Valo

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee sähkömagneettisen spektrin aluetta. Sanan muista merkityksistä katso täsmennyssivu.
Valoa ja varjoja.

Valo on sähkömagneettisen spektrin ihmissilmällä nähtävä osa. Näkyvä valo asettuu noin aallonpituuksille 350–700 nanometriä (nm) ja taajuuksille 380–750 terahertsiä (THz). Ihmissilmä näkee parhaiten keltaista tai kellanvihreää valoa aallonpituudella 555 nm. Valoa lyhytaaltoisempaa säteilyä kutsutaan ultravioletiksi, ja pitempiaaltoista infrapunaksi. Valoaaltojen kolme perusominaisuutta ovat kirkkaus (eli amplitudi), väri (eli aallonpituus) ja polarisaatio (eli värähtelykulma). Aalto-hiukkasdualismin vuoksi valolla on sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuudet ja valo etenee valokvantteina eli fotoneina. Näkyvän valon fotonin energia on noin 1,5-3,1 eV.

Valoa käytetään tiedonsiirtoon valokuiduissa.

Teorioita valon luonteesta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Isaac Newton

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 (17751812) havaitsi ilmiöitä, jotka johtuivat valon polarisoituvuudesta.[1] Augustin Jean Fresnel (17881827) 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.[2]

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.[2]

Valon nopeus tyhjiössä ja väliaineissa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Valon nopeus

Toisin kuin ääni, valo pystyy etenemään tyhjiössä tarvitsematta muuta väliainetta. Valon nopeus tyhjiössä (vakio c) on tarkalleen 299 792 458 metriä sekunnissa. Vuonna 1982 SI-järjestelmän pituusyksikkö metri määriteltiin matkaksi, jonka valo kulkee 1/299 792 458 sekunnissa, joten tämän jälkeen tämä valonnopeuden arvo on määritelmän mukaan tarkka. Valon nopeus tyhjiössä on suhteellisuusteorian mukaan suurin mahdollinen signaalin nopeus.

Valo kulkee valokuiduissa hitaammin kuin tyhjiössä.

Tyhjiössä valon nopeus voidaan lausua muodossa

c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}},

missä ε0 on tyhjiön permittiivisyys ja μ0 on tyhjiön permeabiliteetti. Väliaineessa valon nopeus on pienempi,

v = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r \mu_r}} ,

missä εr on väliaineen suhteellinen permittiivisyys ja μr on väliaineen suhteellinen permeabiliteetti.

Valon aallonpituus λ riippuu valon nopeudesta ja taajuudesta

\lambda=\frac{v}{f},

missä f on taajuus ja v on valon nopeus väliaineessa. Jos valo kulkee tyhjiössä, pätee

\lambda=\frac{c}{f}.

Väliaineessa v voidaan ilmaista myös kaavalla

v = \frac{c}{n},

missä n on vakio (taitekerroin), joka riippuu läpäistävän aineen ominaisuuksista sekä aineesta riippuen valon aallonpituudesta ja polarisaatiosta. Tyhjiön taitekerroin on 1.[3]

Linssin väriaberraatio rajoittaa optisten laitteiden tarkkuutta.

Optiikka[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[1] Fysikaalisessa kemiassa paljon käytetyllä tutkimusmenetelmällä, staattisella valonsirontamenetelmällä (engl. Static light scattering) voidaan esimerkiksi selvittää makromolekyylien tai kolloidien hitaussäde Rg ja molekyylimassa M. Myös hiukkasen muoto voidaan saada selville. Dynaamisella valonsirontamenetelmällä (engl. Dynamic light scattering) voidaan sitä vastoin selvittää makromolekyylien diffuusiokertoimet ja sitä kautta niiden kokojakauma ja hydrodynaaminen säde Rh.[4]

Valo ja värit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Näkyvän valon aallonpituus on välillä 400−700 nm, ja tämän aallonpituusalueen eri osat vastaavat näkyvän valon spektrin eri värejä. Aistittu väri määräytyy valon aallonpituudesta tai, jos valo ei ole monokromaattista, sen fotonien energiajakaumasta eli spektristä. Väriä ei kuitenkaan pidä ajatella valon fysikaalisena ominaisuutena sillä sama väriaistimus voidaan saavuttaa monella erilaisella spektrillä. Tätä käyttävät hyväksi muun muassa valkoinen LED ja väritelevisio. Fysiikassa valkoisella valolla tarkoitetaan tavallisesti valoa, jonka spektri on tasainen eli sen intensiteetti on taajuudesta riippumaton näkyvän valon alueella.

Värien aallonpituusalueet ovat suunnilleen[5]

Valoa kuvaavia ominaisuuksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tavanomaisista lähteistä lähtevän valon spektrissä on yleensä useita taajuuksia. Jos spektri taas on hyvin kapea, sanotaan, että valo on yksiväristä eli monokromaattista.

Jos valonsäteessä kaikki "valoaallot" ovat keskenään samanvaiheisia, sanotaan, että valo on koherenttia. Monokromaattista ja koherenttia valoa tuotetaan laserilla.

Mikäli valon sähkömagneettinen kenttä värähtelee vain yhdessä tasossa, tai pyörii säännöllisesti, sanotaan, että valo on polarisoitunut.

Valo ja eliöt[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vihreät kasvit ovat autotrofeja.

Auringon valo on osallisena monissa elämään liittyvissä prosesseissa. 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.

Kehittyneempien eläinten silmissä on soluja, jotka aistivat näkyvän valon aallonpituuksia. Näköaistin avulla eläin tulkitsee valon kantamaa informaatiota ja rakentaa visuaalisen havainnon kehon ympäristöstä. Näkö on kaukoaisti eikä vaadi fyysistä kosketusta kohteeseensa. Myös joillakin alkeellisemmilla eläimillä, kuten merijäniksillä, on valolle herkkiä soluja.

Valon määrän vaihtelu vaikuttaa eliöiden hormonitoimintaan, ja auttaa niitä sopeutumaan vuorokaudenajan ja vuodenajan muutoksiin. Melatoniini vaikuttaa ihmisen unirytmiin, muuttolinnut ajoittavat matkansa päivän pituuden muutosten mukaan ja jotkut kasvilajit kehittävät kukkanuppuja vasta, kun joko valoisa tai pimeä aika on tarpeeksi pitkä.[6]

Valonlähteitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hehkuvalo[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaikki kappaleet lähettävät sähkömagneettista säteilyä sitä enemmän, mitä korkeampi niiden lämpötila on. Tätä lämpösäteilyä kuvaa Planckin mustan kappaleen säteilylaki. Säteilyn kokonaismäärä on verrannollinen absoluuttisen, kelvin-lämpötilan neljänteen potenssiin, ja säteilyn keskimääräinen aallonpituus on sitä lyhempi, mitä korkeampi on lämpötila.

Huoneenlämpöisten kappaleiden säteily on käytännöllisesti katsoen kokonaisuudessaan infrapunasäteilyä eli sen verran pitkäaaltoista, ettei se ole näkyvää. Mutta jos kappale on "hehkuvan kuuma", toisin sanoen lämpötila ylittää noin 500 °C, merkittävä osa sen lähettämästä säteilystä on jo 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaikkien valonlähteiden valo ei synny hehkumisesta. Muita tapoja tuottaa näkyvää valoa ovat muun muassa kuvaputkinäyttöjä valaisevat katodisäteet eli elektronisuihkut, jotka tuottavat valoa elektronien jarruuntuessa, ydinreaktorissa hohtava Tšerenkovin säteily, bioluminesenssi ja muu kemiluminesenssi. On olemassa myös fluoressoivia ja fosforisoivia aineita, jotka niihin osuvan ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta alkavat lähettää valoa. Sellaisia käytetään loistelampuissa. 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.

Valo kulttuureissa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

"Ja valkeus tuli" Gustave Dorén Raamatun kuvitusta

Koska valo on välttämätöntä näkemiselle, sitä pidetään järjen, uskon ja johdatuksen symbolina useimmissa kulttuureissa. Buddhalaisuuden tavoite on valaistuminen. Raamatun luomiskertomuksen mukaan "valkeus tuli", kun Jumala sanoi: "Tulkoon valkeus". Kristinuskon perusoppeja on "Jeesus on maailman valo", ja hän toi "valoa kansalle, joka pimeydessä vaeltaa". Puhutaan järjen valosta, ja tyhmä ihminen on "pimeä".

Valon yksiköitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b Seppänen, J.: Valo- ja säteilyoppi Klassisen fysiikan oppihistoria. Helsingin normaalilyseo.
  2. a b Milo Wolff: Quantum Physics: Max Planck www.spaceandmotion.com. Viitattu 8.9.2008. (englanniksi)
  3. Optiikka (Fysiikan työn opintomoniste) Fysiikan oppilaslaboratorio, Tampereen teknillinen yliopisto.
  4. Light scattering www.light-scattering.com. Viitattu 13.9.3008. (englanniksi)
  5. Envisat Ilmatieteen laitos
  6. Mikä saa kasvit kukkimaan? Finfood.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]