Светлината е електромагнитно излъчване с дължина на вълната във видимия за човешкото око диапазон на електромагнитния спектър, приблизително от 400 до 750 nm. CIE (1987). International Lighting Vocabulary . Number 17.4. CIE, 4th edition. ISBN 978-3-900734-07-7. Според този речник дефиницията за светлина е: „Всяко излъчване, което предизвиква директно визуално усещане“ Понякога към понятието светлина се включват и инфрачервените и ултравиолетовите лъчи.
Основни характеристики на светлината от гледна точка на възприемане от човешкото око са: яркост (свързана с интензитета), цвят (свързан с дължината на вълната или честотата) и поляризация (при нормални обстоятелства човешкото око не може да я регистрира).
Според съвременната физика светлината има корпускулярно-вълнов характер, тоест едновременно се проявява като поток от частици (фотони), които могат например да избиват електрони (фотоелектричен ефект), а в друг случай се държат като вълна – наблюдават се явленията дифракция и интерференция. Според квантовата механика фотоните нямат маса, което следва непосредствено от теорията на относителността.
Източници на светлина
Естествени източници Съществуват много и различни видове източници на светлина, но условно могат да се разделят на два вида – естествени и изкуствени. Към естествените спадат звездите, галактиките, светкавиците и други. Звездите са небесни тела, представляващи голямо кълбо газ, произвеждащо енергия чрез термоядрен синтез, предимно превръщането на водород в хелий. Тази енергия се разпространява в пространството под формата на електромагнитно излъчване. Галактиките са системи от звезди, междузвезден прах, тъмна материя и плазма. Светкавицата е електрически искров газов разряд, съдържащ огромна енергия, която се освобождава под формата на силно лъчение. Друг естествен източник на светлина е полярното сияние. То се наблюдава вследствие на взаимодействието на заредени частици от слънчевия вятър с магнитосферата и образува поразително красиви разноцветни светлини в небето.
Повечето от тези източници са топлинни (или термични) – с увеличаване на температурата започват да излъчват в различен диапазон. Така например повърхността на Слънцето при 6000 K излъчва във видимата част на електромагнитния спектър. Пламъците на обикновен огън или пожар са също термичен източник на светлина. С увеличаване на температурата максимумът на излъчването се премества към по-късите дължини на вълните, от инфрачервената към видимата част, като излъчването най-напред е червено, след това преминава през жълто-бяло и най-накрая синьо.
Съществуват и биологични естествени източници на светлина в природата – животни и растения, които излъчват светлина. Това явление се нарича биолуминесценция и е характерно например за светулките, планктона, някои видове гъби и някои морски животни. Определени химични вещества също излъчват естествена светлина. Това явление се нарича хемилуминесценция.
Слънцето свети със своя собствена светлина, докато Луната свети с отразена светлина.
Изкуствени източници Най-ранните изкуствени източници на светлина са свещите и факлите. Свещта представлява фитил от текстилен материал, поставен в средата на втвърдено гориво, което се разтапя при горенето. В днешно време за гориво се използва предимно парафин, но по-висококачествени свещи се произвеждат от стеарин или пчелен восък. Факлата представлява източник на светлина с дълга дървена дръжка и омотан плат в единия край, предварително потопен в някакво течно запалително вещество. Факлите са използвани още от дълбока древност, днешната им употреба е ограничена, но като традиция олимпийският огън се пренася с факли. Исторически следват маслените, керосиновите и газовите лампи и фенери.
С откритието на електричеството са създадени най-разнообразни източници на светлина и най-вече електрическата лампа. В лампата с нажежаема жичка се използва ефектът на нагряване на проводник с високо съпротивление (най-често сплав на волфрама) при протичане през него на електрически ток. За получаване на видимо излъчване на светлина е необходимо температурата да се повиши до няколко хиляди градуса. Само малка част от излъчваната светлина е във видимия за човешкото око спектър, а основен дял се пада на инфрачервените лъчи. Голяма част от потребената енергия се „хаби“ в процесите на топлоотдаване и топлопроводимост. За увеличаване на така наречената „бяла“ светлина е необходимо да се увеличи и температурата на нагряване на проводника, поради което се използват метали с висока точка на топене – най-често волфрам (3410 °С) и по-рядко осмий (3045 °С).
Луминесцентните осветителни тела или луминесцентни лампи са тип газоразрядни лампи, които се състоят от стъклен балон, запълнен с разреден газ (неон, аргон и други) и покрит от вътрешната страна с луминофор. При подаване на напрежение между анода и катода на лампата протича газов разряд, който е съпроводен с ултравиолетово излъчване, водещо до флуоресценция на луминофора.
Друг източник на светлина, широко използван в електрониката и в бита, е светодиодът – полупроводников диод, който се състои от области с положителни и отрицателни токоносители и p-n преход и излъчва некохерентна светлина в тесен спектър, когато през него протича електрически ток. Светодиодът съдържа един или няколко излъчващи светлина кристали, разположени в един корпус с леща, която създава светлинен поток.
Най-мощните и най-ярки източници на светлина днес са лазерите. Те са източници на монохроматична, кохерентна, насочена светлина. Лазерът изпуска тънък, добре насочен, кохерентен сноп с постоянна дължина на вълната (еднакъв цвят), постоянна фаза и голяма яркост, за разлика от некохерентните източници като електрическите крушки, които излъчват вълни в почти целия електромагнитен спектър и във всички посоки.
Свойства и характеристики Скорост на светлината
Скоростта на светлината във вакуум е теоретично най-голямата възможна скорост в природата, приблизително равна на 300 000 km/s (299 792 458 m/s). Тази точна скорост е дефиниция, а не измерване, и е абсолютна и независеща от движението на източника или наблюдателя. Днес метърът е дефиниран чрез скоростта на светлината, която е постоянна величина. Фазовата скорост на светлината зависи от показателя на пречупване в съответната среда, а следователно и от дължината на вълната, от което следва, че скоростта на светлината в среда, различна от вакуум, е по-ниска от тази във вакуум.
Частицата, носител на светлината, е фотонът, чиято маса в покой е равна на нула, което означава, че винаги се движи със скоростта на светлината.
Правени са различни опити за измерване на скоростта на светлината. Галилео Галилей прави опит за измерване на скоростта на светлината през XVII век. Друг експеримент е проведен от Оле Рьомер през 1676 г. С помощта на телескоп той наблюдава движението на Юпитер и неговия спътник Йо. Забелязвайки различия в периода на Йо, той изчислява, че на светлината отнема 22 минути да премине през диаметъра на земната орбита. Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light. Statistical Science 2000, Vol. 15, No. 3, 254 – 278 Размерът на този диаметър не е известен по това време. Ако го е знаел, изчислената скорост на светлината би била 227 000 km/s. По-точно измерване е направено през 1849 г. от Иполит Физо. Той насочва лъч светлина към огледало, отдалечено на няколко километра. Въртящо се зъбно колело е поставено на пътя на светлината. Физо забелязва, че при определена скорост светлината преминава през една от пролуките на зъбното колело в едната посока и през следващата пролука при пътя си в обратната посока. Знаейки разстоянието до огледалото и скоростта на въртене, Иполит Физо изчислява скоростта на светлината – 313 000 km/s.
Леон Фуко с помощта на въртящи се огледала получава стойност 298 000 km/s през 1862 г. Албърт Майкелсън провежда експерименти за определяне на скоростта на светлината от 1877 година до смъртта си през 1931 г. Той усъвършенства методите на Фуко през 1926 г. и получава 299 796 km/s.
Електромагнитен спектър (цветове)
+ Таблица за различните цветове във видимата част на спектъра Цвят Дължина на вълната Честота Енергия на един фотон Виолетов 380 – 420 nm 789,5 – 714,5 THz 3,26 – 2,955 eV Син 420 – 490 nm 714,5 – 612,5 THz <2,95 – 2,535 eV Зелен 490 – 575 nm 612,5 – 522,5 THz 2,53 – 2,165 eV Жълт 575 – 585 nm 522,5 – 513,5 THz 2,16 – 2,125 eV Оранжев 585 – 650 nm 513,5 – 462,5 THz 2,12 – 1,915 eV Червен 650 – 750 nm 462,5 – 400,5 THz 1,91 – 1,655 eV Видимият спектър е част от електромагнитния спектър. Той няма ясно изразени и очертани граници – приема се, че човешкото око е чувствително към дължини на вълната от 400 до 750 nm, но някои хора са способни да възприемат малко по-широк диапазон – от 380 до 780 nm. Пресметнато в честота, това отговаря на интервала от 400 до 750 THz. Привикналото към светлината око обикновено е най-чувствително на вълни с дължина около 555 nm, т.е. в зелената област на видимия спектър.
Познатите ни в ежедневието цветове на дъгата включват всички цветове, дължащи се на видимата светлина. Тези цветове се наричат чисти спектрални или монохроматични. Всеки цвят покрива участък от видимия спектър, т.е. ивица или диапазон от дължини на вълните, които предизвикват еднакво усещане за цвят. За всеки такъв диапазон включените в него дължини на вълните се наричат метамери на съответния цвят. Най-често видимият спектър се разделя на шест основни цвята – червен, оранжев, жълт, зелен, син и виолетов цвят. Белият цвят се получава от смесването на всички спектрални цветове, а черният цвят говори за отсъствие на светлина.
Пречупване и отражение
Отражението и пречупването на светлината са две явления, характерни за всички видове вълни. При отражението светлината се връща, отразява от дадена повърхност обратно в същата среда. Ако повърхността е гладка, явлението се нарича огледално отражение като типичен пример за това е отражението от огледало. При неравна повърхност, лъчите светлина се разпръскват в много различни посоки и това се нарича дифузно отражение. При него не се получава ясен образ.
При пречупването на границата на две среди светлината изменя посоката на разпространението си при преминаване във втората среда. Тъй като при преминаването през границата въздух-стъкло се наблюдава пречупване на светлината, ефектът е бил използван за създаване на оптичните лещи и лежи в основата на действие на всички оптични уреди. Той обяснява и редица светлинни явления като небесната дъга, миражите или разлагането на бялата светлина на цветове при преминаването ѝ през призма. Пречупването на светлината се описва от закона на Снелиус:
където е показател на пречупване на първата среда; е ъгъл на падане; е показател на пречупване на втората среда; е ъгъл на пречупване.
Когато светлината преминава от оптично по-плътна към оптично по-рядка среда (например от стъкло към въздух, от вода към въздух и т.н.) част от нея се отразява, а друга част преминава през по-плътната среда, като се пречупва. Каква част ще се отрази и каква ще се пречупи зависи от ъгъла на падане на светлинните (или слънчевите) лъчи спрямо разделителната повърхност. При определен ъгъл, наречен критичен, когато се отразява цялата светлина, без да се пречупва, се получава пълно вътрешно отражение. Критичният ъгъл се определя с формулата:
където n1 и n2 са индексите на пречупване за двете среди като n2 е на оптично по-рядката.
Пречупването, отражението и пълното вътрешно отражение намират широко приложение при изработката на оптични уреди като телескопи, камери, фотоапарати. Така например ефектът на пълното вътрешно отражение е използван в оптичните влакна за пренасяне на информация с минимални загуби.
Поляризация