Valo

Valoa ja varjoja.

Valo on ihmissilmälle näkyvää sähkömagneettista säteilyä. Valo on aallonpituudeltaan 400–780 nanometriä (nm).

Valolla on kaksijakoinen luonne. Se on samanaikaisesti sekä värähtelevää aaltoliikettä että hiukkasia, valon kvantteja eli fotoneja, jotka ovat pieniä ja massattomia energiapaketteja.

Ominaisuudet

Nopeus

Valonnopeus on fysikaalinen vakio. Valo etenee tyhjiössä noin 300 000 kilometrin sekuntinopeudella.

Väri

Pääartikkeli: Väri

Näkyvän valon spektrin likimääräinen esitys (näyttötekniikan rajoittamana).

Ihmisen näköaisti hahmottaa valon eri aallonpituudet väreinä. Värien aallonpituusalueet ovat suunnilleen:

• violetti 380−450 nm
• sininen 450−490 nm
• vihreä 490−560 nm
• keltainen 560−590 nm
• oranssi 590−630 nm
• punainen 630−760 nm

Valkoinen väri syntyy kaikkien aallonpituuden yhteisvaikutuksesta, ja musta väri valon puutteesta.

Värispektri harmaalla taustalla (likimääräinen esitys näyttötekniikan rajoittamana).

Läpinäkyvyys ja taittuminen

Valo taittuu (nuoliviiva) eri tiheyksisten aineiden rajapinnassa.

Läpinäkyvä aine, kuten vesi, ilma ja lasi, päästää valon lävitseen. Jos valo muuttaa tällaisen aineen rajapinnassa kulkusuuntaansa, se taittuu. Aineen taittokykyä kuvataan optisella tiheydellä. Esimerkiksi veden äärellä seisova ihminen näkee veden alla olevat esineet valon taittumisen vuoksi hiukan eri suunnassa kuin missä ne todellisuudessa ovat.

Heijastuminen

Maisema heijastuu järven pinnasta.

Valo voi heijastua aineen pinnasta. Valo heijastuu samassa kulmassa kuin se tulee pinnalle. Joskus kappaleesta heijastuvien fotonien vuosta poistuu osa aallonpituuksista. Pinnoista heijastuva valo tekee mahdolliseksi havaita ne näköaistilla.

Diffraktio

Valo taipuu eli muuttaa suuntaansa kulkiessaan kapean raon läpi. Tätä kutsutaan diffraktioksi.

Interferenssi

Interferenssillä tarkoitetaan valoaaltojen summautumista niiden kohdatessa. Interferenssi voi synnyttää rakenteellisia värejä esimerkiksi eläinten höyhenten mikrorakenteissa. Myös hologrammikuvat syntyvät interferenssin ansiosta.

Absorboituminen

Fotoni voi absorboitua atomien elektroniverhoon. Kun elektroni on nielaissut fotonin, se saa lisäenergiaa ja hypähtää ylemmälle energiatasolle.

Valonlähteitä

Hehkuvalo

Kaikki kappaleet lähettävät sähkömagneettista säteilyä sitä enemmän, mitä korkeampi niiden lämpötila on. Jos kappale on "hehkuvan kuuma", toisin sanoen lämpötila ylittää noin 500 °C, merkittävä osa sen lähettämästä säteilystä on näkyvän valon aallonpituudella. Jos lämpötila ylittää tämän rajan vain niukasti, siitä lähtee vain pitkäaaltoisinta näkyvää, siis punaista valoa, joten tällöin kappale on punahehkuinen. Mutta jos lämpötila on vielä korkeampi, siitä lähtee jo kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia (värejä), joten kappale loistaa valkohehkuisena.

Hehkuvalon lähteitä ovat esimerkiksi Aurinko ja muut tähdet, tulenliekit sekä hehkulamput. Ennen sähkölampun keksimistä ihmiskunnan tärkeimpiä keinovalon lähteitä olivat palavista aineista syntyvät liekit esimerkiksi öljy- ja kaasulampuissa sekä kynttilöissä,

Muita valonlähteitä

Muita tapoja tuottaa näkyvää valoa ovat muun muassa ydinreaktorissa hohtava Tšerenkovin säteily, bioluminesenssi ja muu kemiluminesenssi. Jotkin kiteiset aineet kuten sokeri lähettävät sähkömagneettista säteilyä, kun niiden kiderakennetta rasitetaan tai särjetään; joidenkin kohdalla säteily osuu näkyvän valon alueelle. Tätä ilmiötä sanotaan triboluminesenssiksi. Valoa syntyy myös sähkövirran vaikutuksesta tietyistä materiaaleista valmistetuissa diodeissa eli LEDeissä.

Galleria

• 
  Punaisena ja keltaisena hehkuvaa kuumaa metallia.
• 
  Kynttilä.
• 
  Hehkulamppu.
• 
  Öljylamppu.
• 
  LEDejä.
• 
  Tšerenkovin säteilyä.
• 
  Bioluminesenssin avulla hohtava tulikärpänen.
• 
  Luminolilla aikaansaatu kemiluminesenssi.

Vaikutukset ja käyttö

Auringon valon saapuminen Maahan

Auringonvalo on osallisena monissa elämään liittyvissä prosesseissa. Kun fotoni on syntynyt Auringon sisuksissa, poukkoiltuaan siellä keskimäärin satatuhatta vuotta se syöksyy Auringosta ulos. Saapuessaan Maan ilmakehän yläosiin kahdeksan minuutin kuluttua fotoni alkaa jälleen muutella suuntaansa ennen saapumistaan maan pinnalle.

Kasvit

Vihreät kasvit käyttävät auringonvaloa energianlähteenään.

Vihreiden kasvien yhteyttäminen eli fotosynteesi käyttää auringonvaloa energianlähteenä, kun hiilidioksidista ja vedestä tuotetaan glukoosia, josta kasvi edelleen valmistaa muita orgaanisia yhdisteitä. Yhteyttämisen sivutuotteena syntyy happea, joka puolestaan on välttämätöntä useimmille elämänmuodoille.

Jotkut kasvilajit kehittävät kukkanuppuja vasta, kun joko valoisa tai pimeä aika on tarpeeksi pitkä.

Eläimet ja ihminen

Kehittyneempien eläinten silmissä on soluja, jotka aistivat näkyvän valon aallonpituuksia. Näköaistin avulla eläin tulkitsee valon kantamaa informaatiota ja rakentaa visuaalisen havainnon kehon ympäristöstä. Myös joillakin alkeellisemmilla eläimillä, kuten merijäniksillä, on valolle herkkiä soluja. Muuttolinnut ajoittavat matkansa päivän valoisan ajan pituuden muutosten mukaan.

Ympäristön valo antaa elimistön sisäiselle keskuskellolle aikamerkin toimintojen ajoittamiseksi unen ja valveen aikana. Valo vaikuttaa solunjakautumiseen, aineenvaihduntaan, hormonien eritykseen, hermosolujen välittäjäaineisiin, kasvutekijöihin, uneen ja mielialaan. Valo esimerkiksi estää ”yöhormoni” melatoniinin synteesiä ja vapauttaa kortikoliberiiniä.

Työikäiset eurooppalaiset viettävät keskimäärin 85 prosenttia ajastaan sisätiloissa. Erittäin valoisissakin huoneissa on keskimäärin vain 5 prosenttia ikkunan ulkopuolelle lankeavasta valosta. Ihmiset pitävät tutkimusten mukaan päivänvalosta ja sisätiloihinkin kantautuva päivänvalo on tärkeää esimerkiksi kellonajan hahmottamisen kannalta. On myös havaittu, että keinovaloa tarvitaan enemmän, jotta sen koettaisiin valaisevan yhtä tyydyttävästi kuin päivänvalo. Päivänvalon on havaittu lisäävän lukunopeutta ja -tarkkuutta ja keinovalossa työskentely koetaan lisäksi stressaavammaksi ja väsyttävämmäksi päivävaloon verrattuna. Rakennuksen ympäristössä sijaitsevien rakennukset vaikutus sisätilojen valaistukseen on huomattava etenkin pohjoisilla leveysasteilla, jossa matalatkin rakennelmat voivat varjostaa voimakkaasti etenkin talvella ja syksyllä saattaen estää riittävän päivänvalon saannin. Esimerkiksi Viron ja Ruotsin lainsäädäntö edellyttävät tämän vuoksi, että asuinrakennusten sisätiloihin on kohdistuttava myös suoraa auringonpaistetta. Valonesteen yläpinta ei saisi olla yli 20:n asteen kulmassa ikkunaan nähden Suomen leveysasteilla. Esteen pinnan vaalealla värillä ja ikkuna-alan lisäyksellä voidaan kuitenkin kompensoida valonesteiden vaikutusta. Parvekkeiden ja parvekelasitusten on havaittu vähentävän sisään saapuvan luonnonvalon määrää keskimäärin puoleen. Myös energiansäästölasit vähentävät päivänvalon määrää. Eurooppalaisen päivänvalostandardin mukaan pohjoisilla leveysasteilla sijaitsevissa oleskelutiloissa pitäisi olla vähintään noin 4,5 prosentin päivänvalosuhde, jotta saavutettaisiin 200 luksin minimivalaistus suurimman osan päivästä. Ihanteellinen päivänvalon määrä olisi 300–3 000 luksia.

Päivänvalo jaetaan pilvisen sään hajavaloon (taivaanvalo) ja suoraan auringonvaloon. Taivaan hajavalo on Suomessa pääasiallinen päivänvalon lähde. Pilvisen taivaan hajavalo saapuu kaikista ilmansuunnista, mutta enisten etelästä ja vähiten pohjoisesta. Kaikkein eniten valoa lankeaa suoraan ylhäältä, minkä vuoksi ikkunasta avautuva taivas tarjoaa eniten hajavaloa. Täysin pilvisenä päivänä maanpintaan saapuu vain 25–30 prosenttia selkeän päivän valosta. Suora auringonvalo on Suomessa yleensä voimakkaimmillaan noin 70 000 luksia, mutta Etelä-Suomessa voidaan saavuttaa jopa 85 000–90 000 luksin valaistusvoimakkuus. Taivaan hajavalo on korkeintaan 10 000–20 000 luksia. Pilvisenä talvipäivänä päivänvalon valaistusvoimakkuus saattaa olla vain pari tuhatta luksia. pilviset päivät ovat Suomessa aurinkoisia yleisempiä kaikkina vuodenaikoina.

Valolla on vaikutuksia ihmisen fysiologiaan, mieleen ja käytökseen. Nämä vaikutukset riippuvat valon spektristä, intensiteetistä, kestosta ja ajoituksesta ja välittyvät silmässä olevan valoon reagoivan fotoreseptiivisten solujen kautta. Fotoreseptiiviset solut vaikuttavat moniin biologisiin prosesseihin, joista vuorokausirytmin tahdistuminen tunnetaan parhaiten. Terveydelle on edullista, että ihminen altistuu etenkin aamulla ja päivällä runsaammalle silmänkorkeudella olevalle valolle kuin illalla ja että päivänvalo sisältää valospektrin muutoksia.

Monet tutkimukset osoittavat, että päivänvalolla ja sen oikealla rytmityksellä on sekä unenlaatua parantavaa että esimerkiksi masennus- ja leikkauspotilaiden paranemista edistäviä vaikutuksia.Tutkimuksissa on havaittu, että päivänvalolle runsaasti altistuvat kokevat muita vähemmän terveyshaittoja. Etenkin liikunnan ja kirkkaan valon yhdistelmä parantaa mielialaa ja terveyttä. Dementiapotilaiden säännöllinen mahdollisuus oleskella kolmen metrin päässä ikkunasta auttaa ylläpitämään säännöllistä vuorokausirytmiä.

Käyttö

Yleisiä keinotekoisia valonlähteitä ovat olleet ihmiskunnan historiassa esimerkiksi nuotio, soihtu, päre, kynttilä, öljylamppu, kaasulamppu, hehkulamppu ja ledi. Valon taittumista hyödynnetään linsseissä ja prismoissa, joita on esimerkiksi silmälaseissa, suurennuslaseissa, kiikareissa, kameroissa ja ledeissä. Peileissä hyödynnetään valon heijastumista. Kameroiden valokennojen avulla saadaan tallennettua kuvia. Spektrien avulla voidaan selvittää aineiden koostumusta. Valokaapelin sisällä voidaan informaatiota välittää lähes valon nopeudella. Laseria voidaan käyttää moneen tarkoitukseen.

Tutkimus

Pääartikkeli: Optiikka

Linssin väriaberraatio rajoittaa optisten laitteiden tarkkuutta.

Valon käyttäytymistä ja ominaisuuksia sekä valon ja aineen vuorovaikutusta tutkiva fysiikan osa-alue on optiikka. Sen osa-alueista geometrinen optiikka (sädeoptiikka) tutkii ja selittää valonsäteiden kulkua väliaineissa sekä niiden taittumista ja heijastumista. Sen sovelluksia ovat esimerkiksi prismat, linssit ja peilit sekä niitä yhdistelemällä tehdyt monimutkaisemmat optiset laitteet kuten mikroskoopit ja kaukoputket.

Fysikaalinen optiikka (aalto-optiikka) puolestaan tarkastelee valoa aaltokenttänä ja valon luonnetta, ominaisuuksia ja siihen liittyviä ilmiöitä, esimerkiksi valon intensiteettiä, sirontaa ja diffraktiota. Fysikaalisessa kemiassa paljon käytetyllä tutkimusmenetelmällä, staattisella valonsirontamenetelmällä voidaan esimerkiksi selvittää makromolekyylien tai kolloidien hitaussäde R_g ja molekyylimassa M. Myös hiukkasen muoto voidaan saada selville. Dynaamisella valonsirontamenetelmällä voidaan sitä vastoin selvittää makromolekyylien diffuusiokertoimet ja sitä kautta niiden kokojakauma ja hydrodynaaminen säde R_h.

Valon luonteen teorioiden historia

Eri aikoina tutkijat ovat tehneet erilaisia johtopäätöksiä valon luonteesta. Isaac Newton tutki optiikkaa 1600-luvulla ja esitti hiukkasteorian, jonka mukaan valo etenee hiukkasina. Hänen mukaansa valohiukkasia oli useita eri laatuja, joista jokainen vastaa tiettyä väriä, ja että valkoinen valo sisältää kaikkia näitä hiukkaslajeja. Valon hiukkasteoriaa kannatti vielä 1700-luvun lopulla myös ranskalainen kemisti Antoine Laurent Lavoisier, jonka laatimaan alkuaineiden luetteloon myös valo samoin kuin lämpökin (kalorikki) sisältyivät oletettuina alkuaineina. Niitä ei kuitenkaan voitu punnita, minkä vuoksi ne tunnettiin nimellä imponderabiliat.

Alankomaalainen fyysikko Christiaan Huygens sen sijaan väitti jo vuonna 1678 valon olevan aaltoliikettä, joka etenee aaltoina ja tarvitsee väliaineen edetäkseen. Newtonin ja Huygensin ajatukset olivat selvästi ristiriidassa, mutta yli sadan vuoden ajan kummallakin teorialla oli tutkijoiden keskuudessa kannattajia. Vasta Youngin kaksoisrakokoe vuonna 1801 osoitti vakuuttavasti valon käyttäytyvän aallon tavoin. Vähän myöhemmin Etienne Louis Malus (1775–1812) havaitsi ilmiöitä, jotka johtuivat valon polarisoituvuudesta. Augustin Jean Fresnel (1788–1827) päätteli tästä valon olevan poikittaista aaltoliikettä. Sitä vastoin esimerkiksi ääni on pitkittäistä aaltoliikettä. James Clerk Maxwell esitti 1860-luvulla että valoaallot ovat sähkömagneettista aaltoliikettä. Hän totesi, että valon käyttäytymistä voidaan kuvata yhtälöillä, jotka sittemmin nimettiin hänen mukaansa. Nämä löydöt vahvistivat aaltoteorian voittokulkua.

Valon ja muun sähkömagneettisen aaltoliikkeen oletettiin etenevän erityisessä väliaineessa, jota nimitettiin eetteriksi. Michelsonin–Morleyn koe 1887 osoitti kuitenkin, ettei Maan liikettä eetteriin nähden pystytty havaitsemaan. Vuonna 1905 Albert Einsteinin suhteellisuusteoria selitti valon kulun ilman eetteriä, mikä johti eetteriteorian nopeaan ja lopulliseen hylkäämiseen.

Vuonna 1900 mustan kappaleen säteilyä koskevassa tutkimuksessaan Max Planck havaitsi kuitenkin, että valoaallot muodostuvat energiapaketeista. Näitä energiakvantteja alettiin kutsua fotoneiksi. Albert Einstein taas selitti valosähköisen ilmiön vuonna 1905 Planckin kaavojen avulla. Einsteinin ja Planckin tutkimuksen johtivat kvanttimekaniikan kehittymiseen ja teoriaan, jonka mukaan valolla on sekä hiukkas- että aaltoluonne.

Kulttuurissa

"Ja valkeus tuli" Gustave Dorén Raamatun kuvitusta

Myyteissä ja uskonnossa

Ensimmäiset valon selitykset olivat myyttisiä. Kaikentyyppisissä luomiskertomuksissa kuvataan, kuinka jo luomistyön ensimmäisissä vaiheissa maailmaan tuli valo, joka syrjäytti pimeyden. Kun valo oli kerran näin annettu maailmaan, se oli täydellinen, eikä sitä koskaan otettu pois. Valo kuvattiin lahjana, joka oli tullut suoraan Jumalasta tai Jumalalta. Raamatun luomiskertomuksessa Jumala luo valon pimeään maailmaan sanoilla ”Tulkoon valkeus”. Egyptiläisessä mytologiassa valo saatiin auringonjumala Ra’lta. Joissakin luomiskertomuksissa valon alkuperälle ei kuitenkaan anneta selitystä, vaan valo on vain aina ollut. Valoa palvottiin, ja valoon yhdistettiin kaikki hyvä siinä kun pimeyteen yhdistettiin paha.

Valolla on uskonnoissa tärkeä asema niin konkreettisesti kuin vertauskuvallisestikin. Jumalat ja ihmisen sielu on usein käsitetty valona. Temppeleissä on ylläpidetty ikuista valoa, mandealaiset palvoivat Valon Kuningasta, mithralaiset pyrkivät taivaaseen hengittämällä valoa, Buddha syntyi viiden valon alla, ja buddhalaiset tavoittelevat ”valaistumista”. Kristittyjen vapahtaja Jeesus on Uuden testamentin mukaan ”maailman valo”, ja apostoli Paavali kääntyi kristinuskoon kohdattuaan kirkkaan taivaallisen valon.

Taiteessa

Valon fotorealistisesta kuvauksesta tuli länsimaisen maalaustaiteen tärkein osatekijä 1400-luvun renessanssista alkaen. Tuolloin eurooppalaiset taiteilijat, kuten Leonardo da Vinci, alkoivat tutkia valon lankeamista ja kehittää tekniikoita, joilla valoa saattoi kuvata. Hollantilaiset taidemaalarit, kuten Van Eyck, alkoivat 1430-luvulla ilmeisesti hyödyntää camera obscuraa, jonka pieni reikä keräsi valonsäteistä kuvan kankaalle. 1600-luvun taiteilijoista valaistuksen mestarina pidetään etenkin Rembrandtia.

Valokuvan keksimisessä ratkaiseva vuosi oli 1839, jolloin ranskalainen Louis Daguerre keksi tavan kiinnittää valonsäteet levylle kemikaalien avulla. Vuosisadan puolivälissä maalaustaiteessa sai alkunsa impressionismi, jossa oli kyse valon antaman subjektiivisen vaikutelman kuvaamisesta.

Valotaide on kuvataidetta, jossa valo on keskeisenä elementtinä.

Valon yksiköitä

Fysikaalisesti luonnollisin valon määrän mitta on valon intensiteetti, toisin sanoen teho pinta-alayksikköä kohti. Sen yksikkö SI-järjestelmässä on watti neliömetriä kohti (1 W/m²).

Ihminen ei kuitenkaan aisti fysikaalisesti yhtä voimakkaita, mutta eri taajuisia (erivärisiä) valoja yhtä voimakkaina. Sen vuoksi käytännön tarkoituksiin käytetään myös fotometrisia yksiköitä, jotka on määritelty siten, että ne vastaavat ihmisen näköaistimuksen voimakkuutta eri aallonpituuksilla.

SI-järjestelmässä fotometrisena perussuureena on valovoima, jonka yksikkö on kandela (1 cd). Yksi kandela on sellaisen valonlähteen valovoima, joka lähettää tiettyyn suuntaan monokromaattista taajuudeltaan 540 · 10¹² hertsin valosäteilyä 1/683 watin säteilyteholla steradiaania kohden. Yksikön nimi kandela johtuu latinan kynttilää tarkoittavasta sanasta, ja yksi kandela vastaakin suurin piirtein tavallisen kynttilän kirkkautta.

Kandelan avulla on määritelty myös valovirran yksikkö luumen (1 lm = 1 cd · sr) sekä valaistusvoimakkuuden yksikkö luksi (1 lx = 1 lm/m²). Missä ei ole muista lähteistä tulevaa valoa, siellä yhden kandelan vahvuinen valonlähde saa metrin etäisyydelle aikaan yhden luksin valaistuksen.

Katso myös

• Varjo
• Loistelamppu
• Valotikku
• Värilämpötila

Lähteet

• Rantanen, Kalevi: Valo ja sen hyödyntäminen ennen ja nyt. Art House, 2015. ISBN 978-951-884-554-9.
• Watson, Bruce: Light: A Radiant History from Creation to the Quantum Age. Bloomsbury, 2016. ISBN 978-1-62040-561-1.

Aiheesta muualla

• Sitaatteja aiheesta Valo Wikisitaateissa
• Tähtinen, Leena: Valo vangitsi uteliaat mielet. Tiede 27.2.2008.

Sähkömagneettinen säteily

Sähkömagneettinen spektri: gammasäteily • röntgensäteily • ultraviolettisäteily • valo • infrapunasäteily • alimillimetrisäteily • mikroaallot • radioaallot

---

Radiotaajuusalueet: THF • EHF • SHF • UHF • VHF • HF • MF • LF • VLF • ULF • SLF • ELF

---

Valo: violetti • sininen • syaani • vihreä • keltainen • oranssi • punainen

Valonlähteet

Luonnollinen	Luminesenssi - Taivaankappaleet - Salama - Tuli
Palaminen	Kynttilä - Lyhty - Kalkkivalo - Kaasuvalaistus - Öljylamppu - Öljytuikku - Argand-lamppu - Bude-lamppu - Carcel-lamppu
Hehkuminen	Hehkulamppu - Halogeenilamppu - Nernst-lamppu - PAR-lamppu - Tilley-lamppu - Voimavalolyhty
Fluoresenssi	Loistelamppu - Energiansäästölamppu - Induktiolamppu
Valokaari	Kaarilamppu - Jablotškovin kynttilä
Kaasupurkauslamppu	Suurpainenatriumlamppu - Pienpainenatriumlamppu - Monimetallilamppu - Elohopeahöyrylamppu - Ksenonlamppu - Hohtolamppu
Muut	hohtodiodi (LED) - Rikkiplasmalamppu - Plasmapallo