F ÉNYTANI ALAPFOGALMAK

A fény nem más, mint az elektromágneses hullámok vagy részecskék alakjában történő energiakibocsájtás vagy energiaátvitel – a sugárzás – látható részének érzékelés szerinti megfelelője, és amelynek keltésével, mérésével, alkalmazásával és az emberre kifejtett hatásával a fénytechnika (optika) foglalkozik. A fénykeltéssel kapcsolatos kutatások során két alapvető sajátosságot állapítottak meg: egyrészt a mikrorészecskék kettős – hullám és részecske – jellegét, másrészt a mikrofolyamatok törvényszerűségeinek statisztikus jellegét. Mivel a világítástechnikai kérdések tárgyalásakor tanulmányozott jelenségekre vonatkozóan a hullámelmélet teljesen kielégítő magyarázatot ad, a fényt csak elektromágneses hullámoknak tekintjük [10].

3.1.1. A fény

A fény az elektromágneses sugárzás szemünk által érzékelhető hányada (3.1 ábra). Az ún. látható tartomány 380 nm-től 780 nm-ig terjed, ezen belül a szemünk a hullámhossztól függően képes a sugárzást fényérzetté alakítani [2]. A fény az emberi szem számára érzékelhető elektromágneses sugárzás. amely a szemben fényérzetet kelt, és ezáltal látható. Alapmeghatározásai:

 elektromágneses hullám;

 frekvenciája meghatározható;

 energia (energia által keletkezik és megszűnésekor energiává alakul).

A sebesség (c), a frekvencia (f) és a hullámhossz ( ) között a következő kapcsolat áll fenn:

Mivel a fény sebessége vákuumban állandó, a látható fényt a hullámhosszával is jellemezhetjük.

A fény az emberi szem retinájának érzékelőit, az úgynevezett csapokat és pálcikákat ingerli, mely ingerek elektromos impulzusokként terjednek az idegekben, a látóidegen végighaladva az agyban keltenek világosságérzetet.

Hogy az elektromágneses hullámok spektrumának éppen ezt a kis részét látjuk, valószínűleg a légkör sugárzáselnyelése miatt van így [5]. Az elektromágneses hullámok

jelentős részét ugyanis a légkör elnyeli, így azok nem érik el a Föld felszínét. Két „ablak”

azonban nyílik a világűrre. Az egyik a rádióhullámok tartománya, a másik pedig a látható fényé. A látható fény tartományának sugarai – azaz ami végül az evolúció során láthatóvá lett – igen kis tárgyak felületéről is egyszerű szabályokat követve verődnek vissza és ráadásul az anyagtól függően általában igen jellegzetes visszaverődési színképet produkálnak, így az ezt érzékelni képes élőlények jól hasznosítható képet kapnak a környezetükről.

Bay Zoltán javaslata alapján a méter definícióját a fénysebességre és az időegységre vetítik vissza, így a fénysebesség értéke a méterdefiníció szerint pontosan 299 792,458 km/s [9]. Egyszerűbb számításokban gyakran a felkerekített 300 000 km/s értéket használjuk.

A fény terjedési sebessége vákuumban meghatározható a következő összefüggés alapján [10]:

ahol:

: a fény sebessége;

: a vákuum permittivitása (vákuum dielektromos állandó);

: a vákuum mágneses permeabilitása.

A fény sebességét vákuumban jelenleg állandónak tekinthetjük, de vannak kísérletek a nagyobb sebesség kimutatására.

3.1 ábra: A fény helye az elektromágneses spektrumban Forrás: EM_spectrum.svg: Philip Ronan

A sugárzást csoportosíthatjuk a frekvencia (hullámhossz) és a láthatóság alapján.

A frekvencia alapján a következő sugárzásokat különböztetjük meg [3]:

 Monokromatikus sugárzás, amelyet egyetlenegy frekvencia jellemez, vagy amelynek olyan kicsi a frekvencia-, ill. a hullámhossz-tartománya (sávja), hogy egyetlenegy frekvenciával jellemezhető.

 Összetett sugárzás az, ha a sugárzás egyidejűleg több hullámhosszon történik.

A láthatóság alapján a következő sugárzásokat különböztetjük meg:

 Láthatatlan sugárzás az olyan elektromágneses sugárzás, amely közvetlenül nem képes látásérzetet kelteni, ilyen sugárzás az infravörös sugárzás, amely 1 mm-nél kisebb hullámhosszúságú monokromatikus sugarakból tevődik össze (a látható sugárzásénál nagyobb a hullámhossza) és az ultraibolya sugárzás, amelynek hullámhossza kb. 1–400 nm (a látható sugárzásénál kisebb a hullámhossza).

 A látható elektromágneses sugárzás spektruma a 380 nm-es a 780 nm (1 nm = 1/1 000 000 mm) közötti tartományt fedi le. Az emberi szem a kb. 550 nm-es (sárga-zöld) sugárzásra a legérzékenyebb: ezt az értéket tekintik1-nek, amely azután gyorsan csökken az ultraibolya es az infravörös színek irányába is. A látható sugárzás valamennyi komponense adja a fehér fény „érzetet”.

3.2 ábra: Az emberi szem relatív spektrális érzékenysége nappali (fotopikus) és félhomályhoz adaptálódott szemmel (szkotopikus)

Forrás: [23]

3.1.2. A fény tulajdonságai Fénytörés [2]

A fény nem kerüli meg a testeket, némelyiken átmegy. Az ablaküveg, a víz, a levegő átlátszó. Az átlátszó anyagból készült elég vastag réteg már nem átlátszó: elnyeli a fényt. Azt a jelenség, amely akkor következik be, ha a fénysugár két közeg határfelületére érkezik, és az új közegbe behatol, fénytörésnek nevezik. Ha a beesés nem merőleges, akkor ez irányváltozással jár. Az irányváltozás azzal az általános érvényű hullámjelenséggel kapcsolatos, hogy a hullám sebessége (és hullámhossza) is

megváltozik az új közegben. Az irányváltoztatás mértékét a Snellius–Descartes-törvény írja le:

ahol: α a beeső sugár és a felület normálisa közötti szög, β a megtört sugár és a felület normálisa közötti szög, a második közegnek az elsőre vonatkoztatott törésmutatója.

A törésmutató a két közegre vonatkoztatott fénysebességek hányadosát jelenti. Mivel a törésmutató hullámhosszfüggő, mód nyílik fénytöréssel az összetett fehér fényt monokromatikus színek sorozatára (spektrumra) bontani. Ezen alapszik a fény prizma segítségével való felbontása. A prízma optikai elem, amelynek felületein fénytörés következtében a fény iránya megváltozik. A speciálisan kialakított prizmák felhasználhatók a fénysugarak irányának megváltoztatására (pl. képfordító prizma), vagy kívánt irányú sugárnyalábok előállítására (prizmás burák, gépjárműfényszórók üvegei).

A törésmutató az anyagok legfontosabb optikai állandója, értéke adott hullámhosszon négytizedes pontosságig meghatározható. A fénytörésnek a világítástechnikában a lámpatest-burák (refraktorok) geometriai-optikai tervezésénél és ezáltal a kívánt fényeloszlás kialakításánál igen nagy jelentősége van.