Co je světlo?
Světlo bylo po mnoho století pro vědce záhadou. Hledali nějakou hmotnou substanci, která by se dala světlu přisoudit, ale nenacházeli nic, co by obstálo při objasnění všech optických experimentů. Dlouho se mluvilo o látce zvané „ether“, jako nositeli světelných paprsků. Současná fyzika se zajjímá zejména o souvislosti jak se světlo chová v různých situacích, jaké má vlastnosti, jak se dají vlastnosti světla měřit, jak je využít pro praxi a podobně. Jde o přímý projev fyzikálních zákonů, jimiž se řídí mikrosvět, (to je svět atomů, elektronů, protonů apod.).
Vznik světla umí fyzika objasnit jako proces mezi částicemi mikrosvěta, při němž se mění jejich potenciální energie. Mikrosvět tvoří atomy složené z jádra a elektronového obalu a tento mikrosvět se řídí svými přísnými pravidly obsazování atomových orbitalů elektrony pro základní (stabilní) stav. Nestabilní stav obsazení může nastat za situace, kdy atomy využijí svou schopnost akumulovat na chvíli více energie, než kolik jí mají v základním stavu. Mluví se pak o vybuzeném nebo o excitovaném stavu atomu. Ten netrvá nikdy dlouho. Mluví se o době života excitovaného stavu. Bývají to nejčastěji jen milióntiny vteřiny. K tomuto dochází při mnoha procesech, jako jsou např. srážky atomů, vysoká teplota, ozáření atomu světlem, srážka atomů s elektrony a podobně. Získanou energii elektron vyzáří při návratu z excitovaného do základního stavu ve formě světelné částice, které říkáme foton.
Významným detektorem fotonů je například lidské oko, ale také křemíková fotodioda nebo fotografický film.
Platí univerzální zákon fyziky - zákon zachování energie. Foton si odnáší energii rovnou rozdílu potenciálních energií obou hladin. To je jako v mechanice těles. I tam je stabilní taková situace, kdy všechna tělesa už nemají kam padat a součet jejich potenciálních energií je nejmenší.
Zdroje světla pracují na stejném principu: foton je emitován atomem při přechodu elektronu na nižší hladinu, při přechodu z vybuzeného do základního stavu. Vznik světla je možné vysvětlit jen v rámci kvantové fyziky. Nelze jej vysvětlit v rámci elektromagnetické teorie. Tato teorie rovněž selhává při vysvětlení činnosti detektorů světla, ale je velice funkční pro popis šíření světla prostorem a prostředím. Detekci světla lze vysvětlit zase jen v rámci kvantové fyziky.
Pro šíření světla prostředím je podstatná jen elektrická složka E elektromagnetické vlny (viz Amplituda). Ta odpovídá za index lomu, rozptyl světla a jiné procesy (např. stimulovaná emise fotonu).
Princip detektorů světla
Podobně jako při popisu činnosti zdrojů světla se neobejdeme bez zákonitostí mikrosvěta, tak je tomu i u detektorů světla. Detektory světla (např. Detektor světla plošný, Fotonka, Fotodioda) pracují v podstatě tak, že dopadající foton excituje atomy detektoru tím, že vyrazí z atomu elektron a ten způsobí, že vzroste elektrický proud, který už umíme měřit. Tak je tomu u atomů elektrických vodičů a polovodičů. U jiných látek foton způsobí změny chemických vlastností, které trvají dlouho, jako např. u fotografického filmu, anebo, které jsou jen krátkodobé, jako v našem oku, kde vyvolaná změna trvá jen asi 0,1 s. Přes oční nervy se informace o této chemické změně přenese do mozku a my vidíme. Jedná se o elektrické signály, které nervová soustava přenáší do mozku a z mozku zase zpět k našim smyslům nebo svalům.
Světlo se nešíří přímočaře
Gravitační pole přitahuje fotony. Protože mají ale tak malou hmotnost, tak se tato přitažlivost pozoruje, jen když světlo prochází silným gravitačním polem, V gravitačním poli Země se to nepozoruje, takže na Zemi se světlo šíří po přímce.
Na světelné paprsky působí gravitace, fotony nemají klidovou hmotnost (naštěstí se stále pohybují) takže to nevadí a mohou se pohybovat ve vakuu rychlostí, kterou žádné jiné těleso nebo částice nemůže dosáhnout.
Světlo jako elektromagnetické vlnění
Představa, že světlo je vlastně tok fotonů, se vůbec nehodí pro studium vlastností světla, činnost optických přístrojů či pro zobrazování čočkami. Světlo se při šíření prostorem chová jako elektromagnetické vlnění, chová se tedy obdobně jako rádiové nebo televizní vlny (liší se od sebe jen vlnovou délkou) - rádiové vlny mají vlnovou délku stovky metrů, televizní asi jeden metr a viditelné světlo jen asi 0,5 µm.
Další informace:
Jaroslava Vávrová