Vidna svetloba: definicija, lastnosti, spekter in barve

Vidna svetloba: jasna definicija, ključne lastnosti, spekter in barve — razumite fotone, valovne dolžine, mavrico in kako človeško oko zaznava barve.

Svetloba je oblika elektromagnetnega sevanja z valovno dolžino, ki jo lahko zazna človeško oko. Vidni del elektromagnetnega spektra pokriva približno valovne dolžine od približno 380 nm do 750 nm (v praksi se pogosto navaja tudi 400–700 nm), kar ustreza energijam enega fotona približno 1,65–3,26 eV. Svetloba je majhen del elektromagnetnega spektra in je istočasno sevanje, ki ga oddajajo zvezde, kot je sonce. Svetlobo lahko zaznavajo tudi številne živali; nekatere vrste vidijo širši spekter (npr. v ultravijoličnem delu).

Svetlobo lahko razumemo na dveh medsebojno dopolnjujočih načinih: kot valovanje in kot tok delcev. V kvantnem opisu obstaja v majhnih paketih energije, imenovanih fotoni. Vsako valovanje ima valovno dolžino ali frekvenco, pri čemer sta povezana z razmerjem c = λ·ν (c je hitrost svetlobe v vakuumu). V praksi opažamo, da vsako valovno dolžino človeško oko dojema kot različno barvo. Celoten spekter vidne svetlobe lahko opazimo v mavrici, kjer se posamezne barve razporedijo glede na valovno dolžino.

Spekter in barve

Pri prehodih med barvami so navadno od zunanjih robov spektra razpoznavne naslednje barve: rdeča, oranžna, rumena, zelena, modra, indigo in vijolična. Vrednosti valovnih dolžin za te barve so približne (od kratkih k dolgim): vijolična ~380–450 nm, modra ~450–495 nm, zelena ~495–570 nm, rumena ~570–590 nm, oranžna ~590–620 nm, rdeča ~620–750 nm. Valovne dolžine, ki so krajše od vijolične, imenujemo ultravijolična, valovne dolžine daljše od rdeče pa infrardeča. Nekatere valovne dolžine zunaj vidnega območja je mogoče zaznati le z kamerami ali instrumenti.

Lastnosti svetlobe

• Jakost (intenziteta) — količina energije, ki jo svetloba prenaša; v opisu vidnosti se uporabljajo pojmi kot so svetilnost, sij (lumen, lux) in svetilnostna jakost (candela).
• Polarizacija — usmerjenost električnega polja valovanja; mnoge optične naprave in materiali polarizacijo spreminjajo ali izkoriščajo.
• Faza in koherenca — opišeta medsebojno urejenost valov; visoka koherenca je lastna laserjem in omogoča interferenco in natančne meritve.
• Orbitalni kotni moment — kvantne lastnosti fotonov, pomembne v napredni optiki in pri manipulaciji svetlobe na mikroskopski ravni.

Interakcija svetlobe z materijo

Ko svetloba zadane snov, se lahko odbije, zlomi, absorbira ali razprši. Zakon o odboju (zanj je omenjen v besedilu) opredeljuje, kako se svetloba zrcali od gladkih površin — koti vpadnega in odbitega žarka so enaki. Pri prehodu med snovmi z različnim indeksom loma se svetloba lomi po Snellovem zakonu, kar povzroči upogib poti in je osnova delovanja leč in očal. Dispersion (razklad) je odvisnost indeksa loma od valovne dolžine in povzroča razslojevanje belke svetlobe v sestavne barve, kar vidimo pri prizmi ali v mavrici.

Razprševanje, na primer Rayleighovo razprševanje, pojasni, zakaj je nebo modro (ker krajše valovne dolžine razpršijo močnejše) in zakaj so sončni zahodi rdeči (daljše potovanje skozi atmosfero zmanjša modro komponento). Absorpcija je specifična za materiale in povzroči, da predmeti vidijo določene barve — barva predmeta je tisto, kar odbije ali prepušča našemu očesu.

Človeško zaznavanje barv

Človeško oko ima dve osnovni vrsti svetlobnih receptorjev: palčke (rods), ki so občutljive na intenziteto in omogočajo slabo vidljivost v temi, in čepke (cones), ki so občutljivi na barve in delujejo v svetli svetlobi. Pri ljudeh so trije tipi čepkov, občutljivi na približno modro, zeleno in rdečo regijo spektra — zato govorimo o trihromatskem vidu. Kombinacije dražljajev teh receptorjev interpretiramo kot različne barve. Nekateri ljudje imajo prirojene ali pridobljene motnje barvnega vida (barvna slepota), druge živalske vrste pa lahko zaznavajo barve, ki jih mi ne moremo, npr. ultravijolično.

Barvno mešanje in uporaba

Obstajata dva osnovna načina mešanja barv: aditivno in substraktivno. Aditivno mešanje (uporaba svetlobnih virov, npr. RGB na zaslonih) združuje svetlobe različnih barv v svetlejše rezultate; primarni viri so rdeča, zelena in modra. Substraktivno mešanje (barvila, tisk) odvzema določene valovne dolžine iz belega svetlobnega vira; primarne barve pri tem so cijan, magenta in rumena.

Tehnologije in merjenje

Študij svetlobe, imenovan optika, je pomembno raziskovalno in tehnološko področje. Nanjo se opirajo kamere, mikroskopi, teleskopi, optična vlakna za prenos podatkov, laserske naprave in prikazne tehnologije. Senzorji v kamerah pogosto uporabljajo filtre in detektorje, da reproducirajo ali razširijo območje zaznavanja (npr. infrardeča ali ultravijolična kamere).

Enote za kvantifikacijo zaznave svetlobe vključujejo lumen (lumn, ang. lumen) za skupni vidni tok, lux za osvetljenost površine ter candela za svetilnostno jakost. V fizikalnem smislu pa intenziteto tudi opisujemo z energijo in številom fotonov na enoto časa in površine.

Varnost in vpliv na zdravje

Ekstremne valovne dolžine zunaj vidnega območja so lahko škodljive: prekomerna izpostavljenost ultravijoličnemu sevanju lahko poškoduje kožo in oči (npr. katarakta), močne infrardeče komponente pa lahko povzročijo termične poškodbe. Zato je varno ravnanje z močnimi svetlobnimi viri in laseri pomembno za zaščito vida.

Opomba o definicijah

V fiziki se izraz svetloba včasih uporablja širše in se nanaša na elektromagnetno sevanje katere koli valovne dolžine, vidne ali ne. Ta članek pa je osredotočen na vidno svetlobo. Za splošni koncept preberite članek o elektromagnetnem sevanju.

O svetlobi

V vakuumu se svetloba giblje s svetlobno hitrostjo, ki znaša 299 792 458 metrov na sekundo (ali približno 186 282 milj na sekundo). To pomeni, da svetloba od Sonca do Zemlje prispe v približno 8 minutah. V steklu se giblje približno dve tretjini hitreje.

Svetloba se giblje v ravni črti in ustvarja sence, kadar je pot svetlobe ovirana. Bolj trdne stvari bodo imele temnejšo senco, bolj jasne stvari bodo imele svetlejšo senco, prozorne stvari pa ne bodo imele sence ali pa bo ta zelo majhna. Svetloba najlažje prehaja skozi prozorne stvari. Kadar svetloba ni v vakuumu, potuje počasneje, kot je njena največja svetlobna hitrost. Najpočasnejša svetloba, ki je bila kdaj koli zabeležena, se je gibala s hitrostjo 39 milj na uro. Naše oči se odzivajo na svetlobo; ko nekaj vidimo, vidimo svetlobo, ki jo odseva, ali svetlobo, ki jo oddaja. Svetilka na primer oddaja svetlobo, vse drugo v istem prostoru kot svetilka pa njeno svetlobo odbija.

Vsaka barva svetlobe ima različno valovno dolžino. Čim krajša je valovna dolžina, tem več energije ima svetloba. Hitrost gibanja svetlobe ni odvisna od njene energije. Prehajanje skozi delno prozorne predmete lahko svetlobo upočasni za zelo majhno količino.

Bela svetloba je sestavljena iz več različnih barv svetlobe, ki se seštevajo. Ko bela svetloba sveti skozi prizmo, se razdeli na različne barve in postane spekter. Spekter vsebuje vse valovne dolžine svetlobe, ki jih lahko vidimo. Rdeča svetloba ima najdaljšo valovno dolžino, vijolična svetloba pa najkrajšo.

Svetloba z valovno dolžino, krajšo od vijolične, se imenuje ultravijolična svetloba. Rentgenski in gama žarki so prav tako oblike svetlobe s še krajšo valovno dolžino od ultravijolične. Svetloba z valovno dolžino, daljšo od rdeče, se imenuje infrardeča svetloba. Radijski valovi so oblika elektromagnetnega sevanja z valovno dolžino, ki je še daljša od infrardeče svetlobe. Mikrovalovi, ki se uporabljajo za segrevanje hrane v mikrovalovni pečici, so prav tako oblika elektromagnetnega sevanja. Te vrste energije naše oči ne vidijo, vendar obstajajo fotoaparati, ki jih lahko vidijo. Različne oblike svetlobe, tako vidne kot nevidne, sestavljajo elektromagnetni spekter.

Ko se svetloba lomi v dežnih kapljicah, nastane mavrica. Dežna kaplja deluje kot prizma in lomi svetlobo, dokler ne vidimo barv spektra.

Barva

Svetloba in barva sta obliki analognih informacij. Elektronski fotoaparati in računalniški zasloni pa delujejo z digitalnimi informacijami. Elektronski fotoaparati ali optični bralniki dokumentov ustvarijo digitalno različico barvne slike tako, da polno barvno sliko ločijo na ločene rdeče, zelene in modre slike. Kasneje digitalni zaslon uporablja piksle samo teh treh barv. Računalniški zasloni uporabljajo samo te tri barve v različnih stopnjah svetlosti. Možgani jih združijo, da vidijo vse druge barve na sliki.

Ljudje menijo, da imajo predmeti barvo. To je zato, ker molekule, ki sestavljajo predmet, absorbirajo določene svetlobne valove, drugi svetlobni valovi pa se od njih odbijajo. Človeško oko vidi valovne dolžine vseh svetlobnih valov, ki niso bili absorbirani, in kombinacija teh valovnih dolžin v možganih ustvari vtis barve.

Laserski žarki


Mavrica v Budimpešti prikazuje barve vidnega spektra.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je svetloba?

V: Kako se imenuje preučevanje svetlobe?

V: Kako svetloba deluje na neprosojne predmete?

V: Kako svetloba deluje na prozorne predmete?

V: Katere barve so v mavrici od zunanjega roba do notranjega roba?

V: Kako se imenujejo valovne dolžine pod frekvenco rdeče barve?

V: Kaj je glavni vir svetlobe na Zemlji?

Išči po črki