Valo

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Tämä artikkeli käsittelee sähkömagneettisen spektrin ihmissilmälle näkyvää aluetta. Sanan muista merkityksistä katso täsmennyssivu.
Valoa ja varjoja.

Valo on ihmissilmälle näkyvää sähkömagneettista säteilyä. Valo on aallonpituudeltaan 400–780 nanometriä (nm).[1]

Valolla on kaksijakoinen luonne. Se on samanaikaisesti sekä värähtelevää aaltoliikettä että hiukkasia, valon kvantteja eli fotoneja, jotka ovat pieniä ja massattomia energiapaketteja.[2][3]

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Nopeus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Valonnopeus on fysikaalinen vakio. Valo etenee tyhjiössä noin 300 000 kilometrin sekuntinopeudella.[2]

Väri[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Väri
Näkyvän valon spektrin likimääräinen esitys (näyttötekniikan rajoittamana).

Ihmisen näköaisti hahmottaa valon eri aallonpituudet väreinä.[4] Värien aallonpituusalueet ovat suunnilleen:[1]

Valkoinen väri syntyy kaikkien aallonpituuden yhteisvaikutuksesta, ja musta väri valon puutteesta.[1]

Läpinäkyvyys ja taittuminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[5]

Heijastuminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Maisema heijastuu järven pinnasta.

Valo voi heijastua aineen pinnasta. Valo heijastuu samassa kulmassa kuin se tulee pinnalle.[6] Joskus kappaleesta heijastuvien fotonien vuosta poistuu osa aallonpituuksista.[2] Pinnoista heijastuva valo tekee mahdolliseksi havaita ne näköaistilla.[2]

Diffraktio[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Valo taipuu eli muuttaa suuntaansa kulkiessaan kapean raon läpi. Tätä kutsutaan diffraktioksi.[7]

Interferenssi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Interferenssillä tarkoitetaan valoaaltojen summautumista niiden kohdatessa. Interferenssi voi synnyttää rakenteellisia värejä esimerkiksi eläinten höyhenten mikrorakenteissa. Myös hologrammikuvat syntyvät interferenssin ansiosta.[8]

Absorboituminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Fotoni voi absorboitua atomien elektroniverhoon. Kun elektroni on nielaissut fotonin, se saa lisäenergiaa ja hypähtää ylemmälle energiatasolle.[2]

Valonlähteitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hehkuvalo[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vaikutukset ja käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Auringon valon saapuminen Maahan[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 tunnin kuluttua fotoni alkaa jälleen muutella suuntaansa ennen saapumistaan maan pinnalle.[2]

Kasvit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[9]

Eläimet ja ihminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[10]

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[11]

Tutkimus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[12] Fysikaalisessa kemiassa paljon käytetyllä tutkimusmenetelmällä, staattisella valonsirontamenetelmällä voidaan esimerkiksi selvittää makromolekyylien tai kolloidien hitaussäde Rg 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 Rh.[13]

Valon luonteen teorioiden historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[12] 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.[14]

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.[14]

Kulttuurissa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

"Ja valkeus tuli" Gustave Dorén Raamatun kuvitusta

Myyteissä ja uskonnossa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[15]

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.[16]

Taiteessa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[17]

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.[18]

Valotaide on kuvataidetta, jossa valo on keskeisenä elementtinä.[19]

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]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Envisat Ilmatieteen laitos
  2. a b c d e f Kari Enqvist: Mitä valo on? Lääketieteellinen Aikakauskirja Duodecim. 2005. Viitattu 29.8.2022.
  3. Opi lisää valosta Tieteen Kuvalehti. 4.10.2018. Viitattu 29.8.2022.
  4. Rantanen 2015, s. 38.
  5. Rantanen 2015, s. 30–33.
  6. Rantanen 2015, s. 26–27.
  7. Rantanen 2015, s. 36.
  8. Rantanen 2015, s. 37.
  9. Mikä saa kasvit kukkimaan? Finfood.
  10. Ani Englund ja Timo Partonen: Valon vaikutus terveyteen Lääketieteellinen Aikakauskirja Duodecim. 2009. Viitattu 29.8.2022.
  11. Rantanen 2015, s. 30, 55–76.
  12. a b Seppänen, J.: Valo- ja säteilyoppi Klassisen fysiikan oppihistoria. Helsingin normaalilyseo.
  13. Light scattering www.light-scattering.com. Viitattu 13.9.3008. (englanniksi)
  14. a b Milo Wolff: Quantum Physics: Max Planck www.spaceandmotion.com. Viitattu 8.9.2008. (englanniksi)
  15. Watson 2016, ”1. ’This Light Is Come’: Myths of Creation and First Light.”
  16. Watson 2016, ”3. ’The Highest Bliss’: The Millennium of Divine Radiance.”
  17. Watson 2016, ”6. Chiaro e Scuro: Light and Dark on Canvas.”
  18. Watson 2016, ”11. Lumière: France’s Dazzling Century.”
  19. valotaide. Kielitoimiston sanakirja. Helsinki: Kotimaisten kielten keskus, 2021.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Valo.