Więcej marek od

Co to jest częstotliwość światła?

Jaki jest jej wpływ na percepcję otaczającego nas świata?

 

Czym jest i jakie ma znaczenie częstotliwość światła?


Światło to skomplikowane zjawisko fizyczne, którego przez setki lat człowiek nie był w stanie pojąć. Dopiero, gdy dowiedziono, że światło to fala elektromagnetyczna, wiele zagadek udało się wyjaśnić. Dziś wiemy już, że przedmioty, które widzimy, jako kolorowe, swoją barwę zawdzięczają temu, że odbijają się od nich fale świetlne o określonej długości i częstotliwości. Nie jest już również tajemnicą, że nie wszystkie fale elektromagnetyczne są widoczne dla ludzkiego oka - to także jest efektem różnych częstotliwości promieniowania i czułości ludzkiego oka na nie. Czym jest jednak wspomniana częstotliwość światła? Fale o jakiej długości i częstotliwości widzimy, a jakich nie? I jak to jest z kolorami - czy w przyrodzie jest ich więcej niż jesteśmy w stanie dostrzec? O tym już za chwilę. 

Częstotliwość światła, czyli jak opisać barwę liczbami

 

Światło widzialne to jedna z sześciu znanych nam grup fal elektromagnetycznych. Oprócz tego wyróżniamy: fale radiowe, mikrofale, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Każda z tych grup ma inne długości i częstotliwości. Długość fali to najmniejsza odległość między dwoma punktami fali o tej samej fazie drgań, czyli między sąsiednimi punktami będącymi w tym samym miejscu fali. natomiast częstotliwość, to ilość fal elektromagnetycznych, jakie docierają do konkretnego punktu w przestrzeni w pewnym interwale czasu (zwykle jest to sekunda). Wartości te są do siebie odwrotnie proporcjonalne - najdłuższe fale, czyli fale radiowe mają zatem najmniejszą częstotliwość, a najkrótsze (promieniowanie gamma) pulsują najszybciej. Długość fal elektromagnetycznych mierzy się w nanometrach (nm), natomiast częstotliwość w Hertzach (Hz).

 

To tyle, jeśli chodzi o teorię. Do czego może jednak przydać się ta wiedza? Chociażby do badań nad percepcją kolorów. Poszczególne długości i częstotliwości światła widzialnego odpowiadają ośmiu grupom barwnym: kolorowi fioletowemu, niebieskiemu, niebiesko-zielonemu, zielonemu, zielonożółtemu, żółtemu, pomarańczowemu i czerwonemu. Najwyższą częstotliwość osiągają fale fioletowe (750 teraahertzów, tj. 1012 Hz), najniższą czerwone (430 THz). Ponieważ nie widzimy fal, które dragają szybciej niż fiolet i wolniej niż czerwień, wyróżniamy jeszcze nadfiolet zwany także ultrafioletem i podczerwień.

 

Na fale elektromagnetyczne o tych częstotliwościach są wrażliwe niektóre zwierzęta. Chrząszcz ogniolubny posiada receptory, które pozwalają mu odbierać fale podczerwone. Tym sposobem owad lokalizuje źródła ciepła (np. ogień), a w konsekwencji nadpalone konary drzew, w jakich następnie składa jaja. Niektóre gatunki ptaków widzą z kolei w ultrafiolecie. Dziecięca historyjka o kruku, który oczarowany pięknym łabędziem usiłował się wybielić swoje pióra, w świetle tej wiedzy jest więc nieaktualna, ponieważ dla kruka, jego pióra wcale nie są czarne, lecz mienią się feerią niewidocznych dla ludzi barw. Na podstawie upierzenia ptaki te potrafią dodatkowo rozpoznawać wzajemnie swój wiek, płeć oraz członków swoich rodzin. Dla ludzkiego oka, które nie rozpoznaje ultrafioletu, ptaki te są jednak niemal identyczne... chyba, że spojrzymy na ich pióra w słońcu – wówczas ujrzymy namiastkę tego, co rejestrują ich oczy. Podobnie jest w przypadku wielu innych ptaków i owadów: czarne główki sikorek również błyszczą się w ultrafiolecie, a ultrafioletowe wzory na niektórych płatkach kwiatów, są dla owadów wskazówką, że mogą je zapylić.

 

Dlaczego my nie widzimy podczerwieni ani ultrafioletu? Natura wyposażyła nas w trzy grupy fotoreceptory (tzw. czopki), czułe na fale o określonych długościach i częstotliwościach. Rozróżniają one jedynie trzy kolory: czerwony, niebieski i zielony. Gdy pobudzonych zostanie więcej czopków, barwy podstawowe łączą się w mózgu w kolory dopełniające. Owady i niektóre ptaki są natomiast tetrachromatykami, co oznacza, że mają cztery rodzaje czopków. Natura najwyraźniej uznała jednak, że ten ostatni – rozróżniający ultrafiolet – nie jest nam do niczego potrzebny.

Co to jest częstotliwość światła? Jaki jest jej wpływ na percepcję otaczającego nas świata?

Czy wiesz, że gdybyśmy nie poznali spektrum fal elektromagnetycznych, zdjęcia i filmy nadal mogłyby być czarnobiałe?

 

Poznanie spektrum fal elektromagnetycznych, nie tylko znacznie poszerzyło naszą wiedzę o świecie, ale umożliwiło olbrzymi postęp w rozwoju techniki. Dzięki powiązaniu kolorów z długością i częstotliwością odpowiadających im fal świetlnych, wynaleziono, między innymi, fotografię barwną. Za ojca tej technologii uznawany jest James Clerk Maxwell, ten sam fizyk, który odkrył istnienie fal elektromagnetycznych. Maxwell zauważył, że mieszając ze sobą wiązki światła w kolorze czerwonym, niebieskim i zielonym można uzyskać dowolną barwę. Skonstruował więc trzy filtry optyczne w tych kolorach, a następnie rzutował je na czarno-białą fotografię. Tym sposobem udało mu się uzyskać pierwsze w historii kolorowe zdjęcie, przedstawiające tetranową wstążkę.

 

Na podobnej zasadzie (zjawisko nosi nazwę addytywnego mieszania barw) działają wszystkie współczesne monitory, telewizory, aparaty cyfrowe oraz … lampy LED. To, że obecnie dysponujemy lampami, które są w stanie odtworzyć częstotliwości ( a więc i długości) praktycznie wszystkich kolorów światła widzialnego, również jest zasługą odkrycia Maxwella. Zanim naukowcom udało się stworzyć diodę o takich właściwościach, musiało jednak minąć ponad pół wieku.   

Co to jest częstotliwość światła?

Pierwsza, skonstruowana w 1962 r. dioda LED świeciła na czerwono. Opracował ją Nick Holonyak przy użyciu potrójnego związku Galu, Arsenu i Fosforu oraz Arsenku Galu. Częstotliwość tak uzyskanego światła czerwonego to 474 teraahertzów (THz).Kolejny, przełomowy kolorpowstał znacznie później, bo dopiero w latach 90. XX w. Wtedy to, Japończyk Shuji Nakamura, skonstruował diodę LED świecącą na niebiesko, odpowiadającą światłu o częstotliwości 638 THz. Gdyby nie to odkrycie, nie mielibyśmy żarówek LED o tak bogatym spektrum kolorów, a także płyt Blue-ray, na których dane zapisuje się właśnie przy pomocy niebieskiego lasera. Zielona dioda powstała w 2010 roku, opracował ją zespół naukowców z Narodowego Centrum energii Odnawialnych (NREL) w Stanach Zjednoczonych. Emitowane przez nią światło odpowiada częstotliwości 535 THz.

 

To właśnie odkryciu diody świecącej na niebiesko, zawdzięczamy upowszechnienie technologii LED. Wcześniej, otworzenie całego spectrum widma światła słonecznego nie było możliwe. a do tego, by uzyskać światło białe wykorzystywano diody świecące różnymi kolorami.). Rozwiązanie było jednak niewydajne i uciążliwe dla wzroku, który nie powinien być zbyt długo narażony na działanie światła o niskiej jakości.

 

Współczesne LEDy świecą światłem białym o różnej temperaturze barwowej, mogą też emitować światło we wszystkich kolorach tęczy, czego najlepszym dowodem jest system Philips Hue. Wchodzące w jego skład żarówki emitują aż 16 milionów różnych kolorów!

 

Na koniec warto dodać, że jesteśmy też w stanie odtworzyć także „niewidzialne” fale o częstotliwości spoza spektrum ludzkiej wizji, czyli podczerwień, ultrafiolet. Diody ultrafioletowe działają podobnie jak diody niebieskie. Wykorzystuje się je w solariach, oczyszczalniach ścieków oraz kryminalistyce. Promieniowanie podczerwone udało się uzyskać jeszcze zanim wynaleziono diody świecące widzialnym czerwonym światłem. To tzw. diody IR, znajdują one zastosowanie w czujnikach fotoelektrycznych, komunikacji bezprzewodowej, noktowizorach, systemach grzewczych, drukarkach laserowych i wielu innych urządzeniach elektronicznych. 

Chcesz dowiedzieć się więcej?

Morawski

Napisz do naszego eksperta


Dr Paweł Morawski
z wykształcenia fizyk, od ponad 12 lat związany z firmą Philips Lighting Poland