Fény

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Szivárványhíd és fényjáték a Väimela Alajärv tó felett Észtországban
Vasútállomás ablakán beszűrődő fény
Isaac Newtonnak a fény tulajdonságairól és viselkedéséről szóló művének címlapja (1704)

A fény emberi szemmel érzékelhető elektromágneses sugárzás.

Tágabb értelemben beleérthető az ennél nagyobb (infravörös), és kisebb hullámhosszú (ultraibolya) sugárzás is, ekkor azonban hozzátesszük a megfelelő jelzőt: infravörös fény, ultraibolya fény.

A fény tulajdonságait meghatározó három fő szempont:

  • intenzitás vagy amplitúdó, amelyet az ember fényerőként, fényességként érzékel[1],
  • frekvencia (és ezzel összefüggésben a hullámhossz), amelyet az ember színként érzékel, és
  • polarizáció, azaz az elektromágneses rezgés iránya, ezt az átlagember normál körülmények között nem érzékeli, de például bizonyos rovarok igen

A hullám-részecske kettősség alapján a fény hullám- és részecsketulajdonságokkal is jellemezhető. A részecskéket a kvantummechanika a fény kvantumainak, fotonoknak nevezi. A fotonok olyan részecskék, amelyek nyugalmi tömege zérus, üres térben pedig fénysebességgel mozognak.

Tudományos kutatásának kezdetei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Newton színköre az Opticks című művéből (1704). Az ábra színeket és az arányosan nekik megfelelő hangokat tünteti fel. A látható fény a vöröstől a lila felé fel lett osztva a zenei skála hangjaival, a D-vel kezdve. A kör egy teljes oktávot ábrázol D-től D-ig
Goethe által rajzolt színkör (1809)

Az ókori India Szamba Purana nevű védikus szövegeinek himnuszaiban már található utalás arra, hogy a fény hét alapszínre bontható. A Napot ragyogó harci szekérként írják le, amit hét fehér ló húz, amik fényesek és a hibiszkusz virágához hasonlítanak.[2] A szövegek a Śruti-hagyományokhoz tartoznak, szájhagyomány útján terjedtek, ezért keletkezési idejük pontosan nem meghatározható. Leírva i.e. 1500 körül jelentek meg.

Az i. e. 3. századra a görögök arra a következtetésre jutottak, hogy a fény valamiképpen világító testekbõl, például a Napból meg az izzó szénbõl sugárzódik ki. De hogy miképpen alakulnak ki a fénysugarak, és hogyan jutnak a térben egyik helyrõl a másikra, az évszázadokon át megfejthetetlen rejtély maradt.

A 13. században Roger Bacon leírta, hogy egy pohár víz színekre bontja a rajta áthaladó fényt.[3]

A 17. században Isaac Newton írta le a látható spektrumot, magát a „spektrum” szót ő alkalmazta először 1671-ben, amikor optikai kísérleteit leírta. A latin „spektrum” szó jelentése: „megjelenés”. Newton azt feltételezte, hogy a fény különböző színű részecskékből áll, amik az egyes anyagokban (pl. vízben vagy üvegen keresztül) eltérő sebességgel mozognak, így különválnak egymástól. A hét alapszínt is Newton vezette be a tudományos köztudatba, abból a megfontolásból, hogy az ókori görög szofisták szerint harmónia áll fenn a színek száma (7), a hangok (egy oktávban 7), a Naprendszerben a bolygók száma (akkoriban 7) és a hét napjai (7) között.[4][5]

A 18. században Goethe írt könyvet A színek elmélete címmel. Goethe vitatta, hogy a folytonosnak látszó spektrum részekre lenne bontható.

A 19. század elején megjelent a látható fény fogalma, amikor felfedezték, hogy a fény spektrumának létezik nem látható, de érzékelhető folytatása a hullámhosszakban „fölfelé” és „lefelé” is (William Herschel (infravörös) és Johann Wilhelm Ritter (ultraibolya)).[6]

Thomas Young volt az első, aki megmérte a különböző színek hullámhosszait, 1802-ben.[7] A kapcsolatot a látható spektrum és a színérzékelés között Thomas Young és Hermann Ludwig von Helmholtz írták le a 19. század elején. A színlátásra vonatkozó elméletük (Young–Helmholtz elmélet) helyesen írja le a kapcsolatot a szemben megtalálható háromféle érzékelő és a színlátás között.

Az 1860-as években James Clerk Maxwell skót kutató feltételezte, hogy az elektromágneses energia hullámként terjed, és hogy a fény voltaképpen ennek az energiának egyik fajtája.

A fény meghatározása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Nemzetközi Világítástechnikai Szótár a következőket írja a fényről[8]:

észlelt fény: jellemző tulajdonsága minden olyan érzékletnek és észleletnek, amely a látás szerve által jönnek létre 845-2-17
látható sugárzás: Minden olyan optikai sugárzás, amely közvetlenül látási érzékletet kelt 845-1-03

Az optikai sugárzásoknak csak egy kis része esik az ember által észlelhető tartományba. A meghatározás nem foglalkozik más élőlények látás-érzékelésével; azzal például, hogy a rovarok által vizuálisan észlelhető fény hullámhossz-tartománya már 370 nm-nél kezdődik.

Látható fény, a színek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fényspektrum színei
Szín Hullámhossz Frekvencia
Energia fotononként
Ibolya 380 – 420 nm 789 – 714 THz
3,26 – 2,95 eV
Kék 420 – 490 nm 714 – 612 THz
2,95 – 2,53 eV
Zöld 490 – 575 nm 612 – 522 THz
2,53 – 2,16 eV
Sárga 575 – 585 nm 522 – 513 THz
2,16 – 2,12 eV
Narancs 585 – 650 nm 513 – 462 THz
2,12 – 1,91 eV
Vörös 650 – 750 nm 462 – 400 THz
1,91 – 1,65 eV
Színek Hullámhossz vákuumban (nm) Frekvencia (Hz)
Infravörös 700 4,3 \cdot 10^{14}
Vörös 620 4,8 \cdot 10^{14}
Narancs 610 4,9 \cdot 10^{14}
Sárga 590 5,1 \cdot 10^{14}
Zöld 510 5,9 \cdot 10^{14}
Kék 430 6,9 \cdot 10^{14}
Ibolya 400 7,5 \cdot 10^{14}
Ultraibolya 300 5 \cdot 10^{15}

A fény színe olyan fiziológiai érzet, amelyet a látható optikai sugárzás kelt, méghozzá a hullámhosszától függő minőségben.

A fény az elektromágneses spektrum része, melynek frekvenciája 7,5·1014 hertz (rövidítve 'Hz') és 3,8×1014 Hz közé esik. A sebesség (c), a frekvencia (f vagy \nu) és a hullámhossz (\lambda) között a következő kapcsolat áll fenn:

 c = f \cdot \lambda

Mivel a fény sebessége vákuumban állandó, a látható fényt a hullámhosszával is jellemezhetjük. Kb. 400 nanométer (rövidítve 'nm') és 800 nm közé esik a látható fény hullámhossza.

A fény az emberi szem retinájának érzékelőit, az úgynevezett csapokat és pálcikákat ingerli, mely ingerek elektromos impulzusokként terjednek az idegekben, a látóidegen végighaladva az agyban keltenek világosságérzetet.

Hogy az elektromágneses hullámok spektrumának éppen ezt a kis részét látjuk, valószínűleg a légkör sugárzáselnyelése miatt van így. Az elektromágneses hullámok jelentős részét ugyanis a légkör elnyeli, így azok nem érik el a Föld felszínét. Két „ablak” azonban nyílik a világűrre. Az egyik a rádióhullámok tartománya, a másik pedig a látható fényé. A látható fény tartományának sugarai – azaz ami végül az evolúció során láthatóvá lett – igen kis tárgyak felületéről is egyszerű szabályokat követve verődnek vissza és ráadásul az anyagtól függően általában igen jellegzetes visszaverődési színképet produkálnak, így az ezt érzékelni képes élőlények jól hasznosítható képet kapnak a környezetükről.

A fény sebessége[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Történelmi jelentőségű fénysebességmérés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A fény sebességét többek között Ole Rømer, Hippolyte Fizeau, Albert A. Michelson fizikusok próbálták megmérni, különféle módszerekkel. Rømer 1676-ban a Jupiter-holdak fogyatkozását figyelte meg együttállásnál, majd fél évvel később. A fél évvel későbbi időpontban a fogyatkozások mintegy negyed órával később következtek be a holdak pályamozgása alapján számított időpontnál. Ennek alapján Rømer könnyen ki tudta számítani a fény sebességét, mert a Föld pályájának átmérője akkor már ismert volt, 300 millió kilométer. Ennyivel nagyobb utat kellett megtennie a fénynek, amiből a 300 000 000 km/1000 s = 300 000 km/s adódott.

A modern fénysebességmérés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Bay Zoltán javaslata alapján a méter definícióját a fénysebességre és az időegységre vetítik vissza, így a fénysebesség értéke a méterdefiníció szerint pontosan 299 792,458 km/s [9]. Egyszerűbb számításokban gyakran a felkerekített 300 000 km/s értéket használjuk.

Vákuumban a fény terjedési sebessége meghatározható a következő összefüggés alapján:[10]

c_{0} = \frac{1}{\sqrt{\epsilon _{0} \mu _{0}}}

ahol:

c0 : a fény sebessége
ε0 : a vákuum permittivitása (vákuum dielektromos állandó)
μ0 : a vákuum mágneses permeabilitása

A fény sebessége vákuumban állandó, jelenlegi tudásunk szerint semmilyen hatás nem képes ennél gyorsabban terjedni.

A fény mint hullám[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A hullámoptika körében azokat a fényjelenséget vizsgáljuk, amelyek csak a fény hullámtermészetével értelmezhetőek. Ennek megfelelően a fényt hullámnak, általában periodikus hullámnak fogjuk fel, melyben egy vagy több fizikai mennyiség időben és térben periodikusan változik. A hullámoptikába tartozó jelenségek nagy részének magyarázatához alkalmazhatók az általános hullámtan fogalmai, törvényszerűségei. A legegyszerűbb fényhullám, azaz egy homogén, izotróp és állandó közegben az x irányban haladó monokromatikus síkhullám a következő egyenlettel írható le:

\Psi=A \sin\left[\omega\left(t-\frac{x}{c}\right)+\alpha\right], ahol A a hullám amplitúdója, \omega a körfrekvencia, t az idő, x a hely, \alpha a fázisállandó, c pedig a terjedési sebesség.

A fény intenzitása: I=\Psi \Psi^*

A fény polarizációja[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Polarizációról akkor beszélhetünk, ha a fényhullámok csak egy meghatározott síkban rezegnek. A természetes, nem pontszerű fényforrásból kiinduló fényhullámok minden irányban rezegnek. A fény polarizációjával kapcsolatos első leírás Erasmus Bartholinus dán professzor nevéhez fűződik, aki egy átlátszó kristályon keresztülnézve meglepve tapasztalta, hogy a tárgyaknak kettős képe látszik. Ennek magyarázata, hogy a kristályba belépő fény két külön nyalábra bomlik, amelyek közül az egyik – az úgynevezett ordinárius sugár –, mely követi a törés törvényét, a másik, a rendellenes, vagy extraordinárius sugár azonban nem.[11]

A jelenséget szintén vizsgáló Christiaan Huygens azt a magyarázatot adta, hogy a kristály belső szerkezete miatt adott irányban megváltozik a fény terjedési sebessége, ami miatt a rendes sugár hullámfrontjából a Huygens-elvnek megfelelően körhullámok indulnak ki, míg a rendellenes sugár esetén ezek a hullámok ellipszis alakot vesznek fel.

Polarizált fény előállítható megfelelő szögben csiszolt mészpátkristállyal, amelyet kettévágnak, majd a vágási felületeknél kanadabalzsammal összeragasztanak (Nicol-prizma). A prizmára eső természetes fény a törőfelületen kettősen megtörik. A rendes sugár a kanadabalzsamon teljes visszaverődést szenved és oldalra eltérül, míg a rendellenes sugár, amely már polarizált, kilép a kristályból.[12]

A fény mint részecske[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az 1660-as években Isaac Newton és mások úgy gondolták, hogy a fény gyorsan mozgó részecskékbõl, "korpuszkulákból", azaz testecskékbõl áll.

A 20. század kezdetén Max Planck német kutató kiderítette, hogy a sugárzási energia nem létezhet más formában, csak kis, kvantumoknak nevezett energiacsomagokban. Ez volt az alapja a Planck-féle, 1918-ban Nobel-díjjal jutalmazott kvantumelméletnek. A fénysugárzás kvantumát fotonnak nevezik. Amikor a fény kibocsátódik vagy elnyelõdik, mindig fotonáramként viselkedik.

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Az emberi látás által érzékelt fény nagyságát a láthatósági függvény fejezi ki
  2. Vedanta spritual library  Védikus elképzelés a fényről
  3. Coffey, Peter. The Science of Logic: An Inquiry Into the Principles of Accurate Thought. Longmans (1912) 
  4. Hutchison, Niels: Music For Measure: On the 300th Anniversary of Newton's Opticks'. Colour Music, 2004. (Hozzáférés: 2006. augusztus 11.)
  5. Newton, Isaac. Opticks (1704) 
  6. Mary Jo Nye (editor). The Cambridge History of Science: The Modern Physical and Mathematical Sciences. Cambridge University Press (2003). ISBN 9780521571999 
  7. John C. D. Brand. Lines of light: the sources of dispersive spectroscopy, 1800-1930. CRC Press (1995). ISBN 9782884491631 
  8. [1] A fény fogalma
  9. A fénysebesség hivatalos értéke
  10. sulinet
  11. Härtlein Károly: A sarkított fénytől a polaroid szemüvegig, Fizikai Szemle 2006/3 [2]
  12. A fény polarizációja
Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Fény témájú médiaállományokat.

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]