paieška pagal raidę