Licht

1. Wat is licht?

Wat wij zien is licht, en niets anders. Als het ergens donker is, is er geen licht, dus zien we niets. Het is moeilijk om precies te beschrijven wat licht is. Je kunt het je voorstellen als op- en neergaande golven of als een stroom van deeltjes die we fotonen noemen en ‘energiepakketjes’ zijn. Gewoon ‘wit’ licht is niet één golf. ‘Wit’ licht is alle kleuren licht bij elkaar. Licht kan fel of zwak zijn, en is soms wit en gekleurd tegelijk. Licht lijk overal aanwezig. Maar met licht gaan ook berichten door telefoons, computers en internet via dunne vezels in een flits de wereld rond. Licht is het snelste verschijnsel in het heelal. De snelheid van licht door een vacuüm (ergens waar geen lucht is) is 299.792 kilometer per seconde. Met deze snelheid beweegt licht:
over de Atlantische Oceaan in 0,7 seconde;
zeven keer rond de wereld in minder dan een seconde;
van de aarde naar de maan in iets meer dan 1 seconde;
van de zon naar de aarde in 8 minuten;
naar Proxima Centouri, de meest nabije ster na de zon, in 4,2 jaar.
Een lichtjaar is de afstand die licht aflegt in een jaar – 9,46 miljoen miljoen kilometer.

Licht heeft de groots mogelijke snelheid in een vacuüm. Wanneer het door stoffen beweegt, verplaatst het zich langzamer, afhankelijk van de dichtheid van de stof:
Lucht 299.700 km/sec
Water 225.000 km/sec
Vensterglas 195.000 km/sec
Kristalglas 160.000 km/sec
Diamant 125.000 km/sec

Schaduw
Lichtstralen gaan altijd rechtdoor. Ze kunnen dus niet alle kanten op bewegen. Omdat licht niet om een voorwerp heen kan buigen, ontstaat er een schaduw. Je eigen schaduw zie je bijvoorbeeld voor je, als je met je rug naar de zon gaat staan. Je lichaam houdt het licht dan tegen, zodat het niet op de grond kan schijnen.
Hier ontstaat een schaduw
Vroeger gebruikten de mensen schaduw om te kijken hoe laat het was. Hiervoor hadden ze een zonnewijzer. Die werkte zo: de zon komt op in het oosten en lijkt dan over de aarde heen te draaien naar het westen. Als de zon boven de hemel staat, is het 12.00 uur, de schaduw valt in de zonnewijzer dan precies in het midden. Door een stokje op een wijzerplaat te zetten, konden de mensen zien hoe laat het was.

Alhazen
Alhazen (965-1038) onderzocht het licht op en wetenschappelijke manier. In die tijd dachten de mensen dat licht uit onze ogen afkomstig was en op voorwerpen scheen, zodat wij ze konden zien. Alhazen kwam met de juiste verklaring – dat licht van een lichtbron, zoals de zon of een kaars, door voorwerpen werd teruggekaatst en in ons oog viel. Hij bestudeerde ook gekleurd licht, spiegels en lenzen. Dankzij zijn werk konden onderzoekers later de microscoop, telescoop en andere optische – op licht gebaseerde – instrumenten ontwikkelen. Jammer genoeg bestaat er geen portret van Alhazen. Dus we weten absoluut niet hoe hij eruit zag.

2. Lichtbronnen

De zon
De afstand van de aarde tot de zon is ongeveer 149.600.000 km. Het licht van de zon doet er dan ongeveer 8,5 minuten over om van de zon bij de aarde te komen. Wanneer de zon plotseling zou uitdoven, zouden wij hier op aarde nog 8,5 minuten licht hebben. Of anders gezegd: als we naar de zon kijken, zien we haar zoals zij 8,5 minuten geleden was.
De zon bestaat voor het grootste deel uit waterstof (ongeveer 74%) en helium (ongeveer 25%).

Gloeilamp
Een elektrische stroom wordt door een dun draadje gestuurd. De energie kan er niet allemaal in een keer door dus ontstaat er wrijving, die wrijving wordt omgezet in warmte waardoor de gloeidraad gaat gloeien. Normaal zou de gloeidraad in een keer doorbranden, maar doordat de glazen bol vacuüm gezogen is, is er geen zuurstof aanwezig dus kan er geen ontbranding plaatsvinden. (chemie er zijn 3 dingen nodig voor ontbranding: hoge temperatuur, brandstof en zuurstof, neem je er een weg dan kan er geen ontbranding plaatsvinden.) De gloeidraad zal wel langzaam verdampen. Hier werd ook iets op gevonden om dit proces uit te stellen: De bol vullen met gas. De levensduur van de lamp neemt hierbij enorm toe.

TL
Fluorescentielamp:onderdelen Een fluorescentielamp bestaat uit een buis met een fosforlaag, een starter (ontsteker) en een voorschakelapparaat. De buis is gevuld met een edelgas (argon) en een kleine hoeveelheid kwikdamp. De starter stuurt elektrische stroom naar de twee elektroden als de lamp voor het eerst wordt aangedaan. De elektroden leveren elektronen om de deeltjes (moleculen) van het gas te splitsen, zodat een plasma (plasma =vloeibaar) wordt gevormd dat elektriciteit geleidt. Het voorschakelapparaat beperkt de hoeveelheid stroom die door de buis kan stromen. Het plasma zorgt voor een kettingreactie, die vervolgens zichtbaar licht en onzichtbaar ultraviolet licht uitstralen. Het licht komt in aanraking met de fosforlaag aan de binnenkant van de lamp, die het ultraviolette licht omzet in beter zichtbaar licht. Verschillende soorten fosfor produceren warmere of koudere kleuren.
De TL buis is een glazen buis gevuld met een gas (argon). Op de binnenkant van de buis zit een laag poeder (fosfor). Door de buis wordt elektrische lading geschoten. De elektrische lading botst tegen de gasdeeltjes waardoor licht ontstaat. Door de fosforlaag wordt het zichtbaar licht.

Neonlamp
De neonlamp word vaak gebruikt in disco's en andere feestelijke omgevingen, dat komt door de felrode kleur rood. De neonlamp is een gasontladingslamp. Deze heeft zijn naam te danken aan het edelgas neon waarmee hij gevuld is, de neonlamp werkt hetzelfde als een tl alleen bevat deze lamp het gas neon.

LED
Een led is een klein lampje, het wordt in vele toepassingen gebruikt, kijk maar eens rechts op een toetsenbord, zie je die 3 lampjes? dat zijn led’s.LED is een afkorting van Licht Emitting Diode, dit betekend: licht uitstralende diode, diode is een elektrische term voor een dingetje dat de stroom maar in een richting doorlaat.

Halogeen
Halogeenlicht wordt veelal in auto's en spotjes gebruikt. Halogeenlampen zijn gemaakt van Kwarts, een soort kristal. Dit is sterker dan glas en kan dus een veel hogere gasdruk hebben waardoor het feller licht uitstraalt en minder elektriciteit nodig heeft. De verdamping van de gloeidraad wordt ook tegengegaan door de hoge gasdruk, de verdampte deeltjes vliegen weer terug naar de gloeidraad, dit zorgt voor een langere levensduur.

Xenon
Een soort van TL kloon maar dan met het Edelgas Xenon

Natriumlamp
De natriumlamp bevat de stof natrium, de stof natrium bevind zich als de lamp nog maar net aanstat nog niet in de gasfase. Dit heeft als gevolg dat je een soort rood licht ziet. Later als de lamp opgewarmd is wordt het licht geel, dan is het natrium in de gasfase. Als je de druk zou opvoeren zou je een heel helder wit licht krijgen. Het speciale aan een natriumlamp is dat hij het licht maar op een frequentie uitzend, dus alles wat je ziet heeft een kleur, omdat de lamp ook maar een kleur uitzend, dus er kan ook niets naar je ogen worden weerkaatst dan die kleur.

3. Kleuren van licht

Wit licht is niet één kleur. Het bestaat uit alle kleuren samen. De kleur van licht hangt af van de lente van de golven. Elke kleur licht is van een andere golflengte.
Regenbogen ontstaan als zonlicht door regendruppels heen schijnt. De druppels splitsen het witte licht in afzonderlijke kleuren. De voornaamste kleuren in een regenboog zijn rood, oranje, geel, groen, blauw, indigo en violet. Deze kleuren, die altijd deze volgorde hebben, noemen we het lichtspectrum. Rood licht, aan de ene kant van het spectrum, heeft de langste golflengte, met 770 nm (nanometer). Dit betekent dat zo’n 1300 golven in een millimeter passen. Oranje licht heeft een iets kortere golflengte. Groen licht heeft een middellange golflente en violet licht heeft de kortste golflente, met 400 nm.

Kleuren van dingen
Als ‘wit’ licht op een voorwerp valt, worden sommige kleuren in het voorwerp opgenomen. Die kleuren kunnen wij dus niet zien. Andere kleuren worden juist weerkaatst en onze ogen vangen dat licht op. Gras is groen omdat het alleen de groene kleur van licht weerkaatst. Graan is geel omdat het de gele kleur weerkaatst. Een wit voorwerp weerkaatst alle kleuren van het witte licht dat erop valt. Een volledig zwart voorwerp weerkaatst helemaal geen licht.

Soms worden bij bepaalde voorstellingen schijnwerpers gebruikt die bijvoorbeeld rood licht afgeven. Bij deze schijnwerper is dan een filter geplaatst die alleen rood licht doorlaat en de overige kleuren opnemen.

Kleuren mengen
De meeste kleuren van het licht kunnen worden gemaakt door slechts drie kleuren te mengen – rood, blauw en groen. Dat zijn de primaire kleuren van het licht. In verschillende hoeveelheden met elkaar gecombineerd kunnen ze andere kleuren geven. Rood en groen geven samen geel. Rood en blauw licht geven magenta (roze). Groen en blauw vormen cyaanblauw (lichtblauw). Geel, magenta en cyaanblauw worden de complementaire of secundaire kleuren van licht genoemd. Maar wanneer er 100% rood, 50% groen en 0% blauw licht met elkaar gemengd wordt ontstaat er oranje licht. Rood, blauw en groen geven samen wit licht.

Gekleurde puntjes
Een televisiescherm bestaat uit duizenden gekleurde fosforpuntjes. Die gloeien op als ze getroffen worden door elektronenbundels vanuit het televisietoestel. De puntjes zijn de drie primaire kleuren van het licht: rood, groen en blauw. Ze liggen in groepjes van drie bij elkaar, pixels genaamd. Als alleen het rode puntje opgloeit, ziet dat kleine stukje van het scherm er rood uit. Als het rode en het groene puntje tegelijk opgloeien ziet het scherm er geel uit. Als alle drie de puntjes helder gloeien, lijkt dat gebiedje wit.
Bij het drukken van afbeeldingen worden alleen de drie primaire kleuren gebruikt. De afbeelding bestaat uit vele kleine stipjes van deze kleuren. Onze ogen kunnen geen afzonderlijke stipjes zien en vermengen hun kleuren tot alle andere kleuren.

4. Licht weerkaatsen

De meeste voorwerpen om ons heen maken zelf geen licht. We kunnen ze zien doordat ze licht weerkaatsen. De maan bijvoorbeeld kunnen we zien omdat hij het licht van de zon weerkaatst.

Spiegels
De meeste voorwerpen hebben een ruw, dof oppervlak. Ze weerkaatsen licht van een lichtbron, zoals de zon of een elektrische lamp, op een willekeurige manier. Gladde, vlakke, glanzende oppervlakken weerkaatsen licht op een nauwkeurige en systematische manier. Deze oppervlakken weerkaatsen een duidelijk beeld van wat zich voor hen bevindt: een spiegelbeeld.

Spiegels zijn voorwerpen met een heel glad oppervlak, meestal van glanzend metaal beschermd door glas, die duidelijke spiegelbeelden geven. Ze hebben vele toepassingen, niet alleen om ons uiterlijk te bekijken, maar ook in optische (met licht werkende) apparaten zoals camera’s. Twee spiegels kunnen licht om een voorwerp heen weerkaatsen zodat we ‘om de hoek’ kunnen kijken. Zo werkt het ook met periscopen. Die worden gebuikt op onderzeeboten om boven water te kijken.

Holle en bolle spiegels
Een gebogen spiegel verandert de vorm van het teruggekaatste beeld. Een bolle (convexe) spiegel laat voorwerpen kleiner lijken. In een holle (concave) spiegel lijken voorwerpen groter. Holle spiegels kunnen voorwerpen ook op hun kop zetten. Bolle spiegels worden op allerlei manieren toegepast. Autospiegels zijn bol zodat ze een groter blikveld geven. Scheerspiegels zijn hol waardoor het beeld wordt vergroot. Door beurtelings in de bolle en holle kant van een glanzend gepoetste lepel te kijken kun je zien hoe gebogen oppervlakken het spiegelbeeld veranderen.

5. Licht breken

Als lichtgolven van de ene doorzichtige stof, zoals lucht, in een andere terechtkomen, zoals glas, veranderen ze van snelheid en richting: ze breken. Meestal is de brekingshoek groter naarmate de twee stoffen meer in dichtheid (zwaarte) verschillen. Licht gaat het snelst door het heelal of ergens anders waar geen lucht is (een vacuüm). In lucht verplaatst het zich iets langzamer. In water verplaatst licht zich nog langzamer, met ca. driekwart van de snelheid van daar waar geen lucht is. In glas is de snelheid nog kleiner.
We kunnen breking zien wanneer we naar voorwerpen in een glazen bak kijken of wanneer hete lucht een fata morgana veroorzaakt.

Fata morgana
Lichtstralen die door luchtlagen bewegen, worden gebroken. In de woestijn is de lucht bij de grond heel heet en daarboven koeler. Lichtstralen van voorwerpen worden gebroken wanneer ze in de warme lucht komen. Voorwerpen verschijnen ondersteboven als een flikkerend beeld dat we een fata morgana noemen.

Prisma’s
Een prisma is een driehoekig blok helder glas of plastic met vlakke zijden. Als een bundel wit licht in een prisma valt, wordt de snelheid vertraagd omdat licht zich in glas of plastic langzamer verplaatst. Maar niet alle kleuren in het witte licht worden evenveel vertraagd. Die met een kortere golflengte worden meer vertraagd dan kleuren met een langere golflengte. Daardoor worden de kleuren opgesplitst in een spectrum. Rood licht, dat de langste golflengte heeft, wordt het minst vertraagd en buigt of breekt dus het minst.

Helder en wazig
Sommige stoffen laten licht ongehinderd door. Deze doorzichtige materialen, zoals lucht, vensterglas of water, noemen we transparant. Andere stoffen laten een deel van het licht door, maar de golven worden verstrooid en in alle richtingen weerkaatst. Dus is het beeld wazig of mistig. Deze doorschijnende stoffen zijn o.a. matglas, mist, vitragegordijnen en overtrekpapier. Een stof die helemaal geen licht doorlaat wordt ondoorschijnend genoemd.

Gezichtsbedrog
Lichtbreking in water geeft soms vreemde effecten. Wanneer er een potlood in een glas met water gestoken wordt en je bekijkt het geheel van de zijkant, dan lijkt het of er een knik in het potlood zit. De knik lijkt te zitten op de grens van lucht en water. Dit verschijnsel wordt breking genoemd.
Door breking lijkt ook de bodem van een zwembad of vijver veel dichterbij dan hij in werkelijkheid is.
Het gladde oppervlak van water werkt als een spiegel die het licht van boven weerkaatst. Het breekt ook het licht dat van voorwerpen onder water afkomstig is en dat zich verplaatst naar de lucht. De rimpels op het wateroppervlak hebben een dubbel effect. Ze vormen reflecties vanaf het oppervlak en de breking.

Lenzen
Ieder stuk doorzichtig materiaal met licht gebogen vlakken wordt een lens genoemd. Een holle lens is in het midden dunner dan langs de rand. Bolle lenzen knijpen de lichtstralen samen zodat al het licht geconcentreerd wordt in één punt, het brandpunt. Bolle lenzen zoals een vergrootglas laten voorwerpen groter lijken maar het blikveld is dan kleiner. Holle lenzen doen het tegenovergestelde: ze buigen lichtstralen uiteen waardoor voorwerpen kleiner lijken.

Wist je dit?
Willebrord Snell (1580-1626) bestudeerde lichtbreking op een wetenschappelijke manier. Hij ontdekte dat iedere stof een specifiek vermogen heeft om licht te breken, de brekingsindex genoemd. Dit is een vergelijking tussen de hoek waarmee de lichtstraal de stof binnengaat en de hoek waaronder de lichtstraal zich in het materiaal verplaatst. Hoe sterker een stof het licht breekt, des te groter zijn brekingsindex.

6. Waarnemen van licht

Ogen
Met onze ogen kunnen wij licht waarnemen. Lichtstralen die ons oog binnenvallen, worden omgezet in elektrische prikkels. Die zenuwprikkels worden via de oogzenuwen naar de hersenen geleid waar dan beelden worden waargenomen.

Het oog is uit een aantal verschillende delen opgebouwd.
Het menselijk oog is een hoog ontwikkeld orgaan met een doorsnede van maar 2,5 cm. De volgende vliezen zijn te onderscheiden:

1. De harde oogrok (wit). Deze bestaat uit bindweefsel en geeft het oog stevigheid en bescherming. Het deel voor de lens is doorzichtig en heet hoornvlies.
2. Het vaatvlies. Aan de binnenkant van de oogrok bevindt zicht het vaatvlies. Deze bevat vele bloedvaten en een zwart pigment. Het gaat aan de voorkant over in het regenboogvlies (iris) met daarin een rond gat (pupil), waardoor het licht naar binnen kan vallen. De spiertjes in de iris regelen hoe ver de pupil geopend is. Bij weinig licht is de pupil groot en bij veel licht is de pupil klein. De hoeveelheid pigmentcellen in de iris bepalen de kleur van de iris, bij veel pigmentcellen is de iris meer bruin en bij weinig pigmentcellen is de iris meer blauw.
3. Het netvlies. In dit vlies bevinden zich de zintuigcellen; de zogenaamde staafjes en kegeltjes. De kegeltjes zijn gevoelig voor kleuren en zorgen er voor dat mensen voorwerpen scherp kunnen zien. Er zijn drie soorten kegeltjes; namelijk gevoelig voor roodachtig, groenachtig en blauwachtig licht. De staafjes reageren al bij weinig licht maar zijn niet gevoelig voor kleuren. De staafjes en kegeltjes zetten de lichtenergie om in zenuwprikkels, die in de hersenen verwerkt worden. Met de gele vlek kunnen mensen het beste zien. Hier bevinden zich alleen maar kegeltjes in een heel hoge concentratie.
Hoe kunnen die staafjes en kegeltjes de lichtgolven of fotonen omzetten in zenuwprikkels?
Dit is een complex gebeuren. Eenvoudig weergegeven kan het volgende gezegd worden; In de staafjes en kegeltjes zit een stof genaamd retinal welke verwant is aan vitamine A. Onder invloed van licht veranderen de retinal moleculen van vorm. Deze vormveranderingen zorgen voor reacties in de staafjes en kegeltjes waardoor er een kleine elektrische spanning ontstaat. Uiteindelijk worden al die spannings veranderingen van die miljoenen kegeltjes en staafjes via de zenuwen in de hersenen verwerkt, waardoor men beelden waarneemt.
Een voorwerp wordt (omgekeerd en verkleind) geprojecteerd op het netvlies. Dit gebeurt door middel van 2 lenzen, namelijk het hoornvlies en de lens. Van deze 2 lenzen heeft het hoornvlies de grootste sterkte (ongeveer 42 dioptrieën). Scherpstellen gebeurt door de lens (sterkte ongeveer 20 dioptrieën) De lens wordt niet naar voren of achteren verschoven, maar de vorm van de lens wordt aangepast door middel van spiertjes. In de oogkamers voor en naast de lens bevindt zich een transparante vloeistof (kamerwater) in het grootste holle gedeelte bevindt zich het glasachtig lichaam, een geleiachtige substantie. Op de plek waar de oogzenuw het oog verlaat, en waar geen kegeltjes een staafjes zitten, bevindt zich de blinde vlek. Het licht dat op de blinde vlek valt wordt niet omgezet in zenuwprikkels. Deze plek is ongeveer 1,5 mm groot.
Bij sommige mensen zijn 'de afstellingen' in het oog niet helemaal goed. Zo komt het voor dat het voorwerp niet goed geprojecteerd wordt op het netvlies. Dit komt omdat de lenzen dan hun werk niet helemaal goed doet. Dit kan gecorrigeerd worden door middel van lenzen (bril of contactlenzen) of een laserbehandeling.

Camera’s
Camera’s en onze ogen werken op een vergelijkbare manier. Beide hebben kleine gaatjes die lichtstralen doorlaten en op één plek laten samenkomen. Ze kunnen beide een beeld vastleggen en elektrische signalen vormen die naar een computer of de hersenen worden gestuurd.

Een spiegelreflexcamera maakt gebruik van dezelfde lens om zowel het gewenste beeld te zoeken als om de foto te nemen. Het licht valt via de lens in de camera, wordt door een spiegel teruggekaatst en via een prisma naar het oog gereflecteerd. Als je de sluiter indrukt klapt de spiegel snel naar boven zodat het licht op de lichtgevoelige film kan vallen.

7. Lichtenergie

Planten
De energie in licht kan opgenomen en omgezet worden in andere vormen van energie. Planten bijvoorbeeld gebruiken licht om te groeien.
In de bladeren van een plant zit chlorofyl. Daarmee kan de plant licht gebruiken om bepaalde soorten suiker te maken uit twee eenvoudige stoffen – water dat door wortels uit de grond is gezogen en kooldioxide dat uit de lucht is opgenomen. De plant gebruikt de energie uit de suikers om te groeien en om bloemen en zaden te maken. Dit heet fotosynthese, letterlijk ‘maken met licht’.

Zonnecellen
Zonnecellen zijn apparaten die lichtenergie opnemen en omzetten in elektriciteit. De officiële naam is fotovoltaïsche cellen. Zonnecellen bestaan uit twee lagen. De P-laag staat elektronen af, terwijl de N-laag ze opneemt. Zonlicht geeft elektronen de energie om tussen de lagen te springen, waarbij elektriciteit ontstaat. Een gemiddelde zonnecel produceert zo’n 1,5 volt. Zonnecellen kunnen gegroepeerd worden tot een zonnepaneel, dat meer elektriciteit levert.
Lichtenergie laat elektronen (kleine deeltjes van atomen) van de ene naar de andere plek springen, en een stroom van vele bewegende elektronen vormt een elektrische stroom. De elektriciteit die zonnecellen voortbrengen, kunnen we in batterijen opslaan en later gebruiken, bijvoorbeeld voor lampen, rekenmachines of radio’s.

Satellieten maken voldoende stroom met hun zonnepanelen om hun elektronische apparatuur in de ruimte te laten werken.