Temperatura i svjetlo

Osnovno znanje fizike može nam jako pomoći u razumijevanju svjetla.

Vrlo rano su nas naučili da se svijet sastoji od atoma. Znamo i definiciju: atom je najmanja čestica neke tvari koja još zadržava svojstva te tvari. Znamo da su atomi u neprestanom gibanju. Eksperimentalni dokazi tome su na primjer Brownovo gibanje i difuzija plinova. Posljedice gibanja atoma možemo osjetiti i našim osjetilima. To su temperatura i svjetlo. Temperatura je kinetička energija gibanja atoma. Jednostavno ju je objasniti. Zagrijemo li posudu u kojoj se nalazi neki plin, u njoj će porasti tlak. Čestice plina, atomi i molekule dobivaju veću brzinu te raste broj i snaga udara tih malih čestica o stjenke posude. Protrljamo li dlanove osjetit ćemo kako se zagrijavaju. Temperatura im je porasla jer smo trljanjem pojačali gibanje atoma dlanova. Također iz iskustva znamo ako nekoj tvari povisujemo temperaturu ona će postepeno početi emitirati svjetlo. Kažemo da je užarena. Znamo i da ćemo osjetiti emitiranje topline na znatno nižim temperaturama od onih koje su potrebne za emitiranje svjetla. Možemo se uvjeriti da su temperatura, toplina, toplinsko zračenje i svjetlo usko povezani pojmovi koji proizlaze iz pokretanja atoma i molekula.

Temperatura je dakle mjera prosječne kinetičke energije čestica u nekom sistemu. Kad je kinetička energija nula, prestaje sve gibanje i temperatura dostiže apsolutnu nulu, ona iznosi 0 K ili -273,16 Celzijeva stupnja. Elektromagnetno zračenje posljedica je temperature odnosno posljedica kretanja čestica uslijed imanja neke kinetičke energije. Pojam statičkog električnog naboja svakodnevna je činjenica koja se eksperimentalno najčešće pokazuje trljanjem plastičnog ili staklenog predmeta, štapića, tkaninom. Još u osnovnoj školi naučili smo kako se atomi sastoje od pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijenog omotača. Jezgra je sastavljena od protona i neutrona a omotač od elektrona. Trljanjem dovodimo u sistem kinetičku energiju koja otkida elektrone iz atoma jedne tvari i ostavlja je pozitivno nabijenom dok druga tvar koja je preuzela te elektrone dobiva negativni naboj. Tako nastaje naboj koji se ne giba, statički naboj. On je uzrok električnom polju koje nastaje uslijed razlike ukupnog zbroja naboja. Kretanje naboja stalnom brzinom, kao što je kretanje elektrona kroz električni vodič uzrokuje pojavu magnetnog polja. Električno polje i magnetno polje statične su pojave. Elektromagnetni val sastoji se od električnih i magnetnih titraja koji putuju kroz prostor. On nastaje kao posljedica naboja ili nabijene čestice koja ubrzava ili usporava. Zaustavljanjem nabijene čestice na prepreci veći dio njene kinetičke energije pretvara se u elektromagnetno zračenje.

Atomi, pozitivna jezgra i negativni elektronski omotač, u stalnom su gibanju. U plinovitom stanju to je kretanje slično kretanju biljarske kugle po stolu, samo što nije ograničeno na dvije dimenzije. Čestice putuju, sudaraju se međusobno ili sa stjenkama posude. U tekućini to je kretanje manje slobodno budući da su čestice u stalnom kontaktu. Njihovo kretanje slično je kretanju ljudi kroz izrazito veliku gužvu, s razlikom da u tekućini postoji i treća dimenzija kretanja. U krutini čestice su najčešće razmještene u prostorno precizno definiranu trodimenzionalnu kristalnu rešetku. No ni u takvoj strukturi čestice ne miruju (osim pri temperaturi od 0 K), titraju oko ravnotežnog položaja koji im određuje kristalna rešetka. Vrlo jednostavna analogija je razmještaj ljudi dok gledaju film u kinu. Svi imaju točno određeno mjesto, ali i malo prostora unutar kojeg se mogu meškoljiti. Naravno uz nešto truda i muke mogu se i kretati između stolica. U kristalu je slična situacija, ali opet je moramo zamisliti u tri dimenzije.

Nemaju sve čestice jednaku kinetičku energiju. Ona je različito raspoređena. Neke titraju brže, neke titraju većom amplitudom. Tako dolazi do sudara atoma u kristalnoj rešetci. Energija sudara izbacuje elektrone iz vanjskog dijela atoma u kojem je privlačna sile jezgre najslabija i tako nastaje oblak slobodnih elektrona unutar kojeg su smješteni pozitivno nabijeni ioni. Ovakva je struktura posebno izražena kod metala koji su uslijed velikog broja slobodnih elektrona u kristalu najbolji vodiči električne struje. Uslijed konstantnog kretanja elektrona i titranja iona dolazi do stalne razmjene energije. Neke od nabijenih čestica u određenom trenutku dobivaju više energije, ubrzavaju i pritom emitiraju elektromagnetno zračenje, druge pak u sudaru gube energiju i usporavaju te i one generiraju elektromagnetno zračenje. Povisimo li temperaturu takvom sistemu, raste kinetička energija s njezinim porastom raste i broj sudara pa se shodno tome dolazi do povećanog intenziteta zračenja.

Promjenom temperature dolazi do promjene spektralne karakteristike zračenja. Komad željeza zagrijavanjem će emitirati toplinu, zatim će postati crven i na kraju, povisimo li dovoljno temperaturu, usijano bijel. Toplinske zrake, koje osjetimo ali ne vidimo, sasvim je jasno imaju najmanju energiju. Crvene su bogatije energijom budući da željezo treba zagrijati na višu temperaturu, a kako za bijelo svjetlo treba još viša temperatura ono očigledno u sebi sadrži još više energije. Svjetlo je samo onaj dio ukupnog spektra elektromagnetnog zračenja koje možemo registrirati vidom. Toplinsko zračenje ima manju energiju od vidljivog dijela spektra, taj dio pripada području koje nazivamo infracrveno zračenje, skraćeno IC ili kako je uobičajeno IR koje dolazi od engleskog naziva infra red. Na drugom kraju svjetlosnog spektra nalazi se zračenje kraćih valnih duljina, većih frekvencija i veće energije, ultraljubičasto zračenje ili UV, od engleskog naziva ultra violet. Njega smo najčešće svjesni kad dobijemo opekotine od sunca.

Ono što nas zanima kao fotografe je spektralna karakteristika pojedinih izvora zračenja, tj. razdioba energije zračenja u odnosu na frekvenciju. Znamo da zračenje tijela ovisi o njegovoj temperaturi. Temperaturu tijela mjerimo u Kelvinima, iz toga slijedi da spektar zračenja nekog tijela možemo definirati njegovom temperaturom. Upravo tako definiramo spektralne karakteristike svjetlosnih izvora u fotografiji, temperaturom svjetla. Kad govorimo o temperaturi svjetla mi zapravo mislimo na temperaturu izvora koji emitira svjetlo. Ako kažemo da svjetlo volframove žarulje ima temperaturu od 2800 K zapravo želimo reći da je žarna nit u žarulji užarena na 2800 K i da shodno tome ima odgovarajuću spektralnu karakteristiku.