5.Kafli

1. 5.Kafli

2. 5-1 Hvað er ljós • Rafsegulbylgjur eru bylgjur sem eiga það sameiginlegt að myndast við breytingu á rafsegulsviði (t.d. þegar rafeindir hoppa milli hvolfa umhverfist kjarna frumeinda). • Rafsegulbylgjur geta ferðast í tómarúmi og þær ferðast með hraða sem er kallaður LJÓSHRAÐI sem er 300.000 km/s • Sýnilegt ljós er dæmi um rafsegulbylgju.  • Útvarpsbylgjur, örbylgjur, röntgengeislar, innrauðir geislar, útfjóluláir geislar og gamma geislar eru allt rafsegulbylgjur sem myndast við breytingar á rafsegulsviði hver með sýnum hætti.

3. 5-1 Hvað er ljós • Útvarpsbylgjur miðla merkjum sem breytast í hljóð í viðtækjunum; örbylgjur eru meðal annars notaðar til eldunar og röntgengeislar eru gagnlegir þegar skoða þarf ýmsa innri hluta líkamans. • Þessar bylgjur, svo og innrauðir geislar,útfjólublátt ljós og gammageislar, eru í meginatriðum sama eðlis og sýnilegt ljós sem við skynjum, en þær greina sig frá því vegna þess að augun eru ekki næm fyrir þessum bylgjulengdum og þess vegna tölum við um ósýnilegar rafsegulbylgjur eða ósýnilega geislun. • Sýnilegt ljós er því aðeins þær rafsegulbylgjur sem augu okkar eru næm fyrir. Við tölum þó stundum um innrautt ljós og útfjólublátt ljós.

4. Ljósorka • Ljós á oft uppruna sinn í frumeindum efnis. Rafeindir sveima umhverfis kjarna frumeindar á rafeindahvolfum (orkuhvolf). • Rafeindirnar búa yfir ákveðnum orkuskammti, en þær geta á hinn bóginn bætt við sig orku og þá hoppa þær upp á hærra orkuhvolf. • Síðar geta rafeindirnar látið þessa orku frá sér í örsmáum skammti sem kallast ljóseind. • Ljóseindin býr nákvæmlega yfir þeirri umfram orku sem rafeindin gaf frá sér. • Ljósið er gert úr þessum örsmáu orkueindum, ljóseindunum. Reyndar má líta á ljós sem streymi ljóseinda.

5. Ljósorka - frh • Sumar ljóseindir hafa meiri orku en aðrar. Orka ljóseindanna er háð því hversu mikla orku rafeind í frumeind gaf frá sér þegar ljóseindin varð til. • Magn orkunnar í hverri ljóseind ákvarðar eiginleika hennar.   • Ljóseindir röntgengeisla eru talsvert orkuríkari en ljóseindír í sýnilegu ljósi og teljast háorkuljóseindir. • Hver ljóseind í útvarpsbylgjum er orkurýrari en hver ljóseind sýnilegs ljóss. Ljóseindir útvarpsbylgna eru lágorkuljóseindir.

6. Rafsegulbylgjur • Ljós og önnur rafsegulgeislun hefur bæði bylgju- og eindaeiginleika. • Þetta er stundum nefnt TVÍEÐLI LJÓSS.  • Orka hverrar ljóseindar er því meiri sem tíðni bylgjunnar er hærri. • Ólíkt hljóðbylgjum þurfa þær ekki bylgjubera til að flytjast úr stað. Rafsegulbylgjur geta því borist gegnum tómarúm geimsins. • Þegar ljós berst gegnum efni fer það örlítið hægar en um tómarúm. Þá er hraðinn mismunandi eftir bylgjulengdum og eftir því um hvaða efni er að ræða. • Ljós fer til dæmis hægar gegnum gler en vatn og rauðar bylgjulengdir fara hraðar en hinar bláu.

7. Rafsegulrófið • Eðlisfræðingar flokka rafsegulbylgjur og raða þeim upp í svokallað rafsegulróf. • Hver tegund geislunar í rafsegulrófinu hefur ákveðna tíðni, bylgjulengd og ljóseindaorku. • Í rafsegulrófinu eru allar rafsegulbylgjur. Útvarpsbylgjur, örbylgjur, innrauð geislun, sýnilegt jós, útfjólublá geislun, röntgengeislun og gammageislun. • Bylgjur raðast eftir vaxandi tíðni, minnkandi bylgjulengd og aukinni orku ljóseinda.

8. SÝNILEGA RÓFIÐ • Er aðeins lítill hluti rafsegulrófsins, þær ljósbylgjur sem auga þitt er næmt fyrir.   • Sýnilega hluti litrófsins klofnar upp í mismunandi liti sem hver hefur sína bylgjulengt og tíðni. • Hvítt ljós er blanda allra lita ljóss. • Í sýnilega hluta rafsegulrófsins er tíðni ljósbylgnanna frá 400 milljörðum og upp í 750 milljarðar herts (rið á sekúndu). • Mismunandi tíðni sýnilegs ljóss kemur fram í mismunandi litum ljóssins: rautt, rauðgult, gult, grænt, blátt og útfjólublátt. • Litur ljóss er háður tíðninni. Rautt ljós er með lægsta tíðni og síðan vex tíðnin og er hæst í útfjólubláu ljósi.

9. ÓSÝNILEGA RÓFIÐ • Ljósbylgjur með lægri tíðni en rauða ljósið hefur eru bylgjur innrauða ljóssins. • Þú sérð ekki innrauða geisla, en flestir hlutir senda slíka geisla frá sér sem hita (varma). • Því heitari sem hlutur er þeim mun meiri er innrauða geislunin sem stafar frá honum. • Jafnframt breytist liturinn og ef hluturinn verður nægilega heitur fer hann að senda frá sér sýnilegt ljós, hann glóir. • Útvarpsbylgjur koma næst handan innrauðu geislunarinnar. • Hluti útvarpsbylgna eru kallaðar örbylgjur og bylgjur sem ratsjár senda út

10. Ósýnilega rófið frh • Bylgjur sem eru hægra megin við fjólublátt á sýnilega rófinu kallast út útfjólubláar. • Þær eru mjög orkuríkar og geta skaðað lífverur og jafnvel drepið. • Útfjólubláir geislar sólarinnar valda sólbruna! • Útfjólublá geislun er notuð til þess að eyða gerlum og auka geymsluþol matvæla. • Utar á ósýnilega rófinu eru bylgjur með enn hærri tíðni. Fyrst koma röntgengeislar sem fara auðveldlega gegnum mörg efni. • Þá má nota til þess að taka myndir af innviðum hluta og innri líffærum manna og annarra lífvera. • Mjög mikil röntgengeislun getur reynst skaðleg.

11. Ósýnilega rófið frh- Gammageislar • Næst röntgengeislum koma gammageislar. Ákveðin geislavirk efni gefa frá sér gammageisla. Þessi efni eru sögð geislavirk. • Öll efni í náttúrunni sem hafa hærri sætistölu en 82 hafa geislavirkar samsætur. Það eru frumeindir sem hafa tilhneigingu til að klofna í smærri frumeindir sem eru stöðugri. • Þegar kjarnar frumeinda breytast við kjarnaklofnun losnar gríðarleg orka. • Stór hluti þessarar orku losnar á formi gammageislunar. Þeir eru stórhættulegir lífverum.

12. ÖRBYLGJUR • Þær útvarpsbylgjur sem hafa mestu tíðnina nefnast örbylgjur. Bylgjulengd þeirra er aðeins fáeinir sentímetrar. • Bylgjur í örbylgjuofnum eru dæmi um örbylgjur. Vatn í matvælum tekur til sín orku örbylgnanna og orka þeirr breytist í hreyfiorku sameinda vatnsins þ.e. vatnið hitnar. Ílát úr gleri eða plasti hleypa hinsvegar örbylgjum gegnum sig og hitna af þeim sökum ekki í örbylgjuofni. • Örbylgjur koma líka að notum í fjarskiptum. • Fjarskipti með farsímum byggjast á örbylgjum. • Örbylgjur miðla upplýsingum auðveldlega vegna þess að fjöll, hús eða tré verða þeim lítil fyrirstaða. Örbylgjur eru líka nýttar við veðurathuganir.

13. Tvíeðli ljóss • Bylgjulíkan ljóss skýrir vel flest einkenni ljóss og hefur verið ríkjandi frá því snemma á 19. öld. • Um aldamótin 1900 uppgötvuðu eðlisfræðingar eiginleika sem er nefndur ljósröfun þar sem ljós hegðar sér fremur sem agnir en bylgja! • Eðlisfræðingar lýsa ljósi þannig að það sé bæði agnir og bylgjur og er þetta nefnt TVÍEÐLI LJÓSS.

14. 5-2 Ljósgjafar • Bæði sólin og tunglið gefa frá sér ljós. • Sólin sendir frá sér sitt eigið ljós, en frá tunglinu berst aðfengið ljós. • Nær allt ljós sem berst til jarðar kemur frá sólinni. • Sólin og aðrir hlutir sem stafa frá sér eigin ljósi eru sagðir lýsandi. • Sólstjörnur, ljósaperur og eru kerti lýsandi. Tunglið og flestir aðrir hlutir sjást vegna þess að ljós fellur á þá og endurkastast síðan af þeim. • Hlutir sem sjást vegna þess að þeir endurkasta ljósgeislum eru sagðir upplýstir.

15. Myndun ljóss • Glóðarljós, flúrljós og neonljós eru lýsandi en ljósið myndast með ólíkum hætti. • Flúrljós og neon ljós myndast við afhleðslu gass en glóðaljós vegna glóandi hita málmvírs. GLÓÐARLJÓS • Ákveðnir hlutir geta hitnað svo að þeir taka að glóa og gefa þá frá sér ljós.   • Glóðarljós sem notuð eru á heimilum og víðar lýsa á þennan hátt. Grannur vír úr málminum volframi hitnar þegar kveikt er á perunni því rafeindir flæða gegnum vírinn. Hann lætur frá sér ljóseindir sýnilegs ljóss.

16. Myndun ljóss FLÚRLJÓS • Sumir lampar lýsa þótt þeir séu kaldir.   • Rafeindirnar dynja á gassameindum (kvikasilfursgufu og argongasi) • Kvikasilfursgufan gefur frá sér útútfjólubláa geisla sem varpast yfir á sérstakt efni (ljómefni) sem gefur frá sér sýnilegt ljós. • Litur flúrperu ræðst af gerð þess ljómefnis sem hún er húðuð með. NEONLJÓS • Líkt og flúrljós myndast neonljós við það að rafmagn fer gegnum pípu sem inniheldur gas.

17. Ljósið sem skín Þegar ljós fellur á efni getur þrennt gerst: Efnið drekkur ljósið í sig. • Sumir hlutir drekka betur í sig ljós en aðrir og því dekkri sem hluturinn er þeim mun meira ljós drekkur hann í sig.  Efnið endurkastar ljósinu. • Allir hlutir endurkasta hluta þess ljóss sem á þá fellur, sem veldur því að þeir sjást. Ef ljósið endurvarpast mjög reglulega af hlut segjum við að það speglist. Þetta á við um spegla, sléttan vatnsflöt og vel slípaða fleti.   Ljósið fer í gegn. • Efnið er gegnsætt. Gler, vatn og loft eru dæmi um gagnsæ efni. Manstu eftir fleiri dæmum?

18. 5-3 Speglun • Endurkast ljóss kallast speglun. Mismunandi speglun: • Eðli speglunar ræðst af áferð þess flatar sem ljós fellur á. • Spegill með mjög slétt yfirborð endurvarpar ljósinu á reglubundinn hátt og myndin sem skapast er nákvæm eftirmynd. • Slík speglun nefnist regluleg speglun.   • Dreifð speglun kemur fram þegar ljós endurvarpast af óreglulegum fleti.

19. Speglar • Spegill er hver sá hlutur sem hefur nægilega slétt yfirborð til þess að endurvarpa ljósi og skapa spegilmynd.

20. SLÉTTUR SPEGILL • Myndir sem koma fram í sléttum speglum sýnast vera bak við hann. Hún snýr réttu hliðinni upp, hún er sömu stærðar og fyrirmyndin og virðistjafn langt aftan við spegilinn og fyrirmyndin er fyrir framan hann. Í spegli virðist þó vinstri verða hægri og öfugt.

21. Kúptur Spegill • Kúptur spegill er með yfirborð sem bungar út. Ljósgeislarnir dreifast þegar þeir endurvarpast af yfirborði kúpts spegils, svo sem fram kemur á mynd 5-17 • Spegilmynd í kúptum spegli er minni en hluturinn sem er fyrirmynd hennar og líkt og spegilmynd slétts spegils virðist hún vera aftan spegilsins. • Kúptir speglar spegla ljós sem kemur frá mjög víðu sjónarhorni. Hlutir virðast vera fjær en þeir eru í raun og veru

22. HOLSPEGILL • Ef yfirborð spegilsins er íhvolft kallast hann holspegill. • Ef ljósgjafa er komið fyrir nákvæmlega í brennipunkti holspegils kemur dálítið merkilegt í ljós. Allir ljósgeislarnir endurkastast samsíða til baka í samþjöppuðum ljósgeisla. Perunni í vasaljósum er komið fyrir í brennipunkti holspegilsins þannig að ljósgeislarnir sem endurkastast mynda öflugan geisla.

23. Holspeglar frh- Brennipunktur • Holspegill endurvarpar þeim geislum sem koma samsíða ási spegilsins þannig að þeir koma saman í punkti sem nefnist brenni unktur. • Ás spegilsins er ímynduð lína sem dregin er gegnum brennipunktinn og miðju spegilsins. • Ef ljósgjafa er komið fyrir í brennipunkti endurkastast ljósgeislarnir allir samsíða frá speglinum . • Engin mynd verður til, en samþjappaður ljósgeisli myndast.

24. 5-4 Ljósbrot • Ljós bognar ekki eða brotnar þegar það fer gegnum efni heldur ferðast eftir beinni línu. Þegar ljós fer úr einu efni og yfir í annað breytir ljósið hinsvegar um stefnu. Þessi stefnubreyting ljóssins kallast ljósbrot. Ljósbrot verður þó ekki ef ljósið fellur þvert (lóðrétt) á yfirborð efnanna • Ljósbrot verður vegna þess að ljósið fer mishratt í mismunandi efnum. • Þegar það fer úr einu efni í annað hægir það ýmist á sér eða eykur hraða sinn. • Það er vegna þessa ljósbrots sem stafur virðist boginn eða brotinn þegar hann stendur hálfur ofan í vatnsglasi.

25. Ljósbrot og aðgreining ljóss • Þegar hvítt ljós fer gegnum þrístrendan hlut úr gleri regnboga þá myndast litróf þ.e. ljósið "aðgreinist" sundur í frumliti ljóssins. • Þú veist nú þegar að sýnilega litrófið samanstendur af litunum rauðu, rauðgulu, gulu, grænu, bláu og fjólubláu. Þegar hvítt ljós berst úr lofti yfir í annað efni breytist hraði þess og það brotnar. • Ljós af mismunandi tíðni brotnar hins vegar mismikið. Fjólublátt ljós hefur stystu bylgjulengdina (hæstu tíðnina) og brotnar mest, en rautt ljós er með lengstu bylgjulengdina og brotnar minnst. Þetta leiðir til þess að hvítt ljós skilst sundur í liti litrófsins, eða með öðrum orðum í liti regnbogans.

26. Ljósbrot og aðgreining ljóss • Hægt er að brjóta hvítt ljós og mynda litróf í glerstrendingi eða prisma. Taktu eftir því að ljósið brotnar þegar það kemur inn í prismað og líka þegar það hverfur út úr því. Ljósbrotið á sér stað þegar ljósið fer úr prismanu vegna þess að hraði ljóssins breytist aftur þegar það fer úr glerinu og aftur í loft.

27. Ljósbrot og aðgreining ljóss

28. Linsur • Linsa er gagnsær hlutur sem brýtur ljósgeisla. • Sagt er að linsan stilli og skerpi ljósið þegar það fer gegnum hana. • Flestar linsur eru úr gleri eða plasti og eru ýmist með einn eða tvo bogna fleti. Þegar ljósgeislarnir fara gegnum linsuna brotna þeir svo að þeir færast ýmist nær eða fjær hver öðrum, safnast saman eða dreifast.

29. SAFNLINSUR • SAFNLINSUR er þykkari í miðju en til jaðranna. Geislar ljóssins brotna í átt að miðju, þykkasta hluta linsunnar. • Safnlinsa getur skapað mismunandi myndir, allt eftir þeim tækjum sem hún er hluti af. Stundum er myndin á hvolfi og minni en fyrirmyndin (t.d. í myndavél). Myndin sem kemur fram í linsu í smásjá er líka á hvolfi, en í þessum tilvikum er hún stærri en fyrirmyndin. Loks má nefna að • safnlinsa getur kallað fram mynd sem snýr réttu hliðinni upp og er stækkuð. Það á til dæmis við um stækkunargler og augnglerið í kíki.

30. DREIFILINSUR • DREIFILINSUR Linsa sem er þykkust til jaðranna og þynnst í miðju brýtur ljós svo að það dreifist, ljósgeislarnir verða með öðrum orðum sundurleitnir. • Myndir sem dreifilinsur kalla fram snúa rétt og eru minni en fyrirmyndin. Augað og sjónin

31. Linsur • Ef augnknötturinn (augað í heild sinni) er of langur fellur myndin framan við sjónuna. Ef svo er ástatt er talað um nærsýni (sjá mynd að neðan). Linsa sem ræður bót á þessu yrði að dreifa ljósgeislunum áður en þeir berast inn í augað. Það gerir dreifilinsa eða dreifigler.

32. Linsur • Ef augnknötturinn er of stuttur fellur skörp mynd aftan sjónunnar. Viðkomandi sér fjarlæga hluti skýrt, en nálægir hlutir verða óskýrir. Þessi kvilli nefnist fjarsýni. Safnlinsa eða safngler sem færir ljósgeisla hvern að öðrum er notuð til þess að ráða bót á fjarsýni.

33. 5-5 Litir ljóssins • Þegar ljós fellur á efni ferþað eftir eðli efnisins hvort það drekkur ljósið í sig, endurvarpar því eða hleypir því gegnum sig Litir ógagnsærra hluta • Epli eða annar ógagnsær hlutur hleypir alls engu ljósi gegnum sig. Eplið drekkur ljósið í sig að hluta og endurvarpar hinum hlutanum. Ljós sem fellur á eplið og eplið drekkur í sig en endurkastar ekki kemst aldrei til augans. Það ljós sérðu því EKKI. Þeir ljósgeislar einir berast til þín sem endurvarpast af eplinu. Litur og ógnsæs hlutar hlýtur því að ráðast af lit þess ljóss sem hann endurvarpar. Rautt epli endurvarpar rauðum geislum en drekkur alla aðra geisla í sig og græn laufblöð plantna endurvarpa grænum geislum en drekka aðra liti ljóssins í sig. • Hvítur hlutur endurvarpar því öllum litum enda er hvítt ekkert annað en bland allra lita.

34. Litir ljóssins framhald • Ef hlutur gleypir alla liti ljóss varpar hann engu ljósi aftur til þín og sýnist svartur. Svart táknar þess vegna að engum litum er til að dreifa. Flestir hlutir endurvarpa hins vegar fleiri en einum lit. Þessir litir renna saman og skapa margvíslegar litablöndur, til dæmis ljósblágrænan og brúnan lit. Litir gagnsærra hluta • Gagnsæir hlutir hleypa ljósi gegnum sig. Litur slíkra hluta ræðst af því ljósi sem fer gegnum þá og berst þér til augna. Sumir gagnsæir hlutir gleypa ákveðna liti ljóssins. Rautt gler gleypir alla liti nema rauðan sem fer greiðlega gegnum það. • Grænt gler hleypir á sama hátt eingöngu grænum geislum ljóss gegnum sig. Venjulegt rúðugler hleypir gegnum sig öllum litum ljóss og er sagt litlaust eða glært.

35. Litir ljóssins framhald Litir himinsins Hvers vegna er himinninn blár?" Við spurningunni er til traust svar, byggt á vísindalegum rökum. • Allt ljós himinsins kemur frá sólu sem gefur frá sér hvítt ljós þ.e. ljós sem er blanda allra lita. Þegar hvítt ljósið kemur inn í lofthjúpjarðar dreifist það í loftinu.   • Rautt og gult ljós dreifist lítið, en bláu geislarnir dreifast mest. Blátt ljós berst því til þín frá öllum hlutum himinsins og þess vegna sérð þú himininn bláan. • Ef dreifingar ljósgeisla nyti ekki við í lofthjúpnum yrði himinninn því svartur! • Á tunglinu er himinninn einmitt svartur enda er þar enginn lofthjúpur til að dreifa og varpa ljósi til augans.

36. 5-6 Ljós og tækni • Meðal nýrra framfara á sviði ljóstækni má nefna ljósþráðatækni, leysitækni og heilmyndun. Ljósþræðir • Ljósþráðataekni er fólgin í flutningi ljóss langar leiðir eftir löngum, grönnum, sveigjanlegum þráðum úr gleri eða plasti. Þræðirnir nefnast ljósþræðir eða ljósleiðarar og hafa margþætt notagildi. Ljósþræðir eru m.a. mikilvægir í læknisfræði (myndataka inn í líkamanum), við miðlun sjónvarpsefnis og í símaþjónustu.

37. Leysigeislar • Hvítt ljós er blanda margra bylgjulengda, en leysir byggist hins vegar á ljósi af aðeins einni bylgjulengd. Í leysigeisla eru allar bylgjur samfasa, það er að segja öldutoppar og öldudalir allra bylgnanna standast á. Ljós frá leysitæki ferðast eftir nánast samsíða línum og dreifist lítið sem ekkert. Vegna þessara eiginleika er leysigeisli einstaklega bjartur og samþjappaður og einlitur. • Notagildi leysitækja er meðal annars á sviði lækninga, iðnaðar og flutninga. Leysitækni er jafnframt notuð til þess að segja fyrir um jarðskjálfta. Með leysitækni er unnt að geyma efni á mynddiskum og líklegt er að leysitækni verði notuð í þrívíddarsjónvarpi framtíðarinnar!