Lys som fysisk fenomen Anne Bruvold Astronom og pedagogisk leder

Innhold Historikk Fysikk Demonstrasjoner Aktiviteter - I lett blanding

Isaac Newton Fargelære tallet Fant "rene" farger som ikke kunne spaltes opp i flere farger 7 farger i spekteret (ROGGBIF)

Isaac Newton Når lyset først er delt opp i farger, kan det ikke deles opp i flere farger. Disse fargene kalles spektralfarger

William Herschel Mest kjent for å ha oppdaget Uranus Oppdaget infrarødt lys ved en tilfeldighet i 1800 Fant at varmestrålene oppførte seg som vanlig lys (refleksjon, absorbsjon, brytning), og dermed var en type usynlig lys. Reproduksjon av forsøket: chel/backyard.html chel/backyard.html

Johann Wilhelm Ritter Oppdaget ultrafiolett lys i 1801 Var i gruppen knyttet til Romantische Naturphilosophie og utforsket polariteten til ulike naturkrefter Begynte å lete etter kuldestråler etter å ha hørt om varmestrålene til Herschel Fant at sølvklorid mørknet raskere i den mørke delen av solspekteret ved fiolett

Det elektromagnetiske spekteret

Lysets egenskaper Innledende aktivitet

Oppsummering innledende aktivitet Lysgang uten maske

Oppsummering innledende aktivitet Lysgang med maske

Manglede avbildning Punktformet maske

Lys og skygge ved solformørkelser

Lysets egenskaper - refleksjon Innfallsvinkel = refleksjonsvinkel

Lysets egenskaper - brytning Lyset endrer retning når den optiske tettheten endres. Brytningsindeksen til et stoff er forholdet mellom lysets hastighet i vakuum ( c ) og i stoffet. Brytningsindeksen er avhengig av bølgelengden til lyset Eksempler på brytningsindekser: Vakuum: 1 Luft: 1, (0°C, 1 atm) Vann: 1,33 Plexiglass: 1,49 Glass: rundt 1,55 Diamant: 2,42 = 589 nm, 20°C

Lysets egenskaper - brytning

Lysets egenskaper – brytning

Atmosfærisk refraksjon

Brytning vs refleksjon Hvor mye lys som reflekteres og hvor mye som brytes, kommer an på vinkel og stoff.

Total refleksjon

Optisk kabel

Lysets egenskaper og prisme Brytningsindeksen er avhengig av stoff og bølgelengde Index of Refraction for Borosilicate Crown Colorwavelength (nm)Index of Refraction Red Yellow Green Blue Violet

Lysets egenskaper – interferens

Diffraksjon

Diffraksjon og interferens Interferens mellom bølgene lager lyspunkter - difraksjonsmønster 0. orden 1. orden 2. orden

Diffraksjon – avstand mellom spalter Større avstand mellom hullene minker vinkelen mellom lyspunktene

Diffraksjon - farger Større bølgelengde øker vinkelen mellom lyspunktene

Diffraksjonsgitter

Prisme vs gitter

Prisme Blått lys brytes mest Blått lengst fra innfallsstrålen En (brutt) strålebunt Diffraksjonsgitter Blått lys brytes minst Blått lys nærmest primærstrålen Flere strålebunter

Polarisasjon Polarisasjon er en egenskap lys har Sier noe om hvordan bølgene svinger Kan endres med refleksjon og filter

Polarisasjon Polarisasjon kan påvirkes av finere strukturer i stoffet det går gjennom Kan brukes til å finne stress i plast og glass Kan brukes til å identifisere krystaller

Regnbuen(e) Brutt lys Reflektert lys Polarisert lys Interferens

Regnbuen Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1267–1319) Primær: To brytninger og en refleksjon Roger Bacon, Opus Majus, 1268 Beregnet vinkelen til primærbuen Theodoric of Freiberg, 1307 Sekundær: To brytninger og to refleksjoner Rene Descartes, Discourse on Method, 1637 Eksperimenterete med lysstråler og en kuleformet flaske

Regnbuene

Regnbuen – kan regnes på 11 11 11  22 22 22 11 22 33 11 22 11  22 22 22 11 22 44 22 22 22 Primærbue Sekundærbue

Regnbuen – et excel eksperiment =ASIN(B3) (radianer) =ASIN(B3) (radianer) =ASIN(SIN($C3)/$A$7) =ASIN(SIN($C3)/$A$3) (radianer) =ASIN(SIN($C3)/$A$3) (radianer) =(4*D3-2*$C3)*180/PI() (grader) =(4*D3-2*$C3)*180/PI() (grader) =(2*$C3-6*D3+PI())*180/PI() (grader) =(2*$C3-6*D3+PI())*180/PI() (grader) =ASIN(SIN($C3)/$A$5) 11 h

Regnbuene

James Clerk Maxwell Viser at bølger i elektromagnetisk felt brer seg med lysets hastighet og foreslo at synlig og usynlig lys var elektromagnetiske bølger ( )

Jožef Stefan og Ludvig Boltzmann

Wilhelm Wien

Max Planck

Albert Einstein Forklarer fotoelektrisk effekt med at lys kommer i separate energipakker (1905) Disse energipakkene får senere navnet foton Får Nobelpris for dette arbeidet i 1921

Lys som bølge og partikkel Bølge Diffraksjon Polarisasjon Bølgelengde Hastighet c = m/s

Detaljer i lysspektre

Joseph von Fraunhofer Fine mørke linjer i lyset fra sola (1814) Fraunhoferlinjene

Robert Bunsen og Gustav Robert Kirchhoff Spektralanalyse av kjemiske stoffer (1859) Sammenhenge mellom emisjons- og absorpsjonsspektre (1860)

Kirchhoffs lover Et varmt ugjennomsiktig legeme (sort legeme) stråler ut lys i et kontinuerlig spekter En varm gjennomsiktlig gass stråler ut lys på utvalgte bølgelengder (emisjonsspekter) En kald gjennomsiktlig gass framfor en kilde med kontinuerlig lysspekter, produserer et absorpsjonsspekter

Spektertyper

Gustav Kirchhoff

Varmestråling – planckkurver "Sort" legeme – lyser på grunn av temperaturen T fra 3000 til K

Solas spektrum bølgelegdeKjemisk (nm)Opprinnelse A759,37atmosfærisk O 2 B686,72atmosfærisk O 2 C656,28H  D1589,59nøytralt Na (sodium) D2589,00nøytralt Na (sodium) E526,96nøytral Fe F486,13H  G431,42CH-molekyl H396,85ionisert Ca K393,37ionisert Ca

Kosmisk mikrobølgestråling Universet er fylt av stråling som følger Planks strålingslov for et legeme med en temperatur 2,726 K 1965 Penzias og Wilson 1992 COBE 2003 WMAP 2013 Planck

Emisjonsspekter – hvordan det oppstår

Emisjonsspekter Hydrogen (Balmerserien) Jern

Kontinuerlig lysspekter Uendelig mange enerigoverganger (kvantemekanisk) Hvilke som dominerer er avhengig av temperaturen i materialet

Absorbsjonsspekter Foton med rett energimengde eksiterer elektronet (dytter det opp i et høyere energinivå)

Stimulert emisjon – Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1.Gain medium 2.Laser pumping energy 3.High reflector 4.Output coupler 5.Laser beam

Lys rundt oss

Belysning Termisk stråling Flamme Glødepære Emisjon Lysstoffrør/sparepærer Emisjon fra gass (UV) Re-emisjon fra fosfater på glasset LED pærer Emisjon fra halvledere

Nytt "lysmål" for pærer: lumen Glødelampe Watt-Lumen 15 W ≈ lm 25 W ≈ lm 40 W ≈ lm 60 W ≈ lm 75 W ≈ lm 100 W ≈ lm 150 W ≈ lm 200 W ≈ lm Lumen (lm): 1 lm = 1 cd·sr = 1 lx·m 2 Candela (ca): lysstyrken fra ett stearinlys Én candela er lysstyrken i en gitt retning til en lyskilde som sender ut monokromatisk lys med frekvens 540 × Hz, og med strålingsstyrke i den gitte retningen lik 1/683 watt per steradian. monokromatisk lysHzwattsteradian Lux (lx): 1 lx = 1 lm/m² En lumen per kvadratmeter.

Lys i naturen – blå himmel og rød solnedgang Lyset fra sola spres i jordas atmosfære Det blå lyset spres mest Når sola går ned, går lyset gjennom et tykkere lag av atmosfæren og mangler mer av det blå lyset

Bioluminescens Lysproduksjon vha kjemiske prosesser i dyr

Mobilen som spektroskop 1.Du trenger dorull, pappsirkel med samme diameter som dorullen, vanlig matt tape, eltape liten bit gitter, og en mobil 2.Kutt pappbiten i to. Legg bitene slik at de er litt fra hverandre og ha en tapebit over åpninga mellom delene. 3.Tape pappbiten til den ene enden av dorullen. Pass på at spalten ikke lukkes. 4.Ha tape langs to av kantene til gitterbiten og tape den over linsa til kameraet på mobilen 5.Hold dorullen over kameraet og drei den slik at du får et fing spekter. 6.Dokumenter ved å ta bilde. 7.Spektroskopet kan også brukes uten kamera. Bruk da el-tape til å holde gitteret fast over åpninga motsatt av spalten

Mobilen som spektroskop Sollys Lysrør LED