A fény

A minket körülvevő világról szerzett információink túlnyomó többsége fénysugarak formájában jutnak el hozzánk. Ez a látás. Hogy mivel nézünk, mivel és hogyan látunk, azt egy kicsit később fogom tárgyalni.

A fény elektromágneses sugárzás, amely a szemünkbe jutva látásérzetet kelt. Az elektromágneses spektrumnak – amely a gamma-sugárzástól a rádióhullámokig terjed – csak egy elhanyagolhatóan kis része az, amit szemünk érzékelni képes; ez a 400 nm-től a 780 nm-ig terjedő tartomány. 

(1-1. ábra)

A fényt (pontosabban elektromágneses sugárzást) atomok vagy molekulák bocsátják ki olyankor, amikor egy magasabb energiaszintről alacsonyabb energiaszintre kerülnek. Ekkor az atom v. molekula gerjesztési szintje közötti energiakülönbség egy energiakvantum, azaz foton formájában kisugárzódik. Az energia kibocsátás (fénysugárzás) nem lehet folytonos, hanem kizárólag meghatározott kvantumokban történhet.

A foton a megfigyelés módjától függően hol részecske, hol pedig hullám tulajdonsággal rendelkezik. A valóságban mindkettő egyszerre létezik. A fénynek ezt a „kettősnek” nevezett természetét érzékszerveink útján szerzett szemléletünkkel nem tudjuk felfogni.  

Egy foton energiája egyenesen arányos a fényhullám frekvenciájával:  E = ħ × n

ahol ħ az úgynevezett Planck-féle hatáskvantum (értéke: 6,626 × 10^-34 Js) és n pedig a sugárzás frekvenciája. A fénysugár frekvenciája és hullámhossza (l) között a következő összefüggés áll fenn: n = c/l

Az elektromágneses hullám azt jelenti, hogy a fénysugár haladási irányára merőlegesen elektromos (E) és mágneses (M) erőterek oszcillálnak. 

(1-2. ábra)

A fénynek nincs nyugalmi tömege. Terjedési sebessége légüres térben (vákuumban) c = 299 977 km/s, kerekítve 300 000 km/s.

 Anyagi közegben a fény ennél kisebb sebességgel terjed, mégpedig a vákuumban mért fénysebesség és a közeg törésmutatója (n) hányadosának megfelelő értékkel: v = c/n.

Itt rögtön megragadom az alkalmat, hogy rávilágítsak egy tévhitre, vagy hibás elgondolásra. Szokták ugyanis mondani, hogy egy igen nagy tömegű és sűrűségű objektumról, azaz egy fekete lyukról még a fénysugár sem tud „elszabadulni”, mert „visszapottyan” a felszínére. Ez a magyarázat nagyon messze áll a valóságtól. Mi az, hogy nem tud elszabadulni? Tudjuk, hogy a fénysugár sebessége mindig állandó és többnyire egyenes vonalban terjed. Miről is van hát szó? Arról, hogy amikor a fekete lyukból egy foton ki akar jutni, le kell győznie a roppant erős gravitációs teret. Ezzel energiát veszít. Igen ám, de miből is áll a foton energiája? A frekvenciájának és a Planck-féle állandónak a szorzatából. Mivel a Planck állandó, az ugye állandó, csak a frekvenciája csökkenhet, ha csökken az energiája. Magyarán a hullámhossza szinte a végtelenségig megnyúlik, azaz „láthatatlanná” válik.

De térjünk vissza a fényhez! Három dologgal lehet jellemezni: az erősségével (intenzitásával), a hullámhosszával (színével) és a polarizációjával.

A fényerősség (I) egysége a candela (cd). Ez a platina dermedéspontján, 2046 K fokon lévő fekete test 1 cm2-nyi felületéről merőlegesen kisugárzott fényerősségnek az 1/60-ad része. Ez kb. megegyezik egy normál Hefner-gyertya fényével. (Mi az, hogy fekete test? Ha fekete test, akkor hogy sugározhat fényt?) Újabb kis kitérő következik:

Természetesen itt nem „fekete” testről van szó. A Stefan-Boltzmann törvény szerint az abszolút fekete test teljes (vagyis az összes hullámhosszra összegzett) sugárzása (sugárzásának energiája, ezzel a teljesítménye) arányos a test abszolút (Kelvinben mért) hőmérsékletének negyedik hatványával és a test felszínével. Egy fekete test sugárzásának hullámhossza (színe) és hőmérséklete közötti összefüggést a Wien-törvény fejezi ki. Ennek egy egyszerű formája a következő:  l × T = 2 897 768,5 nm×K,   ahol l a maximális intenzitású sugárzás hullámhossza, T az abszolút hőmérséklet. 

(1-3. ábra) Az ábrán is látható, hogy Napunk kb. 6000 K fokos fotoszférája a sárga színtartományban sugároz a legerősebben.

Másik fontos fogalom a fényáram (lumen). 1 lumen fényáramot sugároz ki egy 1 candela erősségű pontszerű fényforrás az 1 méter sugarú gömb felületének 1 négyzetméterére, vagyis 1 steradián fényszögbe.

 (1-4. ábra)

A megvilágítás egysége a lux. 1 lux a megvilágítása az 1 négyzetméter felületnek, ha arra 1 lumen fényáram esik.

Az emberi szem nem egyformán érzékeny a különböző frekvenciájú (színű), de azonos intenzitású fényre.

Az elektromos és mágneses térerősség vektorok általában a fénysugár haladási irányára merőlegesen, minden irányban rezednek. Ezeknek bizonyos szabályosság szerinti rendeződése a polarizáció. A fényvisszaverődés, vagy fénytörés a rezgési irányokat (a polarizációt) befolyásolhatja. Ha csak egyetlen síkban rezgő komponensek maradnak meg, azt mondjuk, hogy a fény lineárisan polarizált. Egyes állatok, főleg rovarok képesek érzékelni a fény polarizáltságát, az emberi szem azonban nem.

FOLYTATÁSA KÖVETKEZIK!