Füüsika: Valgus (0)

Valgus- mis see on? Me kõik oleme harjunud igapäevaselt valgusega kokku puutuma , kuid mis see valgus siiski on ja millised on valguse osad, teavad vähesed. Enamasti ei pöörata sellele ka tähelepanu. Allikad väidavad, et valgus on elektromagnetkiirgus , mille lainepikkus on vahemikus 380...760 nanomeetrit. Valguskiirgus tekitab inimese silmas valgusaistingu ning erineva lainepikkusega valguskiirgust tajub inimene erineva värvusena. Kui tihti me sellele ning ka muule valgusega seotud aspektidele mõtleme? Arvan, et mitte eriti tihti. On teada, et põhilise valguse saame me Päikeselt. Lisaks sellele on meil päikesevalguse puudumisel (näiteks öösiti või pilves ilmaga) erinevaid võimalusi valguse tekitamiseks - elektrilambid, küünlad, aga ka puit, gaas või õli.
Valguslainet iseloomustavad mitmesugused omadused ja suurused. Valguslaine koosneb elektriväljast ja magnetväljast. Mõlemad väljad muutuvad ajas perioodiliselt ja paiknevad teineteise suhtes risti, mis omakorda tähendab, et valguslaine on ristlaine. Lainepikkus näitab kaugust valguslaine kahe samas võnkefaasis oleva punkti, näiteks naabermaksimumi vahel. Nagu juba eelnevalt mainitud, nimetatakse valguseks elektromagnetlaineid, mille lainepikkus vaakumis on vahemikus 380…760 nm. Lühemaid ja pikemaid laineid inimsilm ei näe. Laineperiood, mille tähiseks on T, näitab aega, mis kulub E-vektoril ühe täisvõnke tegemiseks. Ühe perioodi kestel läbib laine teepikkuse, mis on võrdne lainepikkusega. Lainepikkusest ning laineperioodist vähemtähtsamad pole ka laine sagedus ja faas. Laine sagedus f näitab, mitu täisvõnget teeb laine ühes ajaühikus ning faas määrab muutuva suuruse väärtuse antud ajahetkel. Valguslaine faasiks on siinusfunktsiooni argument.
Meie silmale nähtav valgus on elektromagnetlaine. Elektromagnetlained on näiteks gammakiirgus , röntgenkiirgus, ultraviolettkiirgus , infrapunakiirgus, mikrolained ja raadiolained. On kindlaks tehtud, et erineva lainepikkusega valguslained põhjustavad erinevaid värvusaistinguid. Näiteks kui inimese silma sattuva valguse lainepikkus on 650nm, tekib punase värvuse aisting. Silmale nähtavad elektromagnetlaineid on elektromagnetlainete skaalal väga kitsas riba, kuid sellest on enam kui küll, et täita maailm meie silmade jaoks valguse ja värvidega.
Kui valguskiir langeb kahe erineva läbipaistva keskkonna lahutuspinnale, siis valgus murdub ehk muudab oma levimissuunda. Valguslaine murdub tingimusel, et keskkonnad on erineva murdumisnäitajaga (ehk optilise tihedusega) ja valgus saab minna esimesest keskkonnast teise. Valgus murdub, kuna valguse levimiskiirus muutub. Lisaks valguse murdumisele on olemas veel mitmesuguseid valgusega seotud nähtuseid, nagu näiteks valguse dispersioon, difraktsioon , interferents ja polarisatsioon . Nende keeruliste nimede taga peitub aga hoopis lihtsamad seletused . Valguse dispersiooniks nimetatakse valguse murdumisnäitaja sõltuvust sagedusest. Dispersiooni tuntuim näide on päikeselise ilma ja vihma koosmõjul tekkiv vikerkaar, kus vihmapiisad jagavad valge valguse erineva pikkusega valguslaineteks. Difraktsioon on aga füüsikaline nähtus, mille korral laine paindub ümber väikeste takistuste või levib väikesest avast välja. Difraktsioon esineb kõiki tüüpi lainete puhul, k.a helilainete, vee lainete, elektromagnetlainete, nagu näiteks nähtava valguse ja raadiolainete korral. Difraktsiooninähtuseid on tihti näha ka igapäevaelus. Üks difraktsiooni hästi iseloomustav näide on seotud valgusega; nagu näiteks CD või DVD tihedalt pakitud rajad käituvad kui difraktsioonivõre, mis moodustab tuttava vikerkaaremustri. Seda teadmist kasutades saab välja töötada võre, mille struktuur vastab oodatule; nagu näiteks krediitkaartidel asuvad hologrammid. Samuti füüsikaline nähtus on valguse interferents, kus kahe (või mitme) ühesuguse lainepikkuse ja konstantse faasinihkega laine liitumisel tekib uus lainemuster. Laine amplituudid vastavas ruumipunkits sõltuvad interfereeruvate lainete amplituudist ja faasinihkest. Vastasfaasis lained "nõrgendavad" üksteist, aga samas faasis lained " tugevdavad " teineteist. Interfereeruvaid laineid võib olla minimaalselt kaks, enamasti on tegu paljude lainetega. Viimane, kuid samuti tähtis nähtus on valguse polarisatsioon, mis on lainete võnkesuunda kirjeldav omadus. Lained, millel on eelistatud võnkumissuund, on polariseeritud lained. Polarisatsioon esineb ainult ristlainetel (lainetel, mille levimis - ja võnkumissuunad on erinevad). Polariseeritavad on näiteks elektromagnetlained, kuid mitte helilained , kuna need on pikilained.
Füüsikaharu, mis käsitleb valgust kui footonite voogu, nimetatakse kvantoptikaks. See füüsika haru hakkas tekkima, kui saksa füüsik H. Herz 1887.a. uuris raadiolainete tekitamist elektrisädeme abil. Ta pani tähele et elektrisäde tekkis paremini kui elektroode valgustati. Asja edasisel uurimisel tehti kindlaks, et valgus vabastab metallist elektrone. Footonitel on kindel energia E=hf, mis on määratud talle vastava laine sagedusega. Footonite energia on imeväike, kuid sellest piisab , et tekitada meie silmas valgusaisting . Footonil, nagu ka igal teasel osakesel on ka mass, kuid tal puudub seisumass, mis tähendab,et footon ei saa eksisteerida paigalolekus. Footonitel on suur roll fotoefekti juures. Fotoefektiks nimetatakse elektronide “väljalöömist” ainest valguse toimel. Kui rääkida valgusest kui footonite voost, tuleks kindlasti ära mainida ka valguse rõhk, mis on võrdeline valguse intensiivsusega. See tähendab, et mida rohkem footoneid ajaühikus pinnale langeb, seda suurem on valguse rõhk. Suur hulk keemilisi reaktsioone toimub vaid valguskvantide osavõtul. Sellisid reaktsioone nimetatakse fotokeemilisteks. Fotokeemiline reaktsioon on keemiline reaktsioon, mis tekib valguse neeldumise tõttu. Seejuures annab valguskvant molekulile piisavalt energiat, et see muutuks reageerimisvõimeliseks. Vahel aga laguneb mõni aine valguenergia toimel. Fotokeemiliste reaktsioonide tulemusena tekib osoon , kuid ka väga kahjulik fotokeemiline sudu . Taimedes nimetakse seda reaktsiooni fotosünteesiks ning on seega üks eluslooduse alusprotsesse.
Valguse olemuse teadlik käsitlus sai alguse 17. sajandil, mil mõisteti, et valgus peab olema seotud mingi liikumisega, sest kuidas muidu jõuaks valgus Päikeselt Maale. Tuldi mõttele, et valgus võiks koosneda mingitest lainetest või osakestest. Mõlemat mõtet saadavad nii tugevad kui ka nõrgad küljed, kuid seda, mis on õige, on üpris raske välja selgitada. Laineteooria kohaselt võib valgust käsitleda kui elektromagnetlainet, mis koosneb kahest komponendist - elektri- ja magnetväljast. Kvantteooria järgi võib valgust käsitleda aga kui footonite voogu. Footonid kiirguvad ja neelduvad kui osakesed, mille energia on võrdeline valguslaine sagedusega. Laineteooria abil on võimalik seletada difraktsiooni, interferentsi, murdumist ja dispersiooni, kvantteooriast lähtudes aga fotoefekti ja fotokeemilisi reaktsioone. Seda, kumb ettekujutus valgusest on õige ei ole võimalik välja selgitada, kuid kindel on see, et valguse laine- ja kvantteooriad ei ole vastandlikud vaid täiendavad teineteist.