Svetloba

Svetloba je elektromagnetno valovanje. Elektromagnetno (EM) valovanje obsega različne valovne dolžine oziroma frekvence. Skupna jim je le hitrost valovanja. Ta je v zraku in v praznem prostoru približno 300 000 km/s.

Svetlobo, ki jo sprejema Zemlja od zunaj, v večji meri oddaja Sonce. V tej svetlobi so zastopane različne valovne dolžine. Katere valovne dolžine so bolj ali manj zastopane, določa temperatura površine Sonca. Ob poznavanju sevalne temperature Sonca (približno 5500 K), bi jih lahko izračunali s pomočjo Planckovega zakona, ki ga v tem gradivu ne bomo spoznali. Pri tej temperaturi seva Sonce najmočneje tiste valovne dolžine EM valovanja, ki jih zaznamo kot vidno svetlobo. Oddaja pa tudi nevidne toplotne valove (infrardeče valove) in prav tako nevidne in bolj nevarne ultravijolične valove.

Poleg Sonca imamo tudi druge, umetne izvore elektromagnetnega valovanja. To so radijski oddajniki, svetila, izvori visokofrekvenčnega sevanja itd. Če se omejimo le na svetila, njihovo sevanje lahko primerjamo s sevanjem Sonca. Ko rečemo, da je sevalna temperatura svetila 5400 K, to pomeni, da seva belo svetlobo, sestavljeno iz množice valovnih dolžin, podobno kot Sonce. Če je svetilo laser, seva svetlobo ene same valovne dolžine. Pravimo ji monokromatska (ene same barve) svetloba. Zaradi velike energije, zbrane okoli ene same frekvence, je nevarna za poškodbo oči.

Hitrost svetlobe v brezzračnem prostoru je enaka, kot za vsa elektromagnetna valovanja:

Običajno jo zaokrožimo na:

Približno enaka je tudi v zraku. Če preide svetloba v snov, pa se njena hitrost zmanjša. Kolikokrat se zmanjša v določeni snovi glede na zrak, pove lomni količnik.

Na sliki 1 je podana razdelitev EM valovanja ne glede na izvor valovanja vse od zelo velikih valovnih dolžin (dolgi valovi) do valovnih dolžin reda velikosti pm (X žarki).

Del tega valovanja so tudi valovi vidne svetlobe. To so sinusni valovi z valovno dolžino od 750 nm (rdeča svetloba) do 380 nm (vijolična svetloba). Valovno dolžino in frekvenco teh valov povezuje enačba:

Poglejmo si tabelo barv svetlobe in njenih valovnih dolžin:

Izvori svetlobe so:

Vsako segreto telo seva. Na nižji temperaturi seva toplotne, infrardeče žarke. Če segrejemo telo na višjo temperaturo, seva poleg infrardeče tudi vidno in ultravijolično svetlobo.

V gradivu Sevanje toplote smo videli, da najmočneje seva črno telo. Takrat smo imeli v mislih samo infrardeče ali toplotno sevanje, vendar ugotovitev velja tudi za sevanje vidne in ultravijolične svetlobe.

Katere valovne dolžine svetlobe (barve) oddaja segreto črno telo, pove spekter svetlobe. Spekter nam prikaže odvisnost gostote moči na enoto intervala valovne dolžine od valovne dolžine izsevane svetlobe.

Pri sevanju črnega telesa je spekter zvezen. Telesa sevajo pri vseh valovnih dolžinah, vendar pri nekaterih več, kot pri drugih. Spekter bi lahko izračunali s pomočjo Planckovega zakona. Pri kateri valovni dolžini je vrh spektra, je odvisno od temperature T telesa. Velja enačba:

Tu je Wienova konstanta:

Na sliki 4 je gostota sevalnega sevalne energije treh črnih teles, segretih na tri različne temperature: 5500 K, 4500 K in 3500 K. Levi del grafa predstavlja ultravijolični del spektra, osrednji del spekter vidne svetlobe (izrisane so mavrične barve) in desni del, infrardeči del spektra:

Svetilom, ki sevajo svetlobo zaradi sprememb atomskih stanj atoma, pravimo sijalke. To so fluorescenčne sijalke, sijalke na osnovi svetleče diode (LED), laserske diode itd. Fizikalno ozadje tega sevanja bomo spoznali v gradivu Elektronska stanja atomov.

Sijalke nimajo zveznega spektra svetlobe, pač pa oddajajo svetlobo posameznih valovnih dolžin. S kombinacijo materialov, ki sevajo svetlobo različnih valovnih dolžin, lahko dobimo svetlobo, podobno svetlobi, ki jo seva črno telo. Razlika je le v tem, da lahko oddajajo samo vidno svetlobo in ne tudi toploto, kot žarnice na žarilno nitko. Ker z njimi varčujemo z energijo, jim pravimo tudi varčne sijalke.

V primeru sijalk lahko govorimo le o ekvivalentni barvni temperaturi. To je temperatura črnega telesa, ki bi sevalo podoben spekter svetlobe kot opazovana sijalka.

Laserske diode sevajo svetlobo ene same valovne dolžine. Pravimo ji sofazna (koherentna), enobarvna (monokromatska) svetloba. Laserski žarek se z oddaljenostjo od svetila ne razprši in zato prenaša veliko sevalno energijo na majhnem preseku. Zato je nevaren za oči. Uporablja se za meritve (laserski merilniki razdalje in hitrosti), za ustvarjanje tridimenzionalnih (3D) slik - hologrami, v industriji, medicini in za prenos informacij v telekomunikacijah.

Svetlobna moč v vatih je energija, ki jo izseva svetlobno telo v časovni enoti:

Pravimo mu tudi svetlobni tok. Skoraj celoten svetlobni tok žarnice gre v sevanje svetlobe. Pri klasičnih žarnicah na žarilno nitko je le manjši del izsevane svetlobe vidna svetloba, prevladujejo infrardeči (toplotni) žarki.

Žarnica lahko seva v vse smeri ali pa samo pod določenim kotom. Če opazujmo sevanje samo pod določenim kotom, uporabimo prostorski kot . Enota za prostorski kot je steradian, okrajšano "ster". Prostorski kot 1 ster je kot, ki ima vrh v središču krogle z radijem 1 m in ki omeji površino krogle na krogelno kapico površine .

Površina na krogli, ki jo osvetli svetilo v središču krogle pri prostorskem kotu je:

Če je prostorski kot manjši, svetilo izseva več svetlobe samo v določeno smer. Pravimo, da se svetilnost v to smer poveča.

Svetilnost ima oznako I in enoto W/ster. To je fizikalna enota za svetilnost. Imamo pa še fiziološko enoto za svetilnost, ki upošteva samo vidni del spektra in dejstvo, da oko ni za vse barve enako občutljivo. To je razlog, da v praksi raje kot vat uporabljamo fiziološko enoto lumen, skrajšano lm.

Enačba za svetilnost je enaka, le enota se spremeni. Enota za svetilnost je v tem primeru lumen na steradian. Imenuje se candela - krajšano cd. To je ena od osnovnih enot v Mednarodnem sistemu enot - SI.

V praksi se uporablja še gostota svetlobnega toka j:

Enota je lumen na kvadratni meter. To je mera za osvetljenost. Dobljena enota se imenuje lux, skrajšano lx.

Povprečne vrednosti osvetljenosti so:

Koliko lumnov nam da svetilo z določeno močjo, je odvisno od samega svetila. Za približno 60 do 150 lumnov potrebujemo:

Svetlobo zaznavamo s pomočjo očesa. Na očesni mrežnici so celice, imenovane paličnice. To so svetlobni sprejemniki, ki lahko zaznavajo zelo slabotno svetlobo in jo prikažejo kot brezbarvno svetlo - temno sliko. Pri nočnem gledanju je oko najbolj občutljivo za svetlobo valovne dolžine okoli 550 nm. Pri tej svetlobi oko še zazna gostoto svetlobnega toka (to je svetlobno moč na kvadratni meter površine) približno:

Največja občutljivost očesa za svetlobo je primerljiva z največjo občutljivostjo ušesa za zvok - to je pri frekvencah okoli 1000 Hz.

Na mrežnici pa so tudi barvno občutljive celice, imenovane čepnice. Rumena pega, to je vdolbina v mrežnici nasproti leče, vsebuje številne čepnice. Pri človeku omogočajo barvni vid. Človeško oko lahko zaznava barve samo v primeru dovolj močne svetlobe. Največja občutljivost očesa je pri rumeno zeleni svetlobi valovne dolžine 555 nm. Čepnice imajo tri vrste pigmentov, ki so "uglašeni" na tri valovne dolžine. Vrhovi občutljivosti posameznih vrst čepkov so na 420 - 440 nm (S - short, kratek), 530 - 540 nm (M - middle, srednji) ter 560 - 580 nm) (L - long, dolg).

To je tribarvni (trikromatski) sistem gledanja. Značilen je za nekatere primate in človeka. Mnogo drugih primatov in sesalcev je dvobarvnih (dikromatskih) z zelo omejeno barvno zaznavo ali brez barvne zaznave. Nekatere živali (tropske ribe, ptice) imajo celo štiribarvno gledanje, saj živijo v barvno intenzivnem okolju, kjer je natančno razlikovanje barv nujno za preživetje.

Poljubno barvo lahko dobimo z mešanjem različnih intenzitet treh osnovnih barv svetlobe: rdeče, zelene in modre (RGB). To izkoriščajo monitorji barvnih televizorjev ali računalnikov.

Barvni vtis nam da skupni odziv vseh treh vrst čepnic na vpadno svetlobo. Belo barvo lahko dobimo z mešanjem treh osnovnih barv ali pa z mešanjem vseh barv (valovnih dolžin), ki jih oddaja sonce. To imenujemo tribarvni aditivni model zaznave barv. Različne kombinacije svetlobe vseh možnih valovnih dolžin lahko povzročijo enak odziv in enako zaznavo barve.