Licht

Licht, afkomstig van een vliegveld.

Licht is elektromagnetische straling met het frequentiebereik dat waarneembaar is met het menselijk oog, in het algemeen met inbegrip van infrarode straling, met een iets lagere frequentie, en ultraviolete straling, met een iets hogere frequentie. In vacuüm plant licht zich voort met de lichtsnelheid, maar daarin onderscheidt het zich niet van andere elektromagnetische straling met andere frequenties. Lichtquanta worden fotonen genoemd.

De drie variabelen die licht beschrijven, zijn de lichtsterkte (ofwel amplitude), de kleur (ofwel frequentie of golflengte) en de polarisatie, ofwel de trillingsrichting, die altijd loodrecht op de voortplantingsrichting staat. De studie van licht en de interactie van licht met materie heet optica.

Is licht een deeltje of een golf?

In de 17e eeuw was het Christiaan Huygens die als eerste beweerde dat het licht een golfverschijnsel is. Hiervoor pleitten de bij licht waargenomen verschijnselen interferentie en buiging. Dit werd tegengesproken door Isaac Newton, die stelde dat het licht uit een snelle stroom deeltjes bestaat. Dit leidde in die tijd tot een felle discussie, die aanvankelijk werd beslecht in het voordeel van de golftheorie. In de tweede helft van de 19e eeuw werd duidelijk dat licht een elektromagnetische golfverschijnsel is met binnen een specifiek golflengtegebied, dankzij het experimentele werk van Hertz en het theoretische werk van Lorentz. Het gedrag van licht kon verklaard worden door het oplossen van de Maxwellvergelijkingen die de basis vormen voor alle elektromagnetische verschijnselen. Met de opkomst (begin 20e eeuw) van de kwantummechanica werd er toch nog een discontinu karakter van het licht ontdekt, zodat onder bepaalde omstandigheden licht in termen van onderscheidbare fotonen beschreven kan worden.

Ontstaan van licht

Als atomen genoeg verhit worden, of op een andere manier in een aangeslagen toestand terecht komen, kunnen de buitenste elektronen op een hoger ofwel geëxciteerd energieniveau komen. Wanneer een elektron terugkeert naar een lager energieniveau, wordt de vrijgekomen energie in de vorm van een foton uitgezonden. Deze hoeveelheid energie bepaalt de frequentie en dus de golflengte en daarmee de kleur van het licht.

Lichtsnelheid en voortplantingsrichting

De snelheid waarmee licht beweegt wordt lichtsnelheid genoemd. Deze is in een isotroop medium gelijk in alle voortplantingsrichtingen. De snelheid v (m/s) is gelijk aan het product van frequentie f (s^-1) en de golflengte λ (m):

v = f . λ

Licht plant zich voort in vacuüm met een snelheid van precies 299 792 458 meter per seconde ( = ca. 300 000 km/s). In een medium als water, lucht of glas is de snelheid lager. Dit komt door de interactie tussen de elektrische vector van de lichtgolven en de elektronenwolken om de atomen waaruit het medium is opgebouwd. De verhouding tussen de lichtsnelheid in vacuüm en de lichtsnelheid in een medium is de brekingsindex van dat medium.

In de speciale relativiteitstheorie wordt gesteld dat de lichtsnelheid in een vacuüm een universele constante is, die zelfs niet, zoals voor de formulering van deze theorie in 1905 werd aangenomen, afhangt van de bewegingstoestand van de waarnemer t.o.v. de lichtbron. Experimenteel is deze theorie tot nu toe nooit gefalsifieerd. Bovengenoemde waarde is dus sindsdien geen meetwaarde meer, die altijd een zekere meetfout heeft, maar een gedefinieerde natuurkundige constante, gewoonlijk aangeduid met de letter c.

Breking (refractie), weerkaatsing (reflectie) en buiging (diffractie)

Als licht door een transparant medium (zoals lucht, water, of glas) beweegt, wordt de voortplanting vertraagd ten opzichte van vacuüm met een factor die brekingsindex wordt genoemd (zie ook: Wet van Snellius).

Als licht door een oppervlak tussen twee media beweegt, kan een deel gereflecteerd worden, dit gebeurt onder dezelfde hoek waarmee het licht inviel.

Als licht door een opening gaat met afmetingen in dezelfde orde van grootte als de golflengte, buigt licht af, zoals watergolven doen. (Zie golfbakexperimenten)

Licht in anisotrope media

In een anisotroop medium zal de lichtsnelheid variëren, afhankelijk van de hoek tussen een transversale Elektrische veldsterktevector van een elektromagnetische golf en een optische as van een kristallijn medium (er kunnen maximaal twee optische assen zijn). Dit is het gemakkelijkst te constateren middels het verschijnsel dubbele breking. Een witte lichtstraal zal zich zelfs bij loodrechte inval opsplitsen in twee witte stralen (dus niet te verwarren met dispersie, die alleen bij schuine inval opsplitsing in stralen van verschillende kleuren veroorzaakt).

Eenheden

Bij verlichting wordt een aantal fundamentele begrippen onderscheiden, namelijk:

• Lichtstroom
• Lichtsterkte
• Verlichtingssterkte
• Luminantie

Lichtstroom

De lichtstroom is de hoeveelheid licht die een lichtbron per seconde in alle richtingen uitstraalt. De eenheid van lichtstroom is de lumen (lm) en het symbool is Φ.

Lichtsterkte

De intensiteit van licht wordt de lichtsterkte genoemd, en is de lichtstroom per eenheid van ruimtehoek ω (uitgedrukt in steradialen). De eenheid van lichtsterkte is de candela (cd), en het symbool is I.

I =  Φ /ω

De minimum lichtsterkte voor kleurwaarneming bedraagt ongeveer 3 cd/m².
Van de zon ontvangen we ongeveer 2 000 000 000 cd/m² (dit heet de zonneconstante) en van
de (volle) maan ongeveer 2500 cd/m².

• Een bol bevat 4π steradialen. Op het oppervlak van een bol - met een straal R kan een willekeurig vlak - bijvoorbeeld een vierkant - met zijden R worden geprojecteerd. Als vanuit het middelpunt van de bol de straal R van de bol de omtrek van het vierkante vlak uitsnijdt, dan beschrijft deze straal een piramide, die een ruimtehoek ω van een steradiaal omvat.

Verlichtingssterkte

De verlichtingssterkte is de lichtstroom φ per eenheid van oppervlak S. De eenheid van verlichtingssterkte is de lux en het symbool is E.

• formule: E =  Φ /s

Luminantie

De lichtsterkte per eenheid van schijnbaar oppervlak van en lichtbron of van een verlicht vlak noemt men de luminantie. De eenheid van luminantie is cd/m² en het symbool is L

• formule: L =  I /S

Lichtspectrum

Licht is elektromagnetische straling. De frequenties van lichtgolven vormen een deel van het totale spectrum. Vaak wordt de indeling van het spectrum gedaan op grond van de golflengte, waarmee dan de golflengte in vacuüm wordt bedoeld, aangezien de golflengte afhankelijk is van het medium. Beter is het de frequentie te gebruiken, omdat die niet afhankelijk is van het medium.

Het zichtbare spectrum van licht heeft een golflengte λ tussen 380 nanometer (nm=10⁻⁹ m) en 780 nm (in een vacuüm). De verschillende golflengten worden door het oog gezien als verschillende kleuren: rood voor de langste golflengte en violet voor de kortste. De grootste gevoeligheid van het menselijk oog ligt bij ca. 550 nm (geelgroen) bij daglicht en bij 500 nm (blauwgroen) bij nacht. Het oog waardeert de verschillende golflengten op uiteenlopende wijze. Bij gelijke hoeveelheden energie van alle golflengten, blijkt de geelgroene straling ( λ = 555 nm ) de sterkste indruk te veroorzaken.

<<<<<<<<Ooggevoeligheidskromme

rood ligt tussen	650 nm en 780nm (in vacuüm)
oranje	585 nm en 650 nm
geel	575 nm en 585 nm
groen	490 nm en 575 nm
blauw	420 nm en 490 nm
violet	380 nm en 420 nm

De ooggevoeligheid neemt af naarmate de grenzen van het zichtbare gebied worden bereikt. Zo is voor de oranje straling met een golflengte λ = 600 nm nog 63% ooggevoeligheid aanwezig en voor de kleur blauw nog maar 32%.In de Ooggevoeligheidskromme wordt dit verder verduidelijkt.
Bij golflengtes boven de 780 nm spreekt men van infrarode straling, bij golflengtes onder de 380 nm van ultraviolete straling. Beide zijn niet door de mens waarneembaar. Sommige dieren kunnen licht(straling) zien die de mens niet met het oog kan waarnemen.

Licht dat bestaat uit lichtgolven met alle dezelfde golflengte/frequentie, heet monochromatisch licht. De kleur die men ziet is de kleur die bij die frequentie hoort. In de natuur komt meestal polychromatisch licht voor, dat bestaat uit golven die verschillende golflengtes hebben. Ook dan ziet het oog maar één kleur, die de "optelsom" is van de verschillende monochromatische kleuren. Als alle golflengtes van het zichtbare deel van het spectrum in min of meer gelijke mate aanwezig zijn, zien we de kleur wit. Combinaties van lichtgolven van complementaire kleuren zullen ook als wit gezien worden. Sommige kleuren, zoals de kleur bruin, kunnen alleen gevormd worden uit combinaties van verschillende golflengtes.

Interferentie en polarisatie van licht

Omdat licht als een golf kan worden beschouwd, kan bij licht ook interferentie van golven optreden. Natuurlijk licht bestaat echter uit zoveel verschillende golven, dat interferentie niet opvalt.

Licht dat door interferentie van golven speciale eigenschappen heeft, wordt gepolariseerd licht genoemd. De bekendste vorm van gepolariseerd licht is lineair gepolariseerd licht, waarin alle golven hun amplitudes in dezelfde richting hebben.

Lichtbronnen

Van oudsher is het de zon die voor licht zorgt. Licht kan ook kunstmatig opgewekt worden, vanouds met vuur, maar sinds de 19e eeuw ook met gloeilampen; later zijn andere typen ontwikkeld, zoals gasontladingslampen en LED's (Licht Emitterende Diodes). Het licht schijnt dan op de oppervlakten.

Een bron van bijzonder, namelijk coherent en monochromatisch licht is de laser. In de telecommunicatie wordt de glasvezel ingezet om snel grote hoeveelheden gedigitaliseerde informatie te versturen door middel van het verzenden van lichtsignalen opgewekt door een laser. Niet-monochromatisch licht zou het informatiedragende signaal vanwege de onvermijdelijke dispersie van het glas uitgesmeerd worden over langere afstanden. Een van de oudste vormen van telecommunicatie, de semafoor, maakte al gebruik van lichtsignalen.

Zie ook

• Verlichting (doorverwijzing).
• Colorimeter
• Tribo-elektrisch effect
• Soera Het Licht, een soera van de Koran (zie ook : samenvatting van de soera's).

  Vrije mediabestanden over Light op Wikimedia Commons

Externe links

• Proefjes over licht op proefjes.nl