Lys

Synlig lys er elektromagnetisk stråling med en oscillerende elektrisk og magnetisk vektor (felt) vinkelrett påhverandre i bevegelsesretningen. Lys har en dualisme og kan betraktes enten som en bølge eller en partikkel (foton, lyskvant) i et elektromagnetisk felt, og det er ingen motsetninger i disse betraktningsmåtene.

Lys kommer fra solstråling , kunstige lyskilder, luminiscens fra eksitasjon, eller fra inkandescens (gløding) ved høy temperatur.

Eddison

Følgende fenomener kan beskrives som bølgenaturen til lys:

1) Refraksjon (lysbrytning) som er endring i retning (bøyning) som skjer når lys passerer fra et medium til et annet og lyshastigheten og retningen på lysbølgene endres. Brytning mellom overflaten mellom glass og luft gjør det mulig å lage linser. Lys brytes når det passerer fra luft til cellevegg og cytoplasma i bladene. Lyset brytes også mange ganger innen bladet. Forskjellige bølgelengder av lyset brytes forskjellig når de passerer gjennom et prisme og bølgelengdene atskilles i et spektrum.

Frimerke Newton

2) Diffraksjon (lysbøyning) beskriver fenomener som skjer når bølger går rundt og passerer objekter som er i størrelsesorden lik bølgelengden på lyset. Diffraksjon er endringen som strålingen får da den passerer kanten på et tett legeme, gjennom en pore eller spalte eller reflekteres fra en overflate eller fra atomplan i en krystall. Det er forskjell på diffraksjon og interferens. Det er mange typer diffraksjon: bl.a. Fresnel-diffraksjon og Fraunhofer-diffraksjon (Joseph von Fraunhofer 1787-1826).

Fraunhoferlinjer

Fraunhoferlinjer er mørke bånd i spektret for solstråling, og skyldes at forskjellige bølgelengder av lyset absorberes av grunnstoffer som plasma i solatmosfæren. Linjene ble først oppdaget av William Hyde Wollaston.

Fresnel

Jfr. Fresnel-linse i overhead-prosjektor og i fyrlykter (Augustin-Jean Fresnel 1788-1827)

Et diffraksjonsgitter består av en rekke tynne linjer tett inntil hverandre på en gjennomsiktig overflate. Brukes til å lage et lysspekter, for eksempel i et spektrofotometer.

3) Interferens er et fenomen som gir forsterkning når bølgetopper for forskjellige lysbølger ligger oppe på hverandre og er i fase, eller gir forsvakning når lysbølgetoppene er ute av fase med hverandre. Interferens oppstår når forskjellige bølger virker sammen. Tykkelsen på hinnen er størrelsesorden lik bølgelengden til lyset. Olje, bensin eller diesel på en vannoverflate.

Interferens fra CD-plate

Interferens fra overflaten på en CD-plate. Når hvitt lys treffer platen vil noe av lyset bli reflektert og noe vil gå inn i platebelegget og bli reflektert.  

Et interferensfilter har et tynt lag med et reflekterende medium på en glassplate. Tykkelsen er slik at bare visse bølgelengder av lyset slipper igjennom. Fargemønsteret på en CD/DVD-plate, såpebobler, oljehinne på vann, fjærene hos påfuglhannen, stær eller sommerfuglvinger skyldes interferens i tynne hinner (tynnfilminterferens), og er ikke diffraksjon

4) Polarisasjon. Lysbølgene vibrer normalt i mange retninger i rett vinkel på bevegelsesretningen som lyset brer seg fram i rommet. Lyset sies å være polarisert når lyset vibrerer i ett plan (planpolarisert lys). Lys blir polarisert når det passerer gjennom polarisasjonsfiltere eller blir reflektert. Når lys blir brutt i vanndråper og skaper en regnbue vil man se at lyset er polarisert. Se på regnbuen gjennom  glassene på polaroid-solbriller og drei solbrillene rundt.

5) Refleksjon er delvis eller fullstendig tilbakekasting av lysbølger fra en overflate. Vegetasjonen er grønn fordi den grønne delen av spektret blir reflektert og lite absorbert av peigmentene i bladet, mens bølgelengdene tilsvarende blått og rødt lys blir absorbert av klorofyll. Noe blått lys blir i tillegg absorbert av karotenoider.

Lysregistrering

Lys gir virkning på planter via:

1) Lyskvantitet - fotofluksen (lysintensiteten)

2) Lyskvalitet - spektralfordeling og fotonforhold ved forskjellige bølgelengder

3) Retningen som lyset kommer fra - fotongradient

4) Varighet av lyset - tid i lys eller mørke. Fotoperiodisitet og cirkadiske rytmer. Lysglimt på skogbunnen.

5) Polarisasjon av lyset - organisering av fotoreseptorer i membranen.

Plantene registrerer lys ved hjelp av pigmentsystemer og er en del av fotobiologien:

1) Ringformete tetrapyrroler (klorofyll med chelatert magnesium og cytokrom med chelatert jern. Feofytin, protoklorofyllid).

2) Lineære tetrapyroller (fotokrom, fykoerythrin, fykocyanin, allofykocyanin).

3) C40-isoprenoider (karotenoider (karotener og xanthofyller).

4) Flaviner (riboflavin, pteriner, kryptokrom, fototropin, UV-A reseptor, zeitlupe).

5) UVR8 UV-B reseptor

6) Neokrom

7) Rhodopsiner

I tillegg inneholder plantene en lange rekke fargete forbindelser (flavonoider (antocyaniner), betacyaniner, anthrakinoner, m.fl., hvorav noen er fotosensitiserende). Dyr kan produser lys (bioluminiscens).

Partikkelnaturen til lys

Elektromagnetiske felt med bølger og partikler er egentlig det samme. All materie har både partikkel- og bølgenatur. Vi kan også betrakte elektromagnetisk stråling og elektroner som partikler, enheter som ikke kan deles ytterligere. Ved den fotoelektriske effekt vil et elektron kunne bli kastet ut fra en overflate når en partikkel med riktig lysenergi blir absorbert. Det er frekvensen til lyset som avgjør om et elektron slås løs eller ikke. Lyspartikkelen (lyspakken) med energi kalles et foton eller et lyskvant.

Elektromagnetisk stråling

Energien til et foton er gitt ved bare faste kvanitifiserte verdier

Energi til et lyskvant

hvor h er Plancks konstant 6.626 10-34 J s som angir energien til hvert kvant, 

Planck

\(\nu\) (ny) er frekvensen til lyset (vibrasjoner eller bølger per sekund, Hz), c er lyshastigheten (3.00 108 m s-1 i vakuum), \(\lambda\) (lambda) er bølgelengden til lyset.

Energien til et mol fotoner får vi ved å multiplisere med Avogadros tall N

Energi til ett mol fotoner

Et elektron har på samme måte som lys både partikkel- og bølgenatur. Skygge er når noe står og skygger for lyset. Lysspredning har vi når lys spres av små partikler. Blått lys spres mer enn rødt.

Farge Bølgelengde ( ) nml Eksempel på (nm)l Frekvens (Hz 1014 Energi (kJ mol -1)
Ultrafiolett 300 - 400 260 11.54 460
Fiolett 400 - 425 410 7.31 292
Blå 425 - 490 440 6.82 272
Grønn 490 - 560 510 5.88 242
Gul 560 - 585 570 5.26 210
Oransje 585 - 640 620 4.84 193
Rød 640 - 740 680 4.41 176
Infrarød 740 - 1000 3.00 120

Elektromagnetisk spekter

Spektrum

Tyndall blå

Blå farge som skyldes spredning av lys forårsaket av partikler og kolloider i suspensjon hvor grad av spredning er avhengig av bølgelengden til lyset. Spredningen er avhengig av frekvensen av bølgelengden lyset i fjerde potens (λ-4), på samme vis som Rayleigh-spredning. Det betyr at blått lys med kort bølgelengde spres mer enn rødt lys med lengre bølgelengde. Oppkalt etter fysikeren John Tyndall (1820-1893). Tyndall-effekten er grunnen blålig skjær i melk, eller gjør at mel løst i vann blir blåfarget, mens det rød lyset går mer rett igjennom. Det blå lyset spres vekk fra retningen på lysstrålen. Størrelsen av partiklene kan variere fra 40 – 900 nm, sammenlignet med bølgelengden til lyset ca. 400-750 nm. Lyset som blir spredd vinkelrett på lysretningen er polarisert.

Rayleigh-spredning (Lord Rayleigh (1842-1919) gir diffus skystråling, og det er er spredning av lyset i partikler i atmosfæren som gjør  at himmelen er blå og solnedgangen blir rødfarget. Rayleigh-spredning gir signaltap i optiske fibre. Rayleigh-spredning er elastisk slik at de spredde fotonene beholder samme frekvens og bølgelengde. Rayleigh-spredning gjør at sotpartiklene fra oljen i en totaktsmotor gir en blåfarget eksos.

Rødfarget solnedgang januar 2020

Rødfarget solnedgang hvor parikler i atmosfæren (is, luftforurensninger) sprer lyset, blått lys spres mest, rødt minst og kommer fram til vårt øye.

Mie-spredning (Gustav Mie 1869-1957) er spredning av lys fra homogene kuler.Raman-spredning (CV Raman 1888-1970) omhandler fotononer og fononer  og gjør at noen av fotonene som beveger seg gjennom transparent materiale spres uelastisk, mens de fleste går via Rayleigh-spredning. Ved uelastisk spredning endrer frekvensen og bølgelengden  seg  i vekselvirkning med stoff (Raman-effekt) , og man ser på frekvensfordelingen av spredt lys. Et fonon (gr. phone – lyd, stemme) er et akustisk lydkvant for elastiske svingninger i fast stoff. På samme vis som en lyspartikkel, foton, svinger i et elektromagnetisk felt, så kan atomer i stoffer svinge omkring en likevektsposisjon.

Brillouin-spredning (Léon Brillouin 1889-1969) er lysspredning i transparent materiale med forskjellig brytningsindeks som skyldes forskjellig grad av sammenpresning.  Spredningen er uelastisk og fotonet kan miste energi (Stoke prosess) og gi opphav til kvasipartikler (fonon, polaron, magnon). Fotonet kan også motta energi (anti-Stoke prosess).

Perlemorskyer Bærum januar 2020

Perlemorskyer i stratosfæren, Bærum 9.1.2020.

Elektromagnetisk felt, bølger og partikler

Elektromagnetiske stråling er oscillerende elektromagnetiske bølger eller partikler (fotoner, kvanter)  i et elektromagnetisk felt. Elektromagnetisk stråling omfatter rekken med økende bølgelengde: gammastråling, røntgenstråling, ultrafiolett stråling, synlig lys, infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger som i vakuum beveger seg med lyshastigheten. Plasseringen av den elektromagnetiske strålingen i det elektromagnetiske spekteret er bestemt ut fra frekvensen til oscilleringen eller bølgelengden, avstanden mellom to hosliggende bølgetopper. Elektromagnetisk stråling fra synlig lys og utover er ikke-ioniserende stråling, siden strålingen ikke har nok energi til å ionisere molekyler eller bryte bindinger.

Det elektriske og magnetiske feltet til den elektromagnetiske strålingen følger alltid samme fase, og de er vinkelrett på hverandre i bevegelsesretningen til strålingen.  Et elektromagnetisk felt beveger seg med lyshastigheten, men de enkelte ladningene som ioner eller elektroner beveger seg sakte. For elektroner kan man tenke seg en slange fylt med klinkekuler (elektroner), og ett og ett elektron flytter seg gjennom ledningen. Akselerasjon av ladete partikler gir elektromagnetiske bølger. Det var dette italienske Guglielmo Marconi (1874-1937) oppdaget med trådløs radiokommunikasjon at hvis det ble produsert gnister i gapet mellom to spenningsførende  elektroder så ble det i tillegg til lys og varme, som er elektromagnetisk stråling, også laget radiofrekvente bølger (radiobølger ). Radiobølgenekunne mottas i en enkel radiomottaker (koherer) hvor det skjedde en endring i elektrisk mostand når de ble utsatt for radiobølger. Bølgene og partiklene bringer med seg energi. Energien til fotoner er kvantisert gitt ved Plancks ligning, hvor E er energien til hvert enkelt foton.

Maxwells ligninger viste at ladninger og elektrisk strøm lager elektromagnetiske felt, jfr. Faradays magnetiske feltlinjer vist med jernfilspon omkring en magnet. Strøm gir et magnetisk felt (magnetisk dipol  mellom N og S), jfr. en kompassnål nær en elektrisk leder med strøm. Bevegelse av ladninger i en leder hvor det er endring i elektrisk potensial lager et elektrisk felt (elektrisk dipol med atskillelse av positive og negative punktladninger som ligger nær hverandre, jfr. protoner og elektroner, hvor like ladninger frastøter hverandre og ulike ladninger tiltrekker hverandre.

Forholdet mellom bølgelengde λ (lambda)  og frekvens ν (nu)  og lysets hastighet (c; c=celeritas lat.- hastighet) er gitt ved:

\(\lambda \nu=c\)

For eksempel er frekvensen for blått lys med bølgelengde 440 nanometer (nm) lik

6.82·1014 Hz (1 Hertz ( Hz) er 1 svingning pr. sekund)

Hertz

\(\nu=\frac{3 \cdot 10^8\; m\; s^{-1}}{440 \cdot 10^{-9} m}=6.82 \cdot 10^{14}\; Hz\)

Energien (E) til lyset er gitt ved Plancks konstant  h (6.626A10-34 J s, energi∙tid) ganger frekvensen (ν)

\(E= h\nu=\frac{hc}{\lambda}\)

og hvor h er Plancks konstant og ν er frekvensen til den elektromagnetiske strålingen med bølgelengde lambda.

hc= 1240 eV nm og 1 eV= 1.602·10-19 J

For eksempel vil energien til et foton blått lys (440 nm) være:

\(E=\frac{1240}{440}=2.82\; eV\)

Vi er interessert i energien per mol fotoner (N) som er Avogadros tall 6.022·1023 partikler og multipliserer derfor med Avogadros tall.

Avogadro

\(E= Nh\nu=N\frac{hc}{\lambda}\)

Vi skal seinere se at vi omtrent alltid plukker ut ett mol av verden når vi skal beskrive en del av den og beregne per mol. Molbegrepet blir derfor viktig.

Energien til et mol fotoner blått lys (λ=440 nm) vil derfor bli:

E  = (6.022·1023 mol-1)(6.626·10-34 Js)(6.82·1014 s-1 )= 272 kJ mol-1

Det er lyshastigheten i vakuum som er den høyeste mulige. Hvis lyset beveger seg inne i bladet blir lyshastigheten lavere. I vann er lyshastigheten ca. 225.600 km s-1

Det er fem  måter lyset er viktig for plantene:

1)  Termiske effekter: energiutveksling mellom plantene og omgivelsene (strålingsbalanse).

2)  Fotosyntese som er hovedkilden til fri energi i biosfæren.

3)  Fotomorfogenesen hvor kvantefluks og spektralfordeling påvirker plantenes vekst og utvikling. Lyset er et    signal til plantene som brukes til å optimalisere vekst og utvikling under de gjeldene miljøbetingelser.

4)  Skader og mutasjoner av UV-stråling.

5)  Fotoinhibering og fotooksidasjon ved høye kvanteflukser.

Solkonstanten og Stefan-Bolzmanns lov                      

   Radiometrisk måling av sollyset som treffer stratosfæren normalt på  jordoverflaten ved middelavstand fra sola  er 1370 W m-2. Denne kalles solkonstanten. Den varierer med ± 3.5 % fra juli til januar.

En klar solrik dag treffes jorda av opptil 420 W m-2, og maksimal lyssfluks er ca. 1800 μmol m-2s-1 (PAR), i gjennomsnitt ca. 342 W m-2 over den belyste jordhalvkula.

Hvis 420 W m-2 bare hadde vært grønt lys 510 nm (242 kJ mol-1 ) ville det tilsvare

 420 W m-2/210 kJ mol-1   =  2A10-3 mol m-2s-1 = 2000 μmol m-2 s-1

Ifølge Planck vil alle objekter med temperatur over det absolutte nullpunkt (0 K) sende ut elektromagnetisk stråling avhengig av overflatetemperaturen. Total mengde utstrålt energi er i fjerde potens av absolutt temperatur og denne sammenhengen uttrykkes i Stefan-Bolzmanns lov.

Energifluksen J for et svart legeme angitt som mengde stråling per areal og tidsenhet (Wm-2) og tilsvarer arealet under spektralfordelingskurven ved en gitt temperatur:

\(J=\epsilon \sigma T^4\)

hvor ε er emisivitet som =1 for et svart legeme, σ er Stefan-Bolzmanns konstant lik

5.7⋅10-8 W m-2 K-4T er absolutt temperatur K (temperatur i oC + 273.16)

Bladet fungerer ikke som et svart legeme, men har en viss utsendelse (emittanse). Siden bladet har to sider blir den utsendte varmestråling det doble av det Stefan-Boltzmanns lov angir. 1 W = 1 J⋅s-1

W⋅m-2=J⋅m-2 s-1

Emisjonsevne (emisivitet) ε til et objekt er forholdet mellom emisjonen til legemet og emisjonen til et svart legeme ved samme temperatur. ε = 1 for et svart legeme.

Absorpsjonsevne  a er forholdet mellom absorbert stråling og stråling som treffer objektet. a=1 for et svart legeme.

  Et grått legeme sender ut/absorberer en konstant andel mindre enn et svart legeme over hele bølgelengdeområdet. En selektiv utstråler har selektiv absorbsjon i forhold til et svart legeme. Et blad er derfor en selektiv utstråler i synlig lys og et grått legeme i langbølget lys (a,ε=0.96).

   Den langbølgete IR-strålingen som sendes ut fra jorda har et emmisjonsvindu 8-14 mikrometer (μm).

Litteratur:

Wikipedia

Noe av teksten er hentet fra Økologi

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:34 - Sist endret 9. jan. 2020 14:23