Synligt ljus – definition, egenskaper och spektrum

Definition och våglängdsområde

Synligt ljus avser i allmänhet elektromagnetisk strålning med våglängder som ungefär ligger mellan 380 nm och 750 nm (nanometer). Detta motsvarar frekvenser i storleksordningen cirka 4×10¹⁴ till 7,9×10¹⁴ Hz. Exakta gränser varierar något beroende på källa och på arten som ser ljuset — människans synområde brukar ofta anges som cirka 400–700 nm. Ljus kan också beskrivas som bestående av små energipaket, fotoner, där energin för varje foton ges av E = hc/λ (h = Plancks konstant, c = ljusets hastighet).

Egenskaper

Ljus uppvisar både vågegenskaper och partikelegenskaper: våg-partikeldualitet. Några viktiga egenskaper är:

• Våglängd och frekvens — bestämmer färg och fotonenergi.
• Intensitet — beskriver ljusets effekt eller upplevda ljusstyrka beroende på mätmetod.
• Polarisation — riktningen för det elektriska fältets oscillation; viktig i många tekniska tillämpningar och i naturfenomen.
• Fas och koherens — avgör förmågan att skapa interferens och mönster, som i lasrar och interferometrar.
• Rörelseimpulsmoment (vinkelmoment) — ljus kan bära atomärt och makroskopiskt vridmoment, viktigt i optisk manipulation (optiska pincetter).
• Moment och tryck — fotoner har rörelsemängd p = h/λ och kan utöva ljustryck på ytor.

Spektrum och färg

Det mänskliga ögat ser olika våglängder som olika färger. En regnbåge visar hela det synliga ljusets spektrum. De traditionellt namngivna färgerna som ofta anges från ena änden är: rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett. Våglängder utanför det synliga området kan inte ses utan instrument: under den röda delen ligger infrarött och högre än violett ligger ultraviolett.

Färgupplevelse beror på hur ögats tre typer av tappceller (färgkänsliga receptorer) reagerar på olika delar av spektrumet. Färgblandning kan vara additiv (ljuskällor, t.ex. rött+grönt = gult) eller subtraktiv (pigment och tryck). Spektral analys (spektroskopi) används för att studera ljuskällors sammansättning och materiens egenskaper.

Interaktion med materia

Ljus påverkas av materia genom flera processer:

• Reflektion — när ljus studsar från en yta; det är lagen om reflektion (vinkel av infall = vinkel av reflektion) som gör att vi kan se oss i en spegel.
• Refraction — ljus ändrar riktning när det går mellan medier med olika brytningsindex; detta orsakar t.ex. att en pinne i vatten ser böjd ut och är grunden för linser.
• Spridning — t.ex. Rayleigh-spridning som gör himlen blå och solnedgångar röda.
• Absorption — material kan ta upp ljusenergi och omvandla den till värme eller elektrisk energi; olika material absorberar olika våglängder.
• Diffraction och interferens — vågeffekter som ger mönster när ljus passerar öppningar eller möter strukturer med storlek jämförbar med våglängden.
• Emission — material kan avge ljus genom termisk strålning, fluorescens, fosforescens eller elektriskt exciterade processer (t.ex. lysdioder, lasrar).

Mätning och enheter

Det finns två huvudsynsätt för att mäta ljus: radiometri mäter fysisk effekt (i watt), medan fotometri väger ljuset efter människans ögats känslighet (enheter som lumen, lux och candela). Exempel:

• Watt (W) – mäter effekten hos strålning.
• Lumen (lm) – mäter den totala ljusmängden som uppfattas av ögat (luminös flux).
• Lux (lx) – lumen per kvadratmeter, används för att ange belysningsstyrka.
• Candela (cd) – enhet för ljusstyrka i en given riktning.

Tillämpningar och biologisk betydelse

Ljus är centralt för många tekniker och biologiska funktioner: syn och ögonens anatomi, fotosyntes i växter, fotografering, mikroskopi, spektroskopi (för att identifiera ämnen), fiberoptisk kommunikation, lasersystem inom medicin och industri samt belysningsteknik. Solens spektrum och svartkroppsstrålning är viktiga inom astronomi och klimatforskning.

Säkerhet

Vissa delar av spektrumet som gränsar till det synliga kan vara skadliga: ultraviolett strålning kan skada hud och ögon och orsaka ögonskador eller hudcancer, medan kraftig infraröd och synligt ljus av mycket hög intensitet kan skada näthinnan. Skyddsåtgärder som solglasögon, filtrering och korrekt användning av lasrar är viktiga.

Inom fysiken används ibland begreppet ljus i en vidare mening för att beskriva elektromagnetisk strålning av alla våglängder. Den här artikeln fokuserar på synligt ljus. Läs artikeln om elektromagnetisk strålning för att få veta mer om det övergripande begreppet.