Lys er et fenomen som defineres og undersøkes innen fysikken, men som også kan defineres og behandles ut fra hvordan mennesker opplever det. Som sanseopplevelse er det nært knyttet til opplevelsen av farger, og dessuten til hvordan synet virker.

Lysstyrke

Betegnelsene sterkt og svakt lys refererer først og fremst til en fornemmelse av øyets egentilstand. Øynene blir anstrengt av sterkt lys, og blendende lys kan skade øyet for kortere eller lengre tid. I svakt lys (skumring, tussmørke) må man derimot anstrenge seg for å se noe bestemt i det hele tatt.

Men fornemmelsen av lysstyrke knytter seg også til graden av kontrast mellom lyst og mørkt i omgivelsene, og dermed til øyets mulighet for å skjelne detaljer. Jo sterkere lys, jo «dypere» skygger, jo hvitere er de hvite tingene, jo sortere de sorte. For at en trykt tekst skal være lesbar, må belysningen ha en viss styrke.

Lysmåling (måling av lysstyrke) bygger i utgangspunktet på visuell sammenligning av overflater med hensyn til lyshet.

Lysets utbredelse

Fordelingen av lys og skygge angir hvilken retning lyset kommer fra. Ettersom Sola står høyt eller lavt, kaster den for eksempel korte eller lange skygger. Samspillet av lys og skygge på belyste gjenstander er med på å gi inntrykk av tredimensjonalitet.

Alt etter lyskildens utstrekning og form er skyggene mer eller mindre skarpt avgrenset, og dette kalles henholdsvis hard (skarp) eller bløt belysning. Svært bløt belysning betyr at lyset ikke har noen dominerende retning. På enkelte gråværsdager er hele himmelen jevnt grå, og landskapet tilsvarende fattig på skygger.

Det at lyset har retning, gjør det naturlig å forestille seg lys som en stråle. Forestillingen om lysstråler har fulgt læren om lyset helt frem til grunnleggelsen av moderne fysikk. Den har vært, og er fortsatt, et viktig hjelpemiddel ved konstruksjon av lysgangen i optiske systemer (se bilde, linse).

Samtidig er det vanskelig å forstå hvordan en stråle skal kunne fylle et rom med lys. Stråleoptikken må suppleres med andre beskrivelser, i første rekke bølgeoptikk. Dette gjelder allerede for et dagligdags fenomen som lysbrytning, men enda mer for bøying og polarisasjon av lys. Et fenomen som lysspredning er det ikke mulig å beskrive ved hjelp av stråler.

Lysbrytning

Lysbrytning (refraksjon) vises blant annet som optisk hevning, for eksempel ser det ut som om sjøbunnen er løftet loddrett oppover når man ser ned i vannet, og skråstilte staker i sjøen ser ut tom om de er knekt i vannflaten. Lysbrytningen blir i lærebøkene gjerne beskrevet ved hjelp av strålekonstruksjoner. Dette henger sammen med at strålemodellen kan representere prinsippet om at lyset alltid går den korteste veien. Dette prinsippet ble generalisert på begynnelsen av 1600-tallet av Pierre de Fermat på den måten at lyset alltid går den raskeste veien mellom to punkter (Fermats prinsipp).

Lysbrytningen er også ledsaget av fargefenomener. Ved optisk hevning kan man for eksempel se fargeoverganger på grensene mellom lyst og mørkt (randfarger). Isaac Newtons berømte oppdagelse av at en lysstråle som brytes i et glassprisme, splittes opp i et spektrum av fargede lysstråler, fikk enorm betydning for fysikkens utvikling. Newton forklarte fenomenet med at sollyset (som han eksperimenterte med) består av lys med forskjellig brytningsindeks. Han regnet med at spekteret er et konstant fenomen som er karakteristisk for lyset og derfor er det samme i alle lysbrytende medier. Newton tok imidlertid feil på dette punktet; fenomenet kalles i dag dispersjon, og betraktes som en egenskap ved mediet (altså en materialegenskap), slik at hvert medium har sin egen karakteristiske dispersjon.

Lysets bøyning

Lysets bøyning (diffraksjon) er vanligvis en svakere virkning enn brytningen, men er egentlig til stede overalt og kan lett fremkalles som separat fenomen. Hvis man ser med ett øye mot flammen på et stearinlys, men samtidig skygger for flammen med tommelfingeren, ser man kanten av fingeren lyse svakt på begge sider av flammen. Fra den belyste kanten stråler det altså lys inn i skyggen. Dette er en virkning av at lyset bøyer seg.

En annen virkning av lysets bøyning kan man se hvis man ser med ett øye mot en smal lysstripe, samtidig som man skygger for stripen med en tråd eller tynn pinne. Da vil man se avvekslende mørke og lyse striper både i og utenfor skyggen av pinnen.

Hvis man betrakter den nevnte flammen, eller lysstripen, gjennom et linjeraster, et såkalt optisk gitter, vil man se gjentatte randfargede bilder av flammen, mens lysstripen forvandles til gjentatte fargespektra, som er analoge med de spektrene vi kjenner fra lysbrytning. Samtidig er det en vesentlig forskjell mellom de to typene av fargespektra: i prismespekteret er den blå delen brutt mest og den røde minst, men i bøyningsspekteret er dette omvendt.

Lysspredning

En velkjent virkning av lysspredning er det at himmelen er blå om dagen. Dette skyldes selektiv (bølgelengdeavhengig) spredning av sollys i klar luft. På grunn av varmebevegelser i luften oppstår mikroskopisk små tetthetsfluktuasjoner som har en svakt spredende virkning på kortbølget sollys (rayleighspredning). Fordi det direkte sollyset har mistet en del av det kortbølgede lyset, får det en gyllen tone, som blir særlig tydelig når Sola står lavt på himmelen, slik at lyset tilbakelegger en lengre vei gjennom atmosfæren. I disig luft blir lyset spredt av aerosoler, det vil si små vanndråper som har kondensert på støvpartikler. Da er ikke lenger spredningen selektiv, og dette kan føre til den monotone, skygrå situasjonen som ble beskrevet ovenfor.

Kvalitative aspekter ved lyset

Farge er et fenomen som erfares og identifiseres ved hjelp av øynene, men de er også knyttet til fenomener som fysikken kan identifisere og måle. Det at fargen samtidig er bestemt ut fra øyet og ut fra materiens fysiske tilstand, er en betingelse for at vi kan kjenne oss hjemme i et visuelt miljø. Fysikken som sådan kjenner egentlig ingen farger – den beskjeftiger seg bare indirekte med fargen, nemlig med den delen av den fysiske verden som kan identifiseres gjennom øyets erfaring av fargen.

Lyset i våre omgivelser er alltid en blanding av primærlys fra selvlysende legemer (lyskilder) og sekundærlys fra belyste legemer. Det er ikke noen skarp grense mellom disse typene av lyskilder – det finnes for eksempel materialer som blir selvlysende hvis de belyses (fosforescens, fluorescens).

Primærlys

Primærlys kan komme fra lysende faste legemer eller fra lysende gasser.

Menneskenes første utnyttbare lyskilder var Sola og kullflammen, men det har også lenge vært kjent at metaller gløder ved oppvarming, og med elektrisiteten kom glødetråden. Slike lyskilder, som lyser ved høy temperatur, kalles temperaturstrålere. Glødefargen er bestemt av temperaturen og rekker fra rødglød (ca. 500 °C) til hvitglød (ca. 6000 °C) og videre til mer blåaktig hvitt ved enda høyere temperaturer. Karakteristisk for lysende faste legemer er at de har et sammenhengende fargespektrum.

Også gasser kan bringes til å lyse, og da med en farge som er karakteristisk for det aktuelle stoffet. Når for eksempel koksalt fordamper i en klar flamme (bunsenbrenner), farges flammen gul av lysende natriumgass. Lysende gasser ligger også til grunn for lyn, nordlys og beslektede naturfenomener, men først med elektrisiteten oppdaget man at tilsvarende fenomener kan frembringes i laboratoriet gjennom elektrisk utladning i gasser. Det gjør også at gassen lyser med sin karakteristiske farge.

I motsetning til temperaturstrålerne har lysende gasser et usammenhengende spektrum av fargede linjer, et såkalt linjespektrum. Dette blir av og til kalt «stoffets fingeravtrykk». Ved hjelp av dette spekteret kan man identifisere det lysende stoffet (spektralanalyse).

Elektrisk utladning i gasser har også fått utstrakt teknisk anvendelse (for eksempel lysbuelamper, kvikksølvlamper, eldre natriumlamper for veibelysning). For formål som krever svært høy lysstyrke og nøytralt lys ble det utviklet høytrykks gassutladningslamper hvor lyset er beslektet med temperaturstråling. Se også belysning, elektrisk lysbue.

Sekundærlyset

Sekundærlys er lys som oppstår ved at primærlyset virker på materialer og gjenstander. De prosessene det kommer an på, er lysets absorpsjon og refleksjon, dessuten brytning, bøyning (interferens), polarisasjon og spredning.

Materialer kan være gjennomsiktige (transparente, som glass, vann, farget og ufarget cellofan), eller bare gjennomskinnelige (diafane, for eksempel matt glass), eller ugjennomskinnelige og ugjennomsiktige (opake). Grensen mellom disse egenskapene er ikke skarp; gjennomsiktige stoffer i tykke nok lag er ugjennomsiktige, og alle stoffer, også metaller, er gjennomskinnelige i tynne nok lag.

Fargede, gjennomsiktige stoffer har selektiv absorpsjon, det vil si at lyset absorberes i større eller mindre grad avhengig av bølgelengden. Et eksempel på dette er farget cellofan.

Ugjennomsiktige gjenstander kan ha blanke, speilende overflater, som emalje, eller diffust reflekterende, matte overflater. Enkelte overflater er på grunn av sin spesifikke mikrostruktur dels matte, dels blanke. Denne egenskapen kalles glans.

Metaller har sterk refleksjon og glinser i sollys. Dette kalles metallglans og utnyttes i speil. Enkelte metaller, særlig gull og kobber, har farget metallglans på grunn av selektiv (bølgelengdeavhengig) refleksjon. Det finnes også ikke-metalliske fargestoffer som har metallglans, for eksempel klorofyll.

Ikke-metaller har svak refleksjon (glatte, blanke overflater gir svake speilbilder). Stoffets farge skyldes her selektiv (bølgelengdeavhengig) absorpsjon av det innfallende lyset. Malerpigmenter er eksempler på slike stoffer.

Gjennomskinnelige legemer finnes på en skala som rekker fra nesten gjennomsiktige til nesten ugjennomskinnelige. I disse stoffene blir det innfallende lyset spredt av inhomogeniteter i stoffet. Dersom spredningen er selektiv (bølgelengdeavhengig), blir det spredte lyset farget.

Hvite stoffer hører til i den andre enden av skalaen av gjennomskinnelige stoffer. Hvitheten skyldes sterk lysspredning i en uordnet mikrostruktur av stoffer som i seg selv er gjennomsiktige (sommerskyer, snø, finknust glass), se hvitt.

Lysets absorpsjon i atmosfæren. Atmosfæren har svært liten absorpsjon av synlig lys. En selektivt absorberende atmosfære ville hatt en egenfarge i likhet med enkelte gassarter, for eksempeljod og klor. Atmosfæren har likevel visse absorberende egenskaper som har betydning for livet på Jorden. Ozonet i atmosfæren har svært sterk absorpsjon av UV-lys, men fordi konsentrasjonen av ozon er svært liten, slipper likevel litt UV-lys gjennom ozonlaget og ned til Jorden.

Havet avgir enorme mengder vanndamp til den nedre atmosfæren. Vanndamp har en svært svak absorpsjon av infrarødt lys (IR, varmestråling), men fordi mengden av vanndamp er så stor, blir likevel en viss del av varmestrålingen fra Jorden absorbert i atmosfæren, som derved fungerer som et varmemagasin. Uten dette ville det ha hersket istidslignende forhold på jordoverflaten. Se også drivhuseffekt.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg