Licht uit lichtbundels wordt alle kanten opverstrooid door stof in de lucht en daardoor worden de lichtbundels ook van opzij zichtbaar. SpoorwegstationChicago Union Station, 1943.
Licht iselektromagnetische straling in het frequentiebereik datwaarneembaar is met het menselijk oog. Het niet zichtbareinfrarood, met een iets lagere frequentie, enultraviolet, met een iets hogere frequentie, worden soms foutief als infrarood licht en ultraviolet licht aangeduid.[1] Licht van een bepaalde frequentie heeft eengolflengte die afhankelijk is van het medium. Meestal geeft men de golflengte invacuüm of lucht, omdat daarin de meeste toepassingen zich afspelen. Het zichtbare spectrum strekt zich uit overgolflengten van ongeveer 380 nm (nanometer) (violet) tot 780 nm (rood) in vacuüm en lucht. In vacuüm plant licht zich, zoals alle elektromagnetische straling, voort met delichtsnelheid. Lichtkwanta, die in dekwantumoptica een rol spelen, wordenfotonen genoemd.
De drie variabelen die licht beschrijven, zijn delichtsterkte (ofwelamplitude), dekleur (ofwelfrequentie ofgolflengte) en depolarisatie, ofwel detrillingsrichting, die altijd loodrecht op de voortplantingsrichting staat. Deoptica is het natuurkundige onderzoeksveld dat zich bezighoudt met het gedrag van licht, en de wisselwerking tussen licht enmaterie.
Licht beschreven als een golf. De elektrische (E, rood) en magnetische (M, blauw)velden trillen inloodrecht op elkaar staande richting, terwijl de golf zich voortplant. De golflengte is aangegeven met het symboolλ.
In de17e eeuw beweerdeChristiaan Huygens als eerste dat licht eengolfverschijnsel is. Voor deze stelling van Huygens pleitten de bij licht waargenomen verschijnseleninterferentie enbuiging. Het idee werd verworpen doorIsaac Newton, die stelde dat licht uit een stroom van snel bewegendedeeltjes bestaat. Er ontstond een felle discussie, die aanvankelijk werd beslecht in het voordeel van de deeltjestheorie. In de 19e eeuw werd duidelijk dat licht een elektromagnetisch golfverschijnsel is, binnen een specifiek golflengtegebied, dankzij het experimentele werk vanThomas Young,Augustin Jean Fresnel enHeinrich Hertz en het theoretische werk vanLorentz. Het gedrag van licht kon verklaard worden door het oplossen van deMaxwellvergelijkingen, die de theoretische basis vormen voor de verklaring van alle bekende elektromagnetische verschijnselen. Met de opkomst (begin 20e eeuw) van dekwantummechanica werd er alsnog eengelijktijdig bestaand deeltjeskarakter (dualiteit) van licht vastgesteld. Dit culmineerde in de ontwikkeling van dekwantumelektrodynamica, die alle wisselwerkingen tussen geladen deeltjes onder uitwisseling vanfotonen volledig, en met zeer grote nauwkeurigheid beschrijft en voorspelt. De kwantumelektrodynamica is een synthese tussen de relativistische versie van de Maxwellvergelijkingen en de kwantummechanica.
Alsatomen voldoende verhit worden, of op een andere manier in eenaangeslagen toestand terechtkomen, kunnen de buitensteelektronen op een hoger, ofwelgeëxciteerd energieniveau komen. Wanneer een elektron terugkeert naar een lager energieniveau, wordt de vrijgekomen energie in de vorm van eenfoton uitgezonden. De grootte van de energie van het foton bepaalt defrequentie en dus degolflengte, en daarmee de kleur van het uitgezonden licht.
Licht plant zich invacuüm voort met een snelheid van per definitie 299 792 458meter perseconde. In een medium als water, lucht of glas is de snelheid lager. Dit komt door de interactie tussen de elektrische vector van de lichtgolven en deelektronenwolken rondom de atomen waaruit het medium is opgebouwd. De verhouding tussen de lichtsnelheid in vacuüm en de lichtsnelheid in een medium is debrekingsindex van dat medium.
In despeciale relativiteitstheorie wordt gepostuleerd dat de lichtsnelheid in vacuüm eennatuurkundige constante is, die zelfs niet, zoals voor de formulering van deze theorie in 1905 werd aangenomen, afhangt van de bewegingstoestand van de waarnemer ten opzichte van de lichtbron.
Als licht door een transparantmedium (zoals lucht, water, of glas) beweegt, wordt de voortplanting vertraagd ten opzichte van vacuüm, met een factor diebrekingsindex wordt genoemd. De brekingsindex is gedefinieerd als deverhouding van de lichtsnelheid in vacuüm tot die in het medium:
met de brekingsindex, de lichtsnelheid in vacuüm en defasesnelheid in het medium. Bij een verandering van de brekingsindex, bijvoorbeeld op het grensvlak tussen lucht en water, verandert – bij schuine lichtinval – behalve de voortplantingssnelheid ook de voortplantingsrichting van de golven. Dit verschijnsel heet lichtbreking of refractie, en is te beschrijven en berekenen met deWet van Snellius.Omdat de snelheid gelijk is aan de golflengte maal de frequentie, volgt hieruit de verhouding van de golflengte in vacuüm en in een stof.
In eenanisotroop medium varieert de lichtsnelheid, afhankelijk van de hoek tussen een transversaleElektrische veldsterktevector van een elektromagnetische golf en eenoptische as van eenkristallijn medium (er kunnen maximaal twee optische assen zijn). Dit is het gemakkelijkst te constateren middels het verschijnseldubbele breking. Een bundel wit licht zal zich zelfs bij loodrechte inval opsplitsen in twee witte bundels (dus niet te verwarren metdispersie, die alleen bij schuine inval opsplitsing in bundels van verschillende kleuren veroorzaakt).
Als licht onder een bepaalde invalshoek met denormaal op een oppervlak tussen twee media met verschillende brekingsindices stuit, kan dat geheel of gedeeltelijkgereflecteerd worden, onder een eenzelfde hoek met de normaal. Het eventuele niet gereflecteerde deel vervolgt zijn weg door het tweede medium volgens de bovengenoemde brekingswet. Is de invalshoek groter dan deBrewsterhoek, dan wordt alle invallende straling gereflecteerd.
Als licht door een opening gaat met afmetingen in dezelfde orde van grootte als de golflengte, is er niet één bepaalde straal of bundel die recht door die opening valt, maar buigt een deel van de bundel af, zoals ook watergolven doen. Met het klassieke golfbak-experiment kan dit zichtbaar worden gemaakt. Als lichtgolven verstoord worden door kleine onregelmatigheden in het medium (druppeltjes, stofjes en zelfs moleculen) dan wordt het effectverstrooiing genoemd. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen obstakels die groter, ongeveer even groot of kleiner zijn dan de golflengte.
Hettweespletenexperiment is gebaseerd op de buiging van het licht dat valt door twee spleten met een onderlinge afstand in de grootteorde van de golflengte. Er ontstaat een interferentiepatroon van donkere banden waardoor het golfkarakter van licht wordt aangetoond. Moderne beschouwingen zien het experiment als een interferentie van degolffuncties van de fotonen. Het experiment kan namelijk ook foton na foton worden uitgevoerd met hetzelfde resultaat, wat inhoudt dat een individueel foton met zichzelf interfereert.
De intensiteit van licht wordt delichtsterkte genoemd; deeenheid van lichtsterkte is decandela (afgekortcd). In SI-eenheden komt deze overeen met 1/683watt persteradiaal. De minimale lichtsterkte voor kleurwaarneming bedraagt ongeveer 3 cd/m2. De aarde ontvangt van de zon ongeveer 2 000 000 000 cd/m2 (dit heet dezonneconstante) en van de (volle) maan ongeveer 2500 cd/m2.
Licht iselektromagnetische straling. De frequenties van lichtgolven vormen een deel van het totalespectrum. Vaak wordt de indeling van het spectrum gedaan op grond van de golflengte, waarmee dan de golflengte in vacuüm wordt bedoeld, aangezien de golflengte afhankelijk is van het medium. Gebruik van de frequentie heeft soms als voordeel dat deze niet afhankelijk is van het medium. Bij beschrijving van buiging, interferentie en verstrooiing in een bepaald medium is echter de golflengte in dat medium de meest relevante grootheid.
Licht dat bestaat uit lichtgolven met alle dezelfde golflengte/frequentie, heetmonochromatisch licht. De kleur die men ziet is de kleur die bij die frequentie hoort. In de natuur komt meestalpolychromatisch licht voor, dat bestaat uit golven die verschillende golflengtes hebben. Ook dan ziet het oog maar één kleur, die de "optelsom" is van de verschillende monochromatische kleuren. Als alle golflengtes van het zichtbare deel van het spectrum in min of meer gelijke mate aanwezig zijn, zien we de kleurwit. Combinaties van lichtgolven vancomplementaire kleuren zullen ook als wit gezien worden. Sommige kleuren, zoals de kleurbruin, kunnen alleen gevormd worden uit combinaties van verschillende golflengtes.
Licht bestaat zelden uit een golf die slechts in één vlak trilt. De polarisatie wordt gedefinieerd als de trillingsrichting van het elektrische veld (het magnetische veld staat hier altijd loodrecht op en kan daardoor buiten beschouwing blijven). De elektrische vector kan een helix beschrijven rondom de voortplantingsrichting. De elektrische vector kan ontbonden worden in twee loodrecht op elkaar staande componenten. Deze ontbinding is willekeurig: Voor de analyses in deoptische isomerie wordt lineair gepolariseerd licht in twee circulaire componenten ontbonden, in deoptica circulair of elliptisch gepolariseerd licht in twee lineaire componenten.
Dezon is de belangrijkste natuurlijke lichtbron. Licht kan ook kunstmatig opgewekt worden, vanouds met vuur, maar sinds de 19e eeuw ook metgloeilampen; later zijn andere typen ontwikkeld, zoalsgasontladingslampen, zwavelplasmalampen enled's (light emitting diode).
Een kunstmatige bron van licht dat zowelcoherent als monochromatisch is, is delaser, die vanaf 1960 ontwikkeld is. In detelecommunicatie wordt deglasvezel ingezet om snel grote hoeveelhedengedigitaliseerdeinformatie te versturen door middel van het verzenden van lichtsignalen opgewekt door een laser. Niet-monochromatisch licht zou het informatiedragende signaal vanwege de onvermijdelijke dispersie van het glas uitgesmeerd worden over langere afstanden. Een andere voor consumenten belangrijke toepassing is de cd- en dvd-speler. Lasers spelen echter in veel technisch-wetenschappelijk onderzoek ook een belangrijke rol. De pulslaser, bijvoorbeeld, is een onmisbaar onderzoeksinstrument in de atoom- en molecuulfysica.
