Fizyka w moim zyciu i zastosowanie fizyki w życiu codziennym

Rzeczy, które widzimy albo same są źródłem światła, albo odbijają światło pochodzące od innych przedmiotów, albo też przepuszczają promienie świetlne. Na przykład, widzimy Słońce i inne gwiazdy, ponieważ emitują one światło. Większość przedmiotów znajdujących się dookoła nas dostrzegamy dlatego, że odbijają one „cudze” światło. Natomiast niektóre materiały, takie jak barwione szkło stosowane do produkcji witraży, odsłaniają swoją kolorową strukturę w momencie, kiedy światło je przenika.

O świetle słonecznym mówi się, że jest białe lub bezbarwne. Nie do końca jest to prawdą, ponieważ białe światło jest faktycznie mieszanką promieni świetlnych o wielu kolorach. Czasami można to zaobserwować, kiedy promienie słońca rozszczepiają się w kroplach deszczu, produkując zjawisko zwane tęczą. Cała gama kolorów może być także uzyskana, kiedy światło słoneczne odbija się od kantu lustra, albo kiedy przenika przez szklaną ozdobę lub butelkę. Ten zestaw barw nazywany jest widmem optycznym i zawiera on barwy zmieniające się stopniowo od czerwonej, na jednym z końców, do fioletowej, na drugim. Zwykle pomija się bardziej subtelne odcienie i uznaje widmo za składające się z siedmiu kolorów. Kolory te, zwane są siedmioma barwami tęczy, to czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy.

W XVII w. angielski naukowiec Izaak Newton prowadził badania nad naturą światła. Używał on trójkątnego pryzmatu do rozszczepiania promieni słonecznych na widmo. Zauważył, że przy pomocy drugiego pryzmatu widmo noże zostać z powrotem skupione i utworzyć wiązkę białego światła. Stanowiło to dowód na to, że białe światło składa się z wielu barwnych promieni. Pryzmat dwukrotnie załamuje promienie przechodzącego przez przestrzeń światła - w momencie wejścia i w momencie wyjścia. Jednak promienie o różnych barwach załamują się pod różnym kątem - czerwone pod najmniejszym, fioletowe pod największym. Dlatego właśnie składniki białego światła rozchodzą się, kiedy przechodzi ono przez pryzmat. Zjawisko załamania promieni świetlnych nazywa się refrakcją, natomiast zjawisko rozszczepienia światła nosi nazwę dyspersji. Tęcza powstaje w wyniku dyspersji promieni słonecznych w kroplach deszczu.

Widmo optyczne stanowi jedynie część szerokiego pasma promieniowania, zwanego widmem elektromagnetycznym. Do widma elektromagnetycznego należą promienie gamma, promienie X, nadfiolet, podczerwień i fale radiowe. Wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego są falami poruszającymi się z prędkością światła - około 300000 km/s. To, co je w istotny sposób odróżnia to ich długość. Długość fal uzależniona jest od ich częstości, czyli liczby pełnych cykli drgań w jednostce czasu. Im większa częstość, tym więcej pełnych cykli mieści się w jednostce czasu, dlatego ich długość jest mniejsza. Miejsce fal świetlnych w widmie elektromagnetycznym znajduje się pomiędzy promieniowaniem podczerwonym i ultrafioletowym.

W aparatach fotograficznych i urządzeniach optycznych soczewki wykorzystywane są do załamywania światła w celu otrzymania odpowiedniego obrazu danego przedmiotu. Obrazy uzyskane przez soczewki tanich teleskopów charakteryzują się kolorową obwódką wokół swoich krawędzi. Spowodowane jest to tym, że proste soczewki, wykonane są z jednego kawałka szkła lub plastyku, zaginają barwne promienie pod różnym kątem.
W sprzęcie lepszej jakości defekt ten eliminowany jest przy pomocy łączenia dwóch rodzajów soczewek. Pierwsza z nich rozszczepia białe światło na widmo, ale następna skupia je z powrotem tak, że niepożądana obwódka znika.

Jak pokazał Newton, białe światło można uzyskać łącząc ze sobą kilka promieni, każdy w innym kolorze tęczy. Istnieje jednak prostszy sposób. Wystarczy połączyć trzy kolory - czerwony, zielony i niebieski - żeby otrzymać światło białe. Kolory te nazywane są barwami podstawowymi. Inne kolory także mogą być uzyskane przez odpowiednią mieszankę barw podstawowych. Na przykład mieszanka promieni czerwonych i zielonych wytworzy światło barwy żółtej. To, że światło białe jest mieszanką światła o różnych kolorach, pozwala zrozumieć, dlaczego dane przedmioty postrzegamy jako posiadające określone barwy. Przedmiot postrzegany jest jako biały, kiedy odbija wszystkie trzy składniki światła białego czarny - kiedy nie odbija żadnego z nich. Przedmiot postrzegany w białym świetle jako czerwony odbija głównie czerwone promienie wchodzące w skład światła białego, a pochłania zielone i niebieskie. W rezultacie widziany jest jako rzecz o kolorze czerwonym.

I podobnie - niebieskie przedmioty odbijają niebieskie promienie, a pochłaniają czerwone i zielone, natomiast zielone odbijają światło zielone, a pochłaniają niebieskie i czerwone. Jeżeli farby o różnych barwach zostaną ze sobą zmieszane, każda z nich pochłania inne składniki światła białego, dlatego mieszanka staje się ciemniejsza. Dlatego mieszanie kolorowych farb jest procesem przeciwnym do mieszania barwnych promieni. Używa się też innych barw podstawowych do otrzymania nowych kolorów. Są to Magenta, cyjan i żółty, powszechnie (i błędnie) nazywane czerwonym, niebieskim i żółtym. Jeżeli przy pomocy szkła powiększającego uważnie przyjrzeć się ilustracjom znajdującym się w tej publikacji, zauważyć można, że składają się one z malutkich punktów w tych właśnie kolorach. Kolor czarny dodany jest w celu zwiększenia intensywności ciemnych fragmentów, jako że mieszanka barw podstawowych ciągle jeszcze odbija trochę światła, w efekcie czego zamiast koloru czarnego powstałby kolor ciemnobrązowy.

Około III w. p.n.e. Grecy zauważyli, że światło jest w jakiś sposób emitowane z takich ciał jak Słońce, czy żarzący się węgiel. Jednak to, w jaki sposób tworzą się promienie świetlne i jak przemieszczają się w przestrzeni, przez wieki pozostawało zagadką. W XVII w. Newton i inni uważali, że światło składa się z bardzo szybko poruszających się cząstek, które nazwali korpuskułami. Jednak naukowiec holenderski Christiaan Huygens i jego zwolennicy twierdzili, że światło jest serią fal. W 1801 roku angielski uczony Thomas Young przeprowadził kilka eksperymentów z dyfrakcją światła. Dyfrakcja jest zjawiskiem obserwowanych wtedy, kiedy światło przechodzi przez bardzo wąską szczelinę. Następuje wtedy jego ugięcie. Young uznał, że zjawisko dyfrakcji można wytłumaczyć jedynie falową naturą światła. W latach 60. XIX w. szkocki uczony James Clerk Maxwell zasugerował, że energia elektromagnetyczna rozchodzi się w formie fal oraz że światło jest szczególną formą tej energii. Jednak na początku XX w. niemiecki fizyk Max Planck pokazał w swoich pracach, że energia promieniowania może istnieć tylko w formie malutkich cząstek, zwanych kwantami. Za swoją teorię kwantów Planck otrzymał w 1918 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Kwantem energii promieniowania świetlnego jest cząstka zwana fotonem - za każdym razem kiedy światło jest emitowane lub pochłaniane zachowuje się ono jak strumień fotonów. Prawdziwa natura światła jest więc trudna dość do zrozumienia. Czasami zachowuje się ono jak fala, innym razem jak wiązka cząstek. Z tego powodu mówi się, że światło ma podwójną naturę - korpuskularno - falową - a jej interpretacja zależy od rodzaju obserwacji jaką naukowcy mają do wyjaśnienia.

Podobnie jak elektryczność, światłość może być otrzymywane z innych rodzajów energii. Światło i inne formy promieniowania elektromagnetycznego produkowane przez Słońce są wynikiem reakcji jądrowych, w trakcie których wodór zamienia się w hel. W przypadku płonącego węgla bądź drewna, energia chemiczna zamieniona zostaje w ciepło i światło. Energia elektryczna przetwarzana jest na ciepło i światło podczas przepływu prądu przez włókno żarówki. Świetlówka działa na innej zasadzie. Napięcie podłączone jest do końców szklanej rurki wypełnionej gazem (najczęściej oparami rtęci). Powoduje to żarzenie się gazu, który emituje promieniowanie ultrafioletowe, wnikające w warstwę luminoforu, jaką pokryte są wewnętrzne ścianki rury. Luminofor pochłania niewidzialne promieniowanie ultrafioletowe i emituje energię w formie światła. Tego typu konwersja promieniowania nosi nazwę fluorescencji. Fosforescencja jest podobnym zjawiskiem, jednak w odróżnieniu do fluorescencji, świecenie utrzymuje się jeszcze długo po wygaśnięciu pierwotnego źródła promieniowania. Luminofarby (farby świecące) są fosforescencyjne - świecą przez kilka godzin po krótkim wystawieniu ich na działanie jaskrawego światła. Zarówno fluorescencja jak i fosforescencja są rodzajami luminescencji - zjawiska emisji światła, której przyczyną nie jest temperatura.

Niektóre bakterie, grzyby, skorupiaki, owady, ryby i inne organizmy żywe emitują światło. Zjawisko to nosi nazwę bioluminescencji i jest formą luminescencji, w której światło powstaje w wyniku utleniania substancji zwanej lucyferyną. Jednym z najbardziej użytecznych źródeł światła jest laser. Nazwa ta jest skrótem pełnej angielskiej nazwy tego urządzenia: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, co dosłownie oznacza ”wzmacnianie światła przez symulację emisji promieniowania”. Działanie lasera polega na wykorzystaniu energii fotonów z atomów, jonów lub cząsteczek. Fotony wydostają się z lasera w formie strumienia światła lub innego rodzaju promieniowania elektromagnetycznego, w zależności od substancji użytej do ich wytwarzania. W odróżnieniu od zwykłego światła, promieniowanie laserowe jest spójne i charakteryzuje się dużym natężeniem. Taki skoncentrowany strumień światła ma szereg zastosowań, między innymi do bezkrwawych zabiegów chirurgicznych, cięcia twardych metali, precyzyjnych pomiarów i przenoszenia informacji.