5.7 Razlaganje svjetlosti na boje

O prirodi svjetlosti

Posjedujemo različita osjetila, imamo osjetilo za sluh ili pak osjetilo za dodir. Međutim, većina onoga što znamo o svijetu oko sebe stečeno je zahvaljujući našemu vidu.

U uvodnom je primjeru slika koja nastaje kada uski snop bijele svjetlosti prođe kroz staklenu prizmu. Pogledajte sada videozapis.

Pokus je to koji je vjerojatno prvi izveo slavni Isaac Newton u 17. stoljeću. Newton je bio uvjeren da se svjetlost sastoji od sitnih čestica koje se gibaju pravocrtno, zagovarao je čestičnu (korpuskularnu) teoriju o prirodi svjetlosti.

Nasuprot njemu, njegov suvremenik Christian Huygens bio je uvjeren u valnu prirodu svjetlosti. Smatrao je da se svjetlost širi prostorom u obliku elektromagnetskog vala.

Tek će 20. stoljeće dati odgovor na pitanje o prirodi svjetlosti.

I Newton i Huygens imali su pravo, svjetlost pokazuje i valna i čestična obilježja.

Svaki val posjeduje valnu duljinu i frekvanciju. Ljudsko je oko savršeni instrument za mjerenje frekvencije i valne duljine svjetlosti, ono je u stanju razlikovati svjetlost frekvencije $700\mathrm{THz}$ i svjetlost frekvencije $670\mathrm{THz}.$ Spomenute frekvencije odgovaraju ljubičastoj i plavoj boji.
Znači, može razlikovati valove koji u jednoj sekundi naprave $790·{10}^{12}$ i $620·{10}^{12}$ titraja. Dojmljivo, zar ne?

Isto tako, naše oko razlikuje svjetlosti valnih duljina $420\mathrm{nm}$ i npr. $480\mathrm{nm}.$
Spomenute valne duljine odgovaraju ljubičastoj i plavoj boji. Dakle, bojom zapravo izražavamo frekvenciju i valnu duljinu vidljive svjetlosti.
Najniže frekvencije vidljive svjetlosti vidimo kao crvenu boju, a najviše doživljavamo kao ljubičastu. Između tih graničnih frekvencija vidljiva je svjetlost – spektar vidljive svjetlosti.

Kao što je vidljivo na slici, frekvencija i valna duljina vidljive svjetlosti daju uvijek isti umnožak – brzinu svjetlosti $c$ .

Brzina svjetlosti u vakuumu je stalna, približno $300000\mathrm{km/s}$ , što znači da iz podatka za valnu duljinu možemo jednostavno izračunati frekvenciju i obratno.

$c=\lambda ·f$  ​

$300000\frac{\text{km}}{\mathrm{\text{s}}}=\lambda ·f$ 

Zadatak 1.

Koja je valna duljina svjetlosti frekvencije $600\mathrm{THz}$ ?

Rješenje

---

 Poredaj boje svjetlosti po valnoj duljini, od najmanje valne duljine do najveće.

•  cijan
•  plava
•  zelena
•  crvena
•  ljubičasta
•  narančasta
•  žuta

null

null

Kako vidimo?

Sunce je primarni izvor svjetlosti za naš planet. Naše oči osjećaju frekvencije, odnosno valne duljine svjetlosti našeg Sunca i interpretiraju ih bojama.

List na drvetu zelene je boje jer taj list jedino reflektira (odbija) zelenu komponentu bijele svjetlosti, a ostale komponente apsorbira (upija). Zrela jagoda odbija crvenu komponentu, ostale upija, pa je zato vidimo u crvenoj boji. Naravno, sve je povezano i s građom našeg oka.

Oko ima posebne receptore za boju – čunjiće, a posebne za svjetlost – štapiće. U uvjetima slabe osvijetljenosti, po noći, ne vidimo boju – sve je u crno-bijelim nijansama.

S pomoću čunjića, kojih je tri tipa, raspoznajemo boje. Postoje čunjići osjetljivi na „crvenu ˮ , na „zelenuˮ i na „plavu ˮ svjetlost.

Sve ostale „boje ˮ koje vidimo nastaju slaganjem crvene, plave i zelene svjetlosti.

Kombinacija kojih boja u mozgu promatrača generira osjet žute i  ljubičaste boje? Zapišite koje boje treba „promiješati ˮ.

Rješenje

---

Kutak za znatiželjne

U tiskarstvu se koristi drukčiji način miješanja boja, tzv. CMYK sustav miješanja boja.

Tu se miješaju četiri boje: Cijan – plava, Magenta – boja ciklame, Yellow – žuta i Key boja– crna,  za razliku od RGB miješanja boja (Red – crvena, Green – zelena i Blue – plava boja). Ovakav sustav miješanja boja rezultira kvalitetnim reprodukcijama fotografija, ilustracija ili npr. tekstova. Izrada letaka, brošura, kataloga ili vrhunski otisnutih časopisa poput National Geographica. Kao zanimljivost ističemo kako se vrijednost svake boje u CMYK sustavu iskazuje postotkom.

U tiskarstvu se zbog toga govori o klasičnome četverobojnom tisku.

Ono što oko ne vidi – elektromagnetski spektar

Naravno, vidljivi dio svjetlosti samo je mali dio ukupnoga elektromagnetskog zračenja. Pogledajmo sliku.  

Kao što smo spomenuli, ljudsko oko osjeća EM valove u intervalu od $390$  do $780\mathrm{nm}$ . Za ostale smo praktično slijepi, ne vidimo ih, to jest nemamo senzore za te valne duljine i pripadajuće frekvencije.

Tijekom 19. stoljeća znanstvenici su otkrili i vizualizirali više različitih vrsta do tada nevidljive svjetlosti: ultraljubičasto i infracrveno zračenje, X-zračenje i gama zračenje, radiovalno i mikrovalno zračenje. Vidljiva svjetlost i tada novootkrivene vrste svjetlosti očitovanje je jedne pojave – elektromagnetnog zračenja.

Zašto ne vidimo sve to ostalo zračenje?

Nekoliko je razloga. Na prvom je mjestu atmosfera našeg planeta, prozirna je, naravno, za vidljivu svjetlost, a poprilično neprozirna za ostale koje smo naveli. Visoko u atmosferi kisik i dušik upijaju i tako zaustavljaju gama i X-zračenje, ozon nas štiti od ultraljubičastog...

Naše su se oči prilagodile na svjetlost koja se kroz atmosferu probija do površine Zemlje, a naša znanost pokazala nam je kako u svakodnevici upotrebljavati ostale valne duljine.

Primjena različitih dijelova EM spektra u svakodnevnom životu

U svakodnevnom životu koristimo se različitim tehnikama, odnosno različitim uređajima koji se koriste onim dijelovima spektra koje oko ne osjeća.

Radio, televizija i komunikacija putem mobitela koriste se valovima čije su valne duljine od nekoliko kilometara do $\mathrm{0,3}\mathrm{m}$ .

Valove sličnih valnih duljina emitiraju različiti svemirski objekti. Analizirajući ih, doznali smo i doznajemo sve više o strukturi svemira. Ako promatramo svemir u području radiovalova, slika koju dobivamo je bitno drukčija od one u području vidljive svjetlosti.

Slika središta naše galaktike nastala promatranjem kroz radioteleskop bitno je drukčija od one koju vidimo običnim teleskopom.

Mikrovalovi su valovi valnih duljina od $\mathrm{0,3}\mathrm{m}$  do  $\mathrm{0,1}\mathrm{mm}$ . Mikrovalovima se znanstvenici služe pri poučavanju svojstava materije. Naime, frekvencije kojima titraju molekule i atomi bliske su frekvencijama mikrovalova.

Radari nam služe za različite svrhe. Njima mjerimo brzine automobila u prometu, reguliramo promet u zrakoplovstvu i pomorstvu, njihove valne dulijne pripadaju dijelu radiovalova i dijelu mikrovalova.

Infracrveni dio elektromagnetskog spektra čine valovi valnih duljina od 1 mm do 780 nm. Mnoge su primjene i načini kako se koristimo tim zračenjem. Granična policija upotrebljava to zračenje za noćni nadzor granica, za tzv. noćno gledanje. U medicini primjenom tih valova možemo vizualizirati različite temperature u tijelu te odrediti gdje su npr. nastali upalni procesi. Naravno, i astronomija je dio primjene.

Jedna od primjena ultraljubičastog zračenja je u zaštiti novčanica. Ako novčanicu promatramo pod ultraljubičastim svjetlom, uočavamo određene ugrađene detalje koje lažni novac ne posjeduje.

Kristalnu strukturu tvari možemo proučavati X-zračenjem, tj. rendgenskim zračenjem.

Isto tako, suvremena medicinska dijagnostika nezamisliva je bez uređaja koji se koriste rendgenskim zračenjem. Naravno, i svemir možemo promatrati u tom spektru.

Gama zračenje nastaje kao proizvod nuklearnih reakcija, u astronomiji se proučavaju svemirski objekti koji zrače u gama spektru. Valne duljine gama zračenja su od ${10}^{-13}$ do ${10}^{-16}$ m.

Kozmičko zračenje ima još manje valne duljine.

Kako sve bolje razumijemo prirodu svjetlosti, i kako naša tehnologija postaje sve bolja i bolja, svakodnevno se pronalaze novi inovativni načini uporabe različitih dijelova elektromagnetskog spektra.

Praktična vježba

Izradite jednostavni spektroskop

Pribor: ​

• škare,
  
• ljepljiva vrpca,
  
• tvrđi karton crne boje (ili markerom, t.j. nekom bojom zatamniti karton neke druge boje),
  
• odbačeni CD ili DVD.

Uputa: Izrezati oprezno škarama model čiji se plan nalazi na slici ispod. Pozorno urezati dva bijelo obilježena mjesta. U predviđeni prostor zalijepiti dio CD-a ili starog DVD-a.

Sve pomno i čvrsto zalijepiti ljepljivom vrpcom.

Usmjeriti uski otvor prema nekom izvoru svjetlosti. Promotriti te zapisati i nacrtati što vidimo.

LASER

Albert Einstein je u jednome svojemu radu iz 1917. godine dao teorijski koncept rada lasera. Prvi laser izrađen je 1960. godine, godinama nakon Einsteinova rada. Često znanstvenici predlože teorijski model, a onda proteknu godine prije nego što tehnološki napredak omogući konstrukciju zamišljenih naprava i uređaja.

Kratica LASER nastala je od engleskog naziva:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, prijevod na hrvatski jezik  glasio bi: pojačavanje svjetlosti s pomoću stimulirane emisije zračenja.

U prvome su laseru atomi kristala rubina pobuđivani svjetlosnom lampom.

Pogledajmo animaciju.

Svjetlost se unutar kućišta odbija, jedno je zrcalo propusno pa laserska svjetlost izlazi na tome dijelu. ​

Laser je izvor svjetlosti, no u mnogočemu se razlikuje od uobičajenih izvora svjetlosti. Laserska svjetlost je koherentna (svi valovi su u fazi), usmjerena (zraka je ograničena u relativno uzak prostorni kut) i monokromatska (jednobojna).

Zbog usmjerenosti se laserska zraka rasprostire na velike udaljenosti, za razliku od npr. svjetlosti obične žarulje koja se rasprostire u svim smjerovima podjednako.

Danas postoje različite vrste lasera i teško je zamisliti svijet bez njihove uporabe.

Neke od primjena lasera su:

• precizno mjerenje udaljenosti,
  
• različiti skeneri i bar-kod skeneri u trgovini,
  
• različite primjene u medicini (npr.precizne operacije oka),
  
• poluvodički laseri koriste se kao čitači u CD i DVD uređajima u računalima, u laserskim pisačima i slično.
  
• Upotrebljavamo ih u znanstvenim laboratorijima, npr. za lasersko hlađenje molekula.