Światłem widzialnym określa się zakres promieniowanie elektromagnetycznego rejestrowanego przez ludzkie oko. Zakres ten obejmuje długości fal od ok. 400 nm. do ok. 700 nm., od barwy fioletowej do barwy czerwonej.

Światło to tylko niewielki wycinek częstotliwościowy ze wszystkich fal elektromagnetycznych. Ich pełen podział przedstawiono w poniższej tabeli:

Nazwa promieniowania

Długość fali [m]

Częstotliwość fali [Hz]

Fale radiowe

105 - 10-4

103 - 1011

Mikrofale

10-1 - 10-3

109 - 1012

Promieniowanie podczerwone

10-3 - 10-6

1012 - 1015

Światło widzialne

4*10-6 - 7*10-6

1014 - 1015

Promieniowanie ultrafioletowe

10-7 - 10-9

1015 - 1017

Promieniowanie Rentgena

10-9 - 10-13

1017 - 1021

Promieniowanie gamma

10-10 - 10-13

1019 - 1021

O świetle nie można jednoznacznie powiedzieć, czym tak naprawdę jest. Ponieważ w niektórych zjawiskach, kiedy światło oddziałuje w sposób bierny z materią, ( gdy światło nie zmienia swojej długości fali ) zachowuje się tak jakby było falą. Są to zjawiska odbicia i załamania, interferencja i dyfrakcja światła, a także fakt istnienia polaryzacji światła. Z drugiej strony w przypadkach kiedy światło oddziałuje w sposób czynny z materią, ( gdy długość fali światła ulega zmianie ), czyli w przypadkach zjawiska fotoelektrycznego, jonizacji czy absorpcji promieniowania, światło zachowuje się tak jakby było strumieniem cząstek - tzw. fotonów. Tą dwuznaczność natury światła określa się mianem dualizmu korpuskularno - falowego. Tak więc najwygodniej przyjmować światło jako strumień cząstek - fotonów, które przejawiają własności falowe.

Światło widzialne dla oka może być światłem złożonym lub też monochromatycznym. Światło złożone jest sumą wielu długości fali, a raczej wąskich przedziałów długości fali. Przykładem światła złożonego jest światło białe, docierające do nas z żarówki. Charakteryzuje się tym, iż każdy wąski przedział długości fali ma takie samo natężenie. Rozkład energii w zależności od długości fali jest jednorodny. To jest taki sam efekt jak w przypadku zmieszania trzech barw: żółtej, czerwonej i niebieskiej.

Przeciwieństwem światła złożonego jest światło monochromatycznego. Tutaj w odróżnieniu, takie światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym o jednej ściśle określonej długości fali. Wytworzenie takiego światła nie jest sprawą prostą z wielu przyczyn. Przykładem źródła światła monochromatycznego jest laser.

Sposób propagacji i zachowania się fal elektromagnetycznych w danym ośrodku bardzo dobrze opisują równania Maxwella. Jak na początku stwierdzono fala to rodzaj zaburzenia ośrodka. Dlatego też wiele jej parametrów takich jak jej prędkość, natężenie a nawet polaryzacja, zależeć będzie od własności tegoż ośrodka. Bardzo ważnym tutaj zjawiskiem związanym z ośrodkiem jest dyspersja, czyli zależność prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku od jej długości fali.

Ponieważ światło jest falą elektromagnetyczną, także istotną rolę będą tutaj odgrywać zjawiska typowe dla fal, czyli interferencja, dyfrakcja, ale także odbicie i załamanie na granicy dwóch ośrodków. Jednak tak jak każda fala musi mieć jakąś przyczynę, która jest źródłem powstającego zaburzenia, tak samo też musi być w przypadku fal elektromagnetycznych. Bardzo ciekawym tutaj wyjaśnieniem mechanizmu wzbudzania fal elektromagnetycznych jest model drgającego dipola Hertza. Modelem takiego dipola jest odcinek przewodnika o określonej długości l - odpowiadającej długości fali powstałej fali elektromagnetycznej. Oczywiście jak każdy dipol, ten także ma sumaryczny ładunek równy 0, a wielkością go charakteryzującą jest tzw. moment dipolowy. Działanie takiego dipola sprowadza się do wytworzenia pewnego rodzaju strefy falowej, w której to propagują się fale elektromagnetyczne o polaryzacji liniowej.

Jako że fale elektromagnetyczne mogą powstać w różny sposób, oraz ich zarejestrowanie także różni się wprowadzono kilka ich podziałów głównie ze względu na ich długość fali, ale także sposób ich oddziaływania z materią. Tak więc mamy tutaj fale elektromagnetyczne niskich częstotliwości, fale radiowe służące do komunikowania się na duże odległości. Mamy także mikrofale, które znalazły swoje zastosowanie w telefonii komórkowej, a także w kuchenkach mikrofalowych. Dalej zwiększając zakres długości fal mamy światło widzialne, oraz obszary ultrafioletu i podczerwieni nie widzialne dla oka ludzkiego. Różne długości fal światła widzialnego oko ludzkie rejestruje jako różnego rodzaju barwy. Mamy także promieniowanie rentgenowskie oraz promieniowanie gamma, stosowane w medycynie. Fale o najkrótszych długościach fali obserwowane są w promieniowaniu kosmicznym. Sposób oddziaływania fal elektromagnetycznych z materią jest silnie uzależniony od ich długości fali. Dla fal ultrakrótkich dominują procesy kwantowe.

Barwa światła.

Wrażenie barwy, koloru, jest reakcją oka ludzkiego na długość fali rejestrowanego promieniowanie widzialnego. Promieniowanie widzialne zawiera się w zakresie długości fal od 400 do 700 nm., co oko rozpoznaje jako barwy od fioletu do czerwieni. Najdłuższa długości 620 - 720 nm. oko rozpoznaje jako odcienie czerwieni, fale o długościach z zakresu 570 - 575 nm. jako kolor żółty, 495 - 560, to według naszego okaz barwy zieleni, trochę węższy zakres ma barwa niebieska bo od 470 - 480 nm. Najkrótsze długości fal światła widzialnego ma barwa fioletowa 440 - 400 nm. Złożenie kilku różnych długości fal daje światło złożone. Zmieszanie ich wszystkich daje światło białe.

Promieniowanie Roentgena

Odkryte zostało w 1895 r. przez W. K. Roentgena. Za to odkrycie dostał w 1901 r. nagrodę Nobla. Roentgen odkrył to promieniowanie gdy badała promieniowanie katody. W czasie swoich badań z rurą katodową znajdował się w pobliżu ekran powleczony platynocyjankiem baru. Roentgen spostrzegł, iż ekran ten świeci gdy rura katodowa działała. Zauważywszy to zjawisko zaczął je bliżej badać zasłaniając katodę różnymi materiałami, takimi jak klisza fotograficzna, czy czarny papier. Jednak w każdym przypadku ekran nadal świecił. Podczas dalszych badań stwierdził, iż promieniowanie które obserwował przechodzi także przez inne ciała, które dla zwykłego światła są nieprzezroczyste. Odkryte przez siebie promieniowanie nazwał promieniami X. W dzisiejszych czasach promieniowanie X jest wytwarzane przez 2 urządzenia, specjalne lampy. Jedną z nich jest tzw. jonowa lampa rentgenowska. Lampa ta to nic innego jak niewielka, (średnica ok. kilku - kilkunastu cm) szklana bańka, w której znajduje się gaz będący pod niskim ciśnieniem rzędu dziesiątych części Pa. W takiej bańce znajdują się trzy elektrody - anoda A, katoda K i antykatoda T. Anoda jest bezpośrednio połączona z antykatodą, w ten sposób umożliwiając przepływ elektronów. Katoda ma natomiast kształt wklęsłej miseczki. Lampa działa w ten sposób, że na początku ustala się bardzo wysokie napięcie na układzie anoda - antykatoda, napięcie rzędu dziesiątek tysięcy Woltów. W szklanej bańce znajdują się jony dodatnie, które rozpoczynają bombardowanie katody. Wskutek tego z katody wyzwalane są elektrony. Elektrony te z racji wklęsłego kształtu katody, tworzą zbieżny strumień który pada na mały ściśle określony obszar antykatody. Gdy elektron uderza w powierzchnię antykatody, zostaje wyhamowany ponieważ trafia na atomy pierwiastka z którego zbudowana jest antykatoda. Wskutek hamowania elektrony tracą swoją energię, wypromieniowując ją w postaci promieniowania hamowania - promieniowania roentgena. Tak powstałe fotony mają swoją określoną energię i częstotliwość, tym większą im szybciej elektron zostaje wyhamowany. Maksymalna energia jest wypromieniowana wtedy gdy elektron zostaje całkowicie wyhamowany przez atom. Maksimum tej energii i jednocześnie graniczną długość fali promieniowania określa pole elektryczne w jakim przyspieszane są elektrony.

Charakterystyczne widmo promieniowania X.

Gdy elektron uderza w powierzchnię antykatody, może część swojej energii przekazać elektronom atomu w który uderzył. Jeśli energia przekazana jest wystarczająco duża może spowodować wybicie elektronu z atomu. Tak wybity elektron, może całkowicie zostać uwolniony i opuścić atom, ale równie dobrze może przeskoczyć do atomów znajdujących się wewnątrz elektrody, tam gdzie znajdują się wolne miejsca na powłokach. Jako, że energie padających elektronów są bardzo duże, wybite elektrony mogą pochodzić także z wewnętrznych powłok energetycznych atomu. Gdy taki elektron opuści atom, jego miejsce natychmiast zajmuje atom z wyższych powłok. Natomiast nadwyżka energii wypromieniowana jest w postaci fotonu. Promieniowanie tak emitowane jest promieniowaniem liniowym i także jest promieniowaniem X.

Właściwości promieniowania rentgenowskiego.

Promieniowanie rentgenowskie rozchodzi się po liniach prostych, potrafią zjonizować powietrze. Nie są rejestrowane przez oko ludzkie, ale jak to pokazał Roentgen mogą powodować fluorescencję. Z racji tego, iż promieniowanie to może być pochłaniane przez określone pierwiastki, i że powodują zaczernienie kliszy fotograficznej, odgrywa bardzo istotną rolę w medycynie przy diagnostyce. Promieniowanie X odegrało także fundamentalną rolę w badaniu struktury kryształów.

Promieniowanie podczerwone.

Zostało wykryte w 1800 roku przez J. F. Herschel'a, ale dopiero M. Malloni w 1834 zbadała je dokładnie, określając jego odbicie i załamanie. A w 1864 K. H. Knoublach badał jego dyfrakcję, interferencję i dokonał pomiaru jego długości fali. Promieniowanie podczerwone, określane skrótowo podczerwienią lub IR (ang. Infrared radiation ), jest promieniowanie o trochę niższych częstotliwościach niż promieniowanie widzialne. Zakres długości fal podczerwieni obejmuje obszar od barwy czerwonej światła widzialnego do krótkofalowych fal radiowych. Podczerwień dzieli się na podczerwień bliską średnią i daleką, podział ten opiera się na długościach fal. Oko ludzkie nie rejestruje promieniowanie podczerwonego. Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez nas i przez naszą planetę. Jednak jest ono pochłaniane przez gazy znajdujące się w atmosferze. Przykładem tutaj jest pochłanianie promieniowania podczerwonego przez dwutlenek węgla, co przy jego powiększającej się ilości jest przyczyną istnienia efektu cieplarnianego. Z drugiej strony atmosfera zatrzymując to promieniowanie zapobiega zbytniemu wychłodzeniu się naszej planety. Promieniowanie podczerwone może być trzech rodzajów, w zależności od mechanizmu jego powstawania. Rozróżniamy promieniowanie ciągłe, pasmowe i liniowe. Np. promieniowanie podczerwone liniowe powstaje w wyniku przejścia energetycznego atomu, pomiędzy bliskimi poziomami. Takie promieniowanie emitują atomy rtęci, które jest wykorzystywane przy różnego rodzajach kalibracjach spektrometrów. A także niektóre linie widmowe wodoru znajdują się w podczerwieni.

Źródła promieniowania podczerwonego:

- źródła naturalne - wszelkie ogrzane przedmioty, ciała i istoty żywe.

- źródła sztuczne - różnego rodzaju specjalistyczne lampy żarowe. Lampy takie to zasadniczo bańki w środku której za pomocą różnych metod jest wytwarzana podczerwień. Bańki takie jednak powleczone są jednak specjalną warstwą materiału, który nie przepuszcza promieniowania podczerwonego, dzięki czemu możliwe jest skupienie wiązki w określonym kącie bryłowym. W zależności od rodzaju promieniowania podczerwonego, bliskiego, średniego czy dalekiego, różne są metody jego wytwarzania. Dla podczerwieni bliskiej używa się lampy z tzw. wstęgą wolframową. Aby otrzymać podczerwień średnią stosuje się palnik Nernsta, lub rozżarzonej prądem wstęgi platynowej. Jeśli potrzebujemy podczerwieni dalekiej to najlepiej do tego celu użyć kwarcowej lampy rtęciowej pod wysokim ciśnieniem.

Oko ludzkie nie jest w stanie rejestrować promieniowania podczerwonego, jednak ciało ludzkie może odczuwać jego energie w postaci ciepła. Jednak nie jest to metoda zadowalająca, dlatego też powstało wiele urządzeń specjalizujących się w wykrywaniu promieniowania podczerwonego.

- detektory termoelektryczne - działają na zasadzie zmiany oporu elementu wystawionego na działanie promieniowania podczerwonego w przypadku gdy to promieniowanie ulega zmianie. Elementem takim może być dioda krzemowa, która jest bardzo szeroko wykorzystywana w różnego rodzaju termometrach cyfrowych. Detektory takie działają w całym zakresie długości fal promieniowania podczerwonego.

- detektory fotoelektryczne - działają na zasadzie efektu fotoelektrycznego, a wielkość sygnału bezpośrednio zależy od energii kwantów promieniowania, jakie zostały pochłonięte. Z tego też względu nie pracują one w całym zakresie podczerwieni, lecz tylko w określonym. Jednak są one nawet 100 razy czulsze niż detektory termoelektryczne.

Zastosowanie wykrywania podczerwieni.

Urządzenia wykrywające promieniowanie podczerwone, znalazły ogromne zastosowanie w przemyśle zbrojeniowym. Jako że każde urządzenie poruszające się, oraz człowiek wydziela ciepło, a przy tym także promieniowanie podczerwone, urządzenia wykrywające je, stały się znakomitymi celownikami. Detektory takie stały się istotnymi elementami systemów naprowadzania rakiet i pocisków, które bez trudu namierzają poruszający się samolot odrzutowy. Oczywiście nie tylko samoloty promieniują w podczerwieni, ale także czołgi, łodzie podwodne, wozy opancerzone, wszystkie te pojazdy stały się łatwym celem dla takich detektorów. Dlatego stosuje się swoistego rodzaju wabiki na takie rakiety w postaci różnego rodzaju flar, które mają zmylić detektory promieniowania podczerwonego. Działanie takiego systemu naprowadzania opiera się na umieszczeniu detektora podczerwieni w ognisku zwierciadła parabolicznego, które ogniskuje promieniowanie do niego dochodzące. I gdy detektor zarejestruje promieniowanie podczerwone o temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia, przesyła sygnał do systemu naprowadzania kierując pocisk na cel. Obecnie te systemy traktuje się bardziej jako systemy pomocnicze, niż główne.

Przykładem innych urządzeń wykorzystujących wykrywanie podczerwieni są urządzenia typu noktowizor. W noktowizorze, jednak nie rejestrowano promieniowania emitowanego przez źródło, a tylko odbite promieniowanie wysyłane przez sam noktowizor. Obecnie dzisiejsze noktowizory działają w sposób pasy, nie rejestrują już promieniowania wysyłanego przez siebie, a odbite promieniowanie księżyca i gwiazd. Podobnymi do noktowizorów są kamery termowizyjne wykorzystywane przez policję, straż pożarną czy straż graniczną, a służące do lokalizacji ludzi w ciemnościach, lub dymie.

Wykrywanie promieniowania podczerwonego odgrywa także bardzo ważną rolę w kryminalistyce, w stwierdzaniu fałszywości dzieł i dokumentów. Także przy obserwacjach astronomicznych naziemnych. Bardzo ciekawym i interesującym urządzeniem jest termometr wykorzystujący promieniowanie podczerwone. Ponieważ nie wymaga on kontaktu z przedmiotem badania, znalazł on zastosowanie wszędzie tam gdy nie istnieje możliwość dotarcia do przedmiotu, którego temperaturę chcemy określić. Tak jest w przypadku badania stopnia izolacji budynków, dzięki czemu nie trzeba się specjalnie męczyć i dużych pieniędzy wydawać, aby przekonać się gdzie w budynku izolacja jest wadliwie wykonana. Taki termometr, podobnie jak detektor w rakiecie, posiada zwierciadło paraboliczne, które ogniskuje promieniowanie podczerwone. Dzięki tak zwanym detektorom piroelektrycznym, możliwe stało się wykorzystanie detekcji podczerwieni w tworzeniu systemów alarmowych, czy do znanych systemów uruchamiających oświetlenie w przypadku wykrycia ruchu w pewnym obszarze. Promieniowanie podczerwone znalazło także ogromne zastosowanie w technikach telekomunikacyjnych w bezprzewodowej transmisji danych. Obecnie wykorzystuje się je przy połączeniach drukarki, klawiatury, czy myszki z komputerem, a nawet na tej zasadzie działa pilot do telewizora. Coraz więcej telefonów komórkowych, wykorzystuje także tą metodę komunikacji na bliskie odległości. Jak widać promieniowanie podczerwone znajduje ogrom zastosowań w prawie każdej dziedzinie życia człowieka.

Promieniowanie ultrafioletowe.

Krótko nazywane ultrafioletem lub UV (ang. Ultrafiolet). Jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długościach fal krótszych niż światło widzialne, leżących w zakresie od 390 nm. do 10 nm. Tak jak w przypadku możemy tu dokonać rozgraniczenia na ultrafiolet bliski o długościach fal z zakresu 390-190 nm., oraz ultrafiolet daleki o długościach fal z zakresu 190-10 nm. Oko ludzkie nie jest w stanie rejestrować promieniowania ultrafioletowego. Jest ono jednak wysoce szkodliwe dla organizmów żywych, ponieważ bliski ultrafiolet powoduje jonizację atomów. Słońce emituje promieniowanie ultrafioletowe, jednak dzięki powłoce ozonowej, która pochłania większą jego część, nie dociera ono do nas. To czego nie pochłonie warstwa ozonowa, jest pochłaniane przez powietrze w atmosferze.

Laser

Słowo laser pochodzi od pełnej angielskiej nazwy tego wynalazku: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", czyli tłumacząc na język polski jest to wzmacniacz światła wykorzystujący emisję wymuszoną promieniowania.

Laser jest rodzajem urządzenia, które może generować spójne promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, a także podczerwieni i ultrafioletu. Działanie lasera opiera się jak to jest uwzględnione w jego pełnej nazwie na zastosowanie emisji wymuszonej, poprzez odwrócenie (inwersję) obsadzeń w ośrodku, wskutek czego ośrodek ten staje się źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Laser można podzielić na trzy główne elementy, są to: układ pompujący, rezonator i ośrodek aktywny (czynny). Ośrodek czynny znajduje się wewnątrz rezonatora, którego zasadniczymi elementami są dwa biegnące równolegle zwierciadła, płaskie lub sferyczne. Nie są to jednak zwykłe lustra. Ponieważ musi je charakteryzować bardzo niski współczynnik absorpcji, tworzy je się z wielowarstwowych luster dielektrycznych. Zastosowanie układu pompującego powoduje powstanie w tymże ośrodku inwersji obsadzeń. W rezonatorze powstaje fala stojąca. Powstałe w wyniku spontanicznej emisji fotony, przebiegają wielokrotnie pomiędzy zwierciadłami i wymuszają emisję fotonów przez atomy ośrodka czynnego. W ten sposób po chwili, gdy straty staną się mniejsze niż wzmocnienie promieniowania, w rezonatorze nastąpi generacja promieniowania. Promieniowanie to, dzięki ustalonej odległości pomiędzy zwierciadłami, będzie mieć ściśle określoną długość fali - będzie to promieniowanie monochromatyczne. Ważną i bardzo pożądaną cechą tak wyprodukowanego światła jest to, że jest to wiązka bardzo dobrze skoligowana, dzięki czemu moc takiej wiązki na jednostkę powierzchni jest rzędu 100 GW/cm2. Także szerokość widmowa takiego monochromatycznego światła, jest mniejsza niż naturalna szerokość. Swego czasu bardzo popularnymi laserami były lasery helowo - neonowe. W laserze tym rolę ośrodka czynnego pełnił neon, a hel był elementem pompowanym. Inwersje obsadzeń, osiąga się łatwo, ponieważ niższe poziomy wzbudzone atomów neonu już po czasie ok. 10-8 s przechodzą do stanu podstawowego, a zderzenia atomów neonu z atomami helu powodowały wzbudzanie neonu do wyższych poziomów.

W laserach stosuje się różnego rodzaju ośrodki czynne. Z tego powodu rozróżnia się je na lasery: cieczowe takie jak laser barwnikowy, szklane, krystaliczne jak np. laser rubinowy, czy gazowe. Także ze względu na to, w jaki sposób pracują i w jaki sposób działa układ pompujący, można je podzielić na lasery ciągłe i impulsowe. Na szczególną tutaj uwagę zasługują lasery impulsowe z powodu ich bardzo wysokich mocy, jakie mogą osiągnąć. Lasery znalazły ogromne zastosowanie w technice. W dniu dzisiejszym spotykamy się z nimi na każdym kroku. Stosowane są w systemach łączności, lokalizacji i nawigacji satelitarnej. Służą do przeprowadzania precyzyjnych pomiarów, czy do precyzyjnego obrabiania materiałów. Stosuje się je w medycynie, w leczeniu i diagnostyce. Obecny świat komputerów nie mógłby istnieć gdyby nie lasery. Używane są także w fotografii, holografii, sejsmografii, a także w technice wojskowej. W każdej z tych dziedzin ich użycie wprowadziło rewolucyjne zmiany.