Lys og farver

Stjernerne udsender lys i forskellige farver. Det kaldes bølgelængder. Jo kortere lysbølgen er, desto mere blåt er lyset, og jo længere den er, desto mere rødt er det. Men for at forstå hvad lys egentlig er, må man først vide hvad det elektromagnetiske spektrum er.

Det elektromagnetiske spektrum

Det lys vi kan se er en del af det elektromagnetiske spektrum. Det er faktisk kun en lille del af spektret vi kan se. Det starter ved gammastråling (som er den mest energirige form for bølger), efterfulgt af røntgenstråling og ultraviolet, som er bølger for korte til at vi kan se dem. Derefter ligger synligt lys der spænder fra blåt til rødt lys. Efter det ligger infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger, der er meget lange bølger, som vi heller ikke kan se. Jo mere kortbølget lyset er, desto mere energirigt er det. Det lys der er kortere end blåt er skadeligt for mennesker og dyr, fordi det er så energirigt. Man kalder faktisk ikke alle bølgelængderne i det elektromagnetiske spektrum for lys, kun det synlige lys. Lyset er bare en del af spektret.

Bølger og partikler

Lys opfører sig både som bølger og partikler, men har ingen masse. Dvs. at det intet vejer. Bølger skal have noget at udbrede sig i, ligesom vandbølger kun kan udbrede sig i vand. Bølger er faktisk svingninger der bevæger sig gennem et andet materiale. Ligesom vandets bølger har en lysbølge også bølgetoppe- og dale. Hvis to bølger rammer hinanden kan de enten forstærke hinanden, så bølgen bliver højere, eller neutralisere hinanden, så de udlignes, alt efter om bølgetoppene rammer lige, eller skævt på hinanden. Men lyset kan også bevæge sig gennem tomrum, fordi det også er partikler. En partikel er en lille mængde stof. En lyspartikel kaldes også en foton.

Fotoner transporterer energi i form af elektromagnetisk stråling. En helt hvid overflade reflekterer al det lys der rammer den, det er derfor den ses som hvid. En helt sort overflade derimod, absorberer alt lys, og da den ikke kaster noget lys tilbage, ses den som sort. Den sorte farves evne til at absorbere lyset gør, at en større del af lysets energi bliver overført til materialet, og det får molekylerne til at vibrere hurtigere, og da varme i virkeligheden er bevægelse i molekylerne, stiger temperaturen.

Farver og temperaturer

Lysbølgerne findes i alle farver, på nær hvid. En rød, grøn og blå lysbølge der rammer vores øjne samtidig, opfattes som hvidt lys. Vi behøver faktisk kun de tre bølgelængder for at danne alle de farver vi kan se. Sort er i virkeligheden bare fraværet af lys. Der findes mange dyr der kan se lys, som vi ikke kan se.

De forskellige ting har farver alt efter hvilke af Solens bølgelængder de absorberer, og hvilke de sender tilbage igen, altså reflekterer. Hvis noget kun reflekterer farven blå, betyder det også at det absorberer alle andre farver, og ses derfor som blåt.

Himlen er blå fordi luftens molekyler bedst spreder det blå energirige lys. Det er molekyler der er mindre end lysbølgen selv, som ilt og kvælstof, der spreder lyset. Jo længere lysbølgen er, desto længere kan den altså fortsætte gennem atmosfæren, uden at blive spredt, og da rødt lys er langbølget, ser solnedgangen rød ud.

Synligt lys dækker faktisk kun en meget lille del af hele det elektromagnetiske spektrum. Menneskets øje kan normalt kun opfatte lys med bølgelængder på 380 til 750 nanometer. En nanometer svarer til 0,000001 millimeter.

Alt hvad der er varmt udsender elektromagnetisk stråling, også mennesker og dyr, men det meste af det kan vi ikke se. Den varmeste stråling er den mest kortbølgede, altså den der ligger i den blå ende af skalaen. Hvis fx en stjerne er meget varm, fra 9000- til 100.000 grader, udsender den blåt lys, og stråling der ligger lavere på spektret, hvor imod de koldeste stjerner på ned til 2000 grader, udsender rødt lys og stråling i den højere ende af spektret. Vi opfatter tit farven rød som noget varmt, og blå som kold, men rent faktisk er det lige omvendt. Men der er så også forskel på hvilken af bølgelængderne der bedst absorberes af hvilke ting.

Infrarød stråling kaldes tit for varmestråling. Men alle stråler og alt lys varmer, når det absorberes af en genstand. Ca. 49% af den varme Jorden får fra Solen, kommer fra infrarød stråling, og resten fra synligt lys. Lyset absorberes af det som det rammer, og bliver genudsendt som længere bølger, altså infrarød.

Farven magenta findes ikke i lysspektret. Den er i virkeligheden en kombination af to farver, altså to bølgelængder der rammer øjet samtidig. Det er rød og blå, som altså ligger helt i starten, og helt til sidst i det synlige lysspektrum, der danner magenta.

Alle andre farver findes ved en bestemt bølgelængde, men vi kan også se visse farver ved at blande flere lysbølger sammen. Fx er der forskel på om gult lys er dannet af en enkelt bølgelængde, eller om den er skabt af at en rød og en grøn lysbølge rammer øjet samtidig, da rød og grøn tilsammen giver gul. Står man i et ægte gult lys, vil man kun kunne se gul, og alle andre farver vil bare se mørke, eller sorte ud. Men i et gult lys, bestående af rød og grøn, vil man både kunne se gul, rød og grøn.

Hvordan kan ting være selvlysende?

Der kendes flere tusinde kemiske forbindelser med den egenskab, at de kan optage lys, og derefter frigive det igen. Når lyset langsomt frigives kaldes det fosforescens, og skabes af visse mineraler, som fx zinksulfid, strontium og aluminium. De optager energien i form af ultraviolet og blåt lys, og genudsender den ved højere bølgelængde, som regel ser det grønligt ud. Når et fosforescerende stof bliver belyst, løftes elektroner i stoffet til en højere energitilstand. Bagefter falder elektronerne langsomt tilbage til udgangstilstanden, og frigiver deres energi som lys. Det kaldes også koldt lys, da det normalt kun er meget varme ting der udsender lys. Hvis lyset frigives med det samme, kaldes det fluorescens, og kendes blandt andet fra lysstofrør.

Hvorfor falmer ting?

At noget falmer betyder at det gennem tiden bleges, og bliver mere hvidt. Fx stof og fotografier. Jo mere energirigt lyset er, desto mere falmer den ting det rammer. Så blåt lys får ting til at bleges hurtigere end rødt lys, og især ultraviolet lys, som er meget energirig, bleger hurtigt. Det skyldes nogle atomer kaldet kromoforer, der er ansvarlige for farven. Ved at absorbere en del af lyset, og kun reflektere visse bølgelængder, er det kromoforerne der danner farven. Kromoforerne har nogle kemiske bånd som kaldes dobbeltbindinger, som bliver brudt af lysets energi, og derved mister de evnen til at absorbere lyset, så alle bølgelængder reflekteres.

Hvorfor findes der ikke grønne og lilla stjerner?

Der findes ikke grønne stjerner, fordi farven grøn befinder sig midt i lysspektret, og stjerner altid udsender flere farver, og ikke kun en. Så en stjerne der udstråler grønt lys, udstråler altså også de farver der ligger lidt højere, og lidt lavere i spektret, og når farverne er blandet sammen, opfatter vi dem som en helt anden farve. Grøn og rød fx, ser vi som gul, og grøn, rød og blå sammen, ses som hvid. Solen udstråler faktisk mest grønt lys, men altså også både blå og rød, og stråling af kortere og længere bølger, som vi ikke kan se. Solen ser gul ud for os, men hvis man så den ude fra rummet ville den se mere hvid ud. Det er fordi atmosfæren spreder det blå lys, mens det røde og grønne sendes mere direkte ned til os.

Bliver en stjerne meget varm, vil den udsende lys i den korte ende af spektret, hvor blå og lilla er, men vores øjne er meget bedre til at se blåt lys end lilla, og derfor ser vi stjernen som blå.

Lysets rejse gennem rummet

Lyset er det hurtigste vi kender til, og man mener det er det hurtigste der findes. Det bevæger sig 299.792,458 kilometer på et sekund. Et lysår er den afstand lyset rejser på et år, nemlig 9,46 billioner km. Der er ca 4,2 lysår til den nærmeste stjerne. Så når stjernens lys når frem til os, er det i virkeligheden 4,2 år gammelt. Det fjerneste objekt vi kan se med det blotte øje, er Andromedagalaksen, den ligger 2,3 mio. lysår borte, så lyset fra galaksen har rejst i 2,3 millioner år, før det er kommet frem til os. Så alle de ting vi ser i universet er i virkeligheden fortid. Flere af de stjerner vi ser, er måske brændt ud for længst, uden vi ved det. De fjerneste objekter vi kan se med teleskoper er galakser, over 13 milliarder lysår her fra. Det er helt tilbage fra hvad man mener, er universets begyndelse. Måske findes de slet ikke mere. Det tager Solens lys lidt over 8 minutter at nå frem til os, og Månens lys et sekund.

Lyset bevæger sig kun med sin højeste hastighed i vakuum, dvs. et tomt rum som fx universet. I luft er lyset kun en smule langsommere, mens det i glas kun er 2/3 af hastigheden i tomrum. Det skyldes at lyset hele tiden bliver absorberet af elektronerne i materialet, og genudsendt. Lys der rejser gennem vakuum, har altid den samme fart på, altså knap 300.000 km/sek, også selv om den kilde der udsender lyset bevæger sig med en anden hastighed.

Hvordan opstår lys?

Inderst i et atom er atomkernen, som består af protoner og neutroner, og udenom bevæger elektroner sig i forskellige baner om kernen, kaldet skaller. Når atomet tilføres energi rykker elektronerne sig ud i en bane længere væk fra kernen, så jo længere ude de ligger, desto mere energi indeholder atomet. Når energien frigives sker det ved at elektronen udsender en lysbølge. Elektronen rykker så tilbage igen, da den har afgivet sin energi. Lysets farve afhænger af hvor meget energi elektronen afgiver.

Brydning og prismer

Når lys bevæger sig fra et stof til et andet, fx fra luft til glas, tvinges det til at ændre retning, fordi det er langsommere i glasset end i luften. Det kaldes brydning, eller refraktion. Det er også sådan et prisme fungerer. Det bryder lyset, og jo mere kortbølget lyset er, desto mere afbøjes det, og på den måde kan man opdele lyset i alle dets farver. I en regnbue er det vanddråberne der fungerer som prismer.

Luftspejlinger

Det er samme princip med luftspejlinger, hvor man ser et forvrænget billede af ting længere væk. Kold luft er tættere end varm luft, derfor bryder det også lyset bedre. Lyset afbøjes altså og skifter retning, når det bevæger sig fra en temperatur til en anden. Retningen afhænger af om det er fra kold til varm luft, eller omvendt. Sådan nogle fænomener kan opstå mange steder, også fx om sommeren hvor der er temperaturforskelle mellem luften tæt på vejene, og luften længere oppe. Der kan lyset afbøjes så det lys vi ser, faktisk i virkeligheden kommer oppefra, billedet bliver forvrænget, og for os kan det se ud som om der ligger vand på vejen.

Dopplereffekt

Når et objekt bevæger sig mens det udsender lys, kan man sige at lyset det sender ud foran sig bliver trykt sammen, pga bevægelsen. Derimod bliver lyset der kommer ud bagved længere, fordi objektet bevæger sig væk fra den retning. Det gælder faktisk også lyd. Når en bil kører med en sirene, vil lyden virke højere, altså oppe i de lysere toner, når bilen kommer imod en, hvor imod den vil lyde dybere, når den kører væk fra en. Det er altså fordi lydbølgerne foran bilen bliver kortere, og dem bagved bliver længere, fordi bilen bevæger sig, mens den udsender lyden, og det kaldes dopplereffekt.

Rød- og blåforskydning

Så på den måde kan forskere måle om stjerner bevæger sig væk fra os, eller imod os, og hvor hurtigt de bevæger sig. Jo større hastighed, desto større er dopplereffekten. Når lysbølgerne bliver "hevet" længere bagved stjernen, forskydes de altså mod den røde del af det elektromagnetiske spektrum, og det kaldes rødforskydning. Bliver lysbølgerne der imod trykt sammen, forskydes de mod den blå del af spektret, og det kaldes blåforskydning.

Over lange afstande bliver alt lys rødforskudt, fordi universet udvider sig. Man kan på en måde sige at lyset bliver trukket længere pga. udvidelsen. Det kaldes kosmologisk rødforskydning.

Frekvens

Frekvens er et mål for hvor tit bølgerne gentager sig selv. Altså hvor langt der er mellem bølgetoppene. Er der langt mellem dem, ligger lysbølgen i den røde del af det elektromagnetiske spektrum, og er der kort mellem dem, ligger bølgen længere mod den blå del. Det er derfor man siger at lyset er kort- eller langbølget. Frekvensen fortæller så hvor mange gange i sekundet bølgerne gentager sig selv, fx ved 35 hertz svinger lysbølgerne 35 gange i sekundet.

Amplitude

Amplitude er et mål for hvor høje bølgetoppene er, altså fra centrum af bølgen til toppen hvor den er højest. Eller bølgedal, hvor den er lavest. Hvis lysbølgen har en høj amplitude, ses farven som kraftigere.

Linseeffekt

Alt hvad der har en masse, dvs. at det vejer noget, har også en tyngdekraft. Tyngdekraften er faktisk i virkeligheden en krumning af rummet. Jo større masse objektet har, desto større tyngdekraft har det, og desto mere krummer rummet også. Det er pga. Jordens tyngdekraft alting falder ned på jorden, og pga. Solens tyngdekraft at planeterne kredser om den, man kan faktisk sige de falder ned i krumningen. Det gør lys også. Så når lys bevæger sig gennem tyngdefeltet fra fx en tung stjerne, afbøjes det pga. det krumme rum, og skifter derfor retning. Så hvis der fx ligger en galakse langt fra os, og der er en stjerne mellem os og galaksen, kan det ske at lyset afbøjes af stjernens tyngdefelt, så vi ser to eller fire galakser rundt om stjernen, eller at galaksen ses meget tydeligere end den ville ses, hvis ikke stjernen var der. Det kaldes gravitationel linseeffekt.

Polarisering af lysbølger

Man kan på en måde sige at lysbølger kan vende i alle retninger, både vandret og lodret. Det kaldes polarisationsretninger. Det har ikke noget at gøre med hvilken retning lysbølgen bevæger sig i, men om bølgen nærmest "står op" eller "ligger ned". Upolariseret lys, fx det lys Solen udsender, indeholder lysbølger i alle polarisationsretninger, dvs. hvor felterne svinger i alle retninger. I et polarisationsfilter er det kun bølger med en bestemt polarisationsretning der kan komme igennem, resten sorteres fra. Det sker pga. de huller, eller riller der er i filtret. Kun de bølger der vender den rigtige vej, og "passer ind" i hullet, kommer igennem.

Lys der spejles i en vandret flade, fx vand, bliver til en vis grad vandret polariseret. Solbriller der filtrerer det lodret polariserede lys fra, kan derfor fjerne nogle af de skarpe lysreflekser, der kan være generende for øjnene.

Grundstoffer i stjernerne (Spektrallinjer)

Stjernerne danner grundstoffer ved hjælp af fusion. De danner hele tiden lettere grundstoffer om til tungere. Forskerne kan se hvilke grundstoffer stjernerne består af, ved at kikke på lysspektret. Glødende grundstoffer, fx i stjerner, udsender lys. De forskellige grundstoffer udsender forskellige bølgelængder, altså forskellige farver. Ved at dele lyset op i dets bølgelængder gennem et prisme, kan man se hvilke grundstoffer stjernen indeholder, ved at se på hvilke farver der er i stjernens lysspektrum. Farverne ses som linjer i spektret, og kaldes emissionslinjer. Natrium udsender fx to tætliggende gule linjer, kviksølv udsender 6 kraftige linjer fra violet til orange, og jern udsender 1500 linjer. Man bruger hele det elektromagnetiske spektrum når man vurderer grundstofferne, og ikke kun synligt lys.

En kold gas udsender ikke lys, så der kan man ikke bedømme grundstofferne ved hjælp af emissionslinjer. Der bruger man istedet absorptionslinjer. Et helt lysspektrum uden linjer i kaldes et kontinuert spektrum. Hvis et kontinuert spektrum rammer den kolde gas, reflekterer gassen lyset tilbage, men igen er det jo forskelligt hvilke farver de forskellige grundstoffer reflekterer, og i det tilfælde ses sorte, altså manglende linjer i lysspektret. De manglende farver er blevet fjernet af stofferne i gassen, og på den måde kan man regne ud hvilke grundstoffer gassen består af. Emissionslinjer og absorptionslinjer kaldes under et for spektrallinjer.

Mikrobølgebaggrundsstråling

Universet startede som en slags eksplosion, for 13,7 mia. år siden, og har udvidet sig lige siden. Dengang lå alting i universet meget tæt sammen, og var meget varmt, derfor blev der udsendt en masse lys. Det lys er det vi i dag kalder kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling. Det findes overalt i universet, og rammer også Jorden fra alle retninger. Fordi det har rejst så længe rundt i det udvidende univers, er det blevet meget rødforskudt, så det er blevet til mikrobølger, som vi ikke kan se.

Ångstrøm

Er en måleenhed for længde, og bruges blandt andet om lysbølger, og angives med et Å.