2015: A Fény Nemzetközi Éve

Az idei év (2015) a fény éve. (International Year of Light 2015)

Ennek "örömére" - mint korábban a Föld éve (2008), a csillagászat éve (2009), a kémia éve (2011), a Fenntartható energiát mindenkinek éve (2012), a kapcsán is - "kötelességemnek" érzem, hogy én is készítsek egy összeállítást.

Mivel a fénnyel közvetlenül és közvetve több Érdekességek címszóban is foglalkoztam, ezúttal szinte csak össze kell szednem a már meglévő témákat. Szeretnék persze néhány kiegészítést is. Például egy külön részben összefoglalnám a témával kapcsolatos magyar vonatkozásokat.

Mivel ez egy egész éves rendezvénysorozat, ezúttal csak egy kiinduló anyagot készítek, amit az év során majd bővíthetek, akár többször is.

A fénnyel rengeteg címszavam foglalkozik. A keresőbe beírva a fény szót ezek legyűjthetők. Ugyanígy legyűjthetők a fénytannal (optikával) foglalkozó címszavaim is az optika szó beírásával.

Fénytörténet

Ebben a részben megpróbálom időrendben összegyűjteni azokat a fizikusokat, tudósokat, feltalálókat, akik a fény (és a többi elektromágneses hullám) vizsgálatával, jellemzőivel, optikai eszközökkel, fénykeltéssel, stb. (is) foglalkoztak tevékenységük során. A lista biztosan nem teljes.

Mi a fény?

A fény ugyanolyan elektromágneses hullám, vagy másképpen fogalmazva elektromágneses sugárzás, mint mondjuk az infravörös és az UV-sugárzás, vagy éppen a rádióhullámok. Változó elektromos és mágneses mezőből áll. A hullám minden pontjának van elektromos és mágneses mezője. Ezek merőlegesek a hullám haladási irányára, vagyis transzverzális hullám.

Az ábrán látható elektromágneses hullám mágneses mezője vízszintes, elektromos mezője függőleges. Az erőterek iránya általában változó, de mindig merőleges a sugárzás irányára.

Az elektromágneses hullámok úgy terjednek, mint a vízbe dobott kő mellett keletkező hullámgyűrű, de terjedésükhöz nincs szükség közegre, és sebességük vákuumban megközelíti a másodpercenkénti 300.000 km-t (fénysebesség).
Az emberi szem által fényként észlelt elektromágneses hullámok a teljes spektrumnak csak nagyon kis részét alkotják.
Az emberi szem a 440-760 nanométer közötti hullámhosszúságú elektromágneses hullámokat észleli fényként. Ezen belül a legkisebb hullámhosszúságúakat ibolya, a legnagyobbakat vörös színűnek látjuk.
(Valószínűleg azért ezt a hullámhossz tartományt "preferálja" az élővilág, mert ezt engedi át legjobban a légkör.)

Az alábbi ábra a teljes elektromágneses spektrumot mutatja.
Az ábrán jól látszik mennyire kicsi az a tartomány, amit az emberi szem érzékel különböző színű fény formájában.

Mi a szín?

A színekkel kapcsolatos, talán első "természettudományos" elméletet Arisztotelész állította fel. Eszerint a fehér fény a legtisztább forma, és a színezett valahogyan megváltozott.
Ez volt az elfogadott nézet egészen Newtonig.

Newton foglalkozott először "komolyabban" a színekkel. A "hivatalos" álláspont ellenőrzésére a napfény egy nyalábját prizmán bocsátotta át és bemutatta, hogy a spektrum színeire bomlik a falon.
Az emberek már ismerték a szivárványt, természetesen, de azt hitték, hogy az csak valami szép rendellenesség. Newton következtetése valójában az volt, hogy ezek a színek - vörös, narancs, sárga, zöld, kék, ibolya, és a köztük lévő átmenetek - az alapvetőek. Az amit a fehér fénysugárban látunk, ha mélyebben megvizsgáljuk csodálatosan összetett.

A szín a lexikon definíciója szerint:
"A látható fény által keltett, összetevőinek hullámhosszától és intenzitásától függően különböző fiziológiai érzet."
Tehát a szín elsősorban érzet és ezért csak a látással kapcsolatban értelmezhető.

A szemünk által észlelhető (vagyis a látható fény) tartománya az elektromágneses hullámokon belül a 380-760 nm közötti hullámhosszakat jelenti. Ez egy nagyon kis része a teljes elektromágneses spektrumnak (lásd az animációt fentebb), de a földi légkör ezt engedi át a legjobban, ezért a legtöbb élőlény szeme ezt a tartományt érzékeli.
Az alábbi táblázat a látható tartományon belül az egyes színek hullámhosszait (illetve frekvenciáit) mutatja.

Hogyan keletkezik a fény, a színek?

A nem nagyon rövid hullámhosszúságú elektromágneses hullámok, - tehát a fény is, úgy keletkeznek, hogy egy atom külső elektronja "gerjesztődik" valami miatt, és amikor ebből a "számára kellemetlen" állapotból visszaáll az alapállapotába, miközben egy fotont bocsát ki.

A képre kattintva az atommag körül mozgó elektron egy nagyobb energiájú pályára ugrik, majd onnan visszazuhanva egy fotont bocsát ki. A képre újra rákattintva visszaáll a kiinduló helyzetbe. A keletkező foton hullámhossza az energiaszintek különbségétől függ. A gerjesztés történhet pl. hő hatására, vagy egy másik foton által.

Az egyes színek tulajdonképpen a különböző nagyságú "ugrások" következményei.
Minél nagyobb az "ugrás", annál nagyobb energiájú az elektromágneses hullám.
A nagyobb energiákhoz rövidebb hullámhosszak tartoznak. Vagyis a kis ugrás vörös, a nagyobb ugrás sárga .... a legnagyobb ugrás ibolyaszínt eredményez. (A vöröshöz szükségesnél kisebb, illetve az ibolyához szükségesnél nagyobb ugrások esetén számunkra láthatatlan elektromágneses hullámok keletkeznek.)

Ezek az ugrások okozzák a lángfestést, a különböző színképeket.

A színekkel részletesen foglalkozom az Érdekességek rész A színek fizikája és kémiája címszavában.

Fény mindenütt

A fény (az elektromágneses hullámok) mindenütt jelen van(nak) az egész univerzumban és szubatomi szinteken is.
Ezek által kapunk információt a távoli csillagokról és galaxisokról és a részecskékről is.
Amióta megtanultuk a fénykeltést megpróbálunk mindent elárasztani fénnyel , ami sok helyen már fényszennyezést okoz.

Számtalan módon felhasználjuk a világításoktól az információ továbbításáig és információtárolásig.

Az Abell galaxishalmazról érkező fény	Városi égbolt fényszennyezésben

Információ továbbítására használt üvegszálak	Optikai adathordozó (CD) részlete

Optika (fénytan)

Az optika a fény és a fénnyel működő eszközök tanulmányozásával foglalkozó tudományterület.
Története az ókorig nyúlik vissza.
A tükröt már Kr. e. kb. 2000-ben használták Egyiptomban.

Optikai eszközeink két alapvető optikai jelenségen alapulnak:

Fénytörés (refrakció)

Az új közeg határához érkező fény egy része behatol az új közegbe, és eközben általában megváltozik a terjedésének iránya.
Ennek az irányváltozásnak az az oka, hogy a két közegben különböző a fény terjedési sebessége.

A fény esetén a terjedési sebesség megváltozását az okozza, hogy a fény kölcsönhatásba lép a közeg anyagával. Két anyag közül azt, amelyikben a fény terjedési sebessége kisebb, optikailag sűrűbbnek, a másikat optikailag ritkábbnak nevezzük.
A legritkább közeg nyilvánvalóan a vákuum.
A közegeket az úgynevezett törésmutatóval is jellemezhetjük, a közeg abszolút törésmutatója a fény vákuumbeli és adott közegben mért sebességének hányadosa, vagyis 1-nél mindig nagyobb szám.
(A vákuum törésmutatója 1, a levegőé 1,000292.)

A különböző lencsékkel külön címszavakban foglalkozom részletesebben: szóró (konkáv) lencsék; gyűjtő (konvex) lencsék

Lexikonomban számos összetett optikai eszköz is megtalálható a keresőbe beírva az optikaieszközök szót.

Fényvisszaverődés (reflexió)

Amikor a fény (vagy más hullám) új közeg vagy test határához ér, egy része visszaverődik a felületről, másik része behatol az új közegbe.

A visszaverődött fény iránya és intenzitás-eloszlása függ a visszaverő felület anyagától, színétől és egyenetlenségeitől is.
A finoman szemcsézett, világos felületek (pl. fehér papírlap, vászon, falfelület) a (fél)tér minden irányába visszaveri, szétszórja a fénysugarakat. Ezért a szórtan (diffúzan) visszaverő felületek minden irányból jól láthatók.

1. Szabályos visszaverődés fényes felületről
2. Diffúz visszaverődés
3. A fekete felület fényelnyelése

A szabályos visszaverődés törvénye
A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkba esik, és a beesési szög egyenlő a visszaverődési szöggel. (A beesési szög a beeső fénysugár és a beesési merőleges, a visszaverődési szög a visszavert fénysugár és a beesési merőleges által bezárt szög.)

Szabályos visszaverődés a tükör felületéről

A különböző tükrök külön címszavakban részletesen megtalálhatók:
síktükör, homorú tükör, domború tükör

A fénykeltés története

Kezdetben vala a sötétség...
A tűz alkalmazása előtt az ősemberek még sehogy sem keltettek fényt. Éjszakánként nyilván sötét volt.
Aztán biztosan észrevették, hogy a tűz (a láng) nem csak melegít, hanem világít is.
Először valószínűleg kivettek a tűzből egy égő faágat, és ha azt magukkal vitték máris rendelkezésre állt az első "hordozható fényforrás".

Később persze rájöttek, hogy lehet fáklyát (baloldali kép), mécsest, gyertyát készíteni.
Amikor 1804-ben Freidrich Winzer elsőként szabadalmaztatja a gázlámpás világítást (középső kép), az már az akkori "csúcstechnikát" jelentette.
Egészen Edison 1879-ben készített a szénszálas izzólámpájáig (jobboldali kép) tehát csak a "kémiai reakció által termelt hőn alapuló" világító alkalmatosságokat használtuk.
Az izzólámpa még mindig a hőt, ezúttal az elektromos áram hőhatása, használta fénykeltésre. Sokáig egyeduralkodó volt a világítás területén, bár sokat fejlődött (a volfrám izzószálat pl. 1907-ben kezdték el alkalmazni, 1913-ban jelentek meg a gáztöltéses, atmoszferikus nyomású izzólámpák).
2013. szeptember 1-étől az összes "hagyományos" izzólámpát kivonták a kereskedelmi forgalomból.

A jobb hatásfokú, kevesebb energiával világító fényforrások térhódítása sokkal később kezdődött.
Az első nem közvetlenül hőt használó világítóeszközt, a higanygőz lámpát már 1901-ben kifejlesztették, de csak jóval később terjedt el.
A fénycsövet 1937-ben mutatták be.
A fémhalogén lámpát 1960-ban fejlesztették ki.
Az első lézert is ebben az évben alkották meg.
1965-ben jelentek meg az első LED-ek, de fényforrásként, csak napjainkban terjedtek el.
Az 1966-ban kifejlesztett nagynyomású nátriumgőzlámpák viszont igen elterjedtek a közvilágításban, nálunk is.

A baloldali képen különböző fényforrások (fénycső, kompaktfénycső, higanygőzlámpa, halogén izzó, stb.), a jobboldali képen különböző LED-lámpák láthatók.

Fénykeltési módszerek

A fentiekből látható, hogy a fénykeltéshez "be kell gerjeszteni" az atomok elektronhéját valahogyan.
Többféle módon lehetséges, de mindenképpen energiát kell közölni vele valahogyan.
Az alábbiakban a jellemző fénykeltő módszereket tekintjük át

A legegyszerűbb, és valószínűleg legrégebben alkalmazott fénykeltő, vagyis "gerjesztő" eljárás a melegítés.

Ha valamit elkezdünk melegíteni az először csak a láthatónál nagyobb hullámhosszakon, vagyis infravörösben sugároz. Mondjuk, egy vasdarab esetén ez azt jelenti, hogy nem látszik rajta semmi, de a kezünk meleget érez a közelében.
A hőmérsékletek emelkedésével a kibocsátott elektromágneses sugárzás hullámhossza egyre csökken és már látható fény is megjelenik.

Egy fém szalag melegítésekor előbb csak infravörösben, később már a látható tartományban is sugároz.
Előbb vörösen, aztán sárgán később fehéren izzik.

Eleinte csak "melegítéses fénykeltést" használtak. Ma is sok olyan fényforrást alkalmazunk még, amelyek hőhatással keltenek fényt.

A legegyszerűbb "melegítéses fénykeltés" a láng alkalmazása.
Ide tartoznak a gyertyák, fáklyák, stb. amelyeknél kémiai reakció viasz, paraffin, stb. égése (oxidációja) kelt meleget, és a keletkező magas hőmérsékletű izzó részecskék biztosítják a "fényjelenséget"
A "hagyományos" és a halogén izzólámpák esetén az elektromos áram hőhatása biztosítja a volfrám izzószál magas hőmérsékletét és ezáltal a fénykeltést.

Az elmúlt évtizedekben sokkal bonyolultabb, de sokkal jobb hatásfokú fényforrásokat is egyre nagyobb arányban alkalmazunk.
Ezek között vannak "UV-s gerjesztésen alapuló fényforrások" (kisülőlámpák).

Ide tartoznak pl. a fénycsövek, a higanygőzlámpák, és a nátriumgőzlámpák (a képen).

Ezeknél a fényforrásoknál, ahogyan a működési elvüket bemutató alábbi ábrán látható, az ívkisülés során létrejött UV fotonok gerjesztik a fénypor atomjait (fénycsövek és higanygőzlámpák esetén), vagy a nátriumatomokat (a nátriumgőzlámpák esetén). Ide tartoznak a fémhalogén lámpák is, azokban halogénvegyületek gerjesztése biztosítja a látható fény hullámhossz tartományába eső fotonok kibocsátását.

A LED-ek, vagy "hosszabb nevükön" a fénykibocsátó diódák teljesen más módon működnek.

A LED egy n és p típusú félvezető anyagból felépülő dióda, amiben a megfelelő irányban rákapcsolt áram esetén az elektronok és a pozitív "lyukak" rekombinálódása okozza az energiafelszabadulást, ami megfelelő anyagok alkalmazása esetén, az anyagtól függő színű fény kibocsátását okozza.
Ez a fénykibocsátás nem jár jelentős felmelegedéssel, ezért a jelenséget a lumineszcencia körébe sorolhatjuk.

Nagyon jó hatásfokú fényforrások és egyre jobban elterjednek. Eleinte csak olyan helyeken használták, ahol nincs szükség nagyon nagy fényerőre (kijelzők, kis fogyasztású fényforrások, gépkocsi hátsólámpák, stb.). Napjainkban egyre jobban elterjed a lakásvilágításban és a gépkocsik elsőlámpáiban is.

Megemlíthetők még a lézerek, mint speciális fényforrások.
Ezek, mint nevük is mutatja, indukált emisszióval bocsátanak ki koherens fényt.

Több megoldás is létezik lézerfény keltésére.
Az utóbbi időben talán a félvezető lézerek (a képen) a legelterjedtebbek, hiszen ezeket alkalmazzák millió számra a különböző optikai tároló eszközökben (CD, DVD, stb.) olvasásra és írásra.

Érdemes még foglalkozni a lumineszcencia jelenségével is.

Koncertekről, rendezvényekről ismertek a képen láható fényforrások.
Ezek úgynevezett kemilumineszcens fényforrások, vagyis a bennük lévő anyagok kémiai reakciójában keletkező energiadús közbenső termékek plusz energiájukat fény formájában sugározzák ki.

Élőlények fénykeltése

Az élővilág is ismeri a fénykeltés "technológiáját".

Számos élőlény - egysejtű, hidra, féreg, csiga, rovar, stb. - bocsát ki fényeket.
Közülük a legismertebb talán a szentjánosbogár (a képen).
Ez a jelenség a biolumineszcencia.
A szentjánosbogár a luciferin és luciferáz nevű anyagok reakcióját "alkalmazza" fénykeltésre, amihez még magnézium-ionok, és az aktiválási energiához adenozin-trifoszfátra (ATP), illetve oxigén is szükséges.
A folyamat során a luciferin gerjesztődik, majd a többletenergiát fény formájában adja le. Eközben hő egyáltalán nem keletkezik, a 100% hatásfokú reakció eredménye "hideg" fény.

Sajnos mi még nem tudunk 100% hatásfokú fényforrásokat előállítani, viszont kétségtelenül sokkal nagyobb fényteljesítményeket produkálunk.

A fény rögzítése (fényképezés)

A fényképezéssel részletesen foglalkozom A fotózás fizikai és kémiai alapelvei címszavamban. Itt most ennek csak a történeti áttekintés része látható.

- 1727-ben Schulze német orvos felfedezte az ezüst-haloidok fényérzékenységét.
- 1822-ben Joseph Niépce (1765-1833) elsőnek készített fényképet fényérzékeny aszfalton.
- 1839-ben Daguerre ezüst-jodiddal bevont ezüstlemezre fényképezett higanygőzös előhívással.
- Ugyanebben az évben Fox Talbot ezüst-haloiddal bevont papírral dolgozott folyadékos előhívással.

Várakozó halászfeleségek St. Andrews-ban - David Octavius Hill and Robert Adamson kalotípiája.

- 1851-ben Scott Archer az ezüst-haloidot üveglemezre öntött kollódiumban oszlatta el, ez az úgynevezett "nedves" eljárás.
- 1840-ben készítette el Petzval József az első fényerős fényképészeti objektívet, amely lehetővé tette, hogy az addigi percekig tartó exponálás másodpercekre rövidüljön.
- 1870-ben vezette be Maddox a ma is használatos "száraz" zselatin emulziót.
- Ezt követte 1882-ben az üveglemez helyett a celluloid film (Goodwin), majd 1888-ban az amatőr rollfilm (Eastman, Kodak).
- A csak ultraibolya és kék színekre érzékeny ezüsthaloidok érzékenységét Vogel terjesztette ki 1873-ban a többi színekre.
A fényképezőgépben megvilágított fotoanyag ezüst-bromid kristályain a fény 4-40 ezüstatomból álló előhívási gócokat hoz létre. Az előhívás során a megvilágított ezüst-bromid fém ezüstté alakul át (redukálódik).

- Az elektronikus képrögzítés történetének kezdete 1951-re tehető, amikor az első képmagnó elkészült.
Persze akkor szó sem volt még az "elektronikus állóképrögzítésről". (A TV-kép egyetlen kockája meglehetősen ványadt minőségű fényképre "áttéve".)

Kodak180 digitális fényképezőgép prototípus 1975-ből - nem éppen "pocket size"

- A következő lépésnek tekinthető, amikor az 1960-as években a NASA az analóg képjeleket digitálissá alakította, hogy biztosítsa a megfelelő továbbíthatóságot a Földre.
- A Texas Instruments 1972-ben elsőként szabadalmaztatott egy filmnélküli elektronikus kamerát.
- 1981. augusztusában a Sony megvalósította a Sony Mavica elektronikus fényképezőgépet, ami az eleső kereskedelmi forgalomba került eszköz volt.

- 1986-ban a Kodak tudósai kifejlesztették az első megapixeles képérzékelőt, amely 1,4 millió pixelt volt képes rögzíteni. Ez egy 12,5 * 17,5 cm-es méretű fénykép minőségű digitális fotót tesz lehetővé.
- 1987-ben a Kodak hét terméket valósít meg az elektronikus állóképek rögzítésére, tárolására, átvitelére és kinyomtatására.
- 1990-ben a Kodak kifejleszt egy foto CD rendszert, az első "világszabványt" a színek definiálásához számítógépes, digitális környezetben.
- 1991-ben a Kodak létrehozza az első professzionális digitális fényképezőgép rendszert (digital camera system - DCS), sajtófotósok számára. Ez egy Nikon F-3 fényképezőgép volt, egy 1.3 megapixeles érzékelővel.
- Az első kereskedelmi digitális fényképezőgép, amely soros kábelen keresztül a személyi számítógépre (PC) tölthette képeit az Apple QuickTake 100 volt (1994. február).

A többi már a "szemünk előtt" történt...

Napjainkban számtalan különböző digitális fényképezőgép kapható és szinte az összes mobiltelefon is tartalmaz ilyen lehetőséget. Minden pillanatban fényképek milliói készülnek az egész világon.

Magyar vonatkozások

Szeretjük azt hinni, hogy a magyaroknak mindenhez van köze és ebben van is némi igazság.

A fotózástörténeti részben már említettem, hogy Petzval József 1840-ben elkészítette az első fényerős fényképészeti objektívet (a képen). Neki köszönhetjük, hogy pillanatok alatt készíthetünk képeket, nem kell egy fél órát a gép előtt ülni, mint előtte.

1876-ban alakult a Magyar Optikai Művek.

Van némi közünk a fénykeltéshez is. A Tungsram 1906-ban megvásárolta Just Sándornak és a horvát származású Franjo Hanaman-nak a wolframszál előállításával kapcsolatos szabadalmát és megkezdte az izzólámpák gyártását.

A lencse nélküli fotográfiai módszerét, a holográfiát, amellyel térbeli képet lehet előállítani Gábor Dénes, magyar származású, Angliában élő fizikus dolgozta ki 1948-ban és ezért 1971-ben Nobel-díjat kapott.

Gábor Dénesről készült hologram

A Jánossy Lajos professzor által kezdett optikai kutatások a KFKI-ban világhírnévre jutottak, korán megszülettek a magyar lézerek és a szegedi attoszekundumos lézer (ELI-ALPS) első ötlete, a világot egy évtizeddel megelőzve, Magyarországon fogalmazódott meg.

Felhasznált irodalom