Piet Van Duppen

Leestijd 16 — 19 minuten

Wat is licht?

Een fenomeen dat we broodnodig hebben, waarmee we vertrouwd zijn, dat we graag opzoeken, dat we soms vermijden, dat onze geesten ‘verlicht’, waarmee we 80% van al onze informatie opnemen, maar dat we zo slecht kennen. Wat is licht?

Een gespleten persoonlijkheid?

Licht is een golf. Licht beweegt zich voort zoals de golven op de zee, het geluid in de lucht, de trillingen op een snaar.

Licht is een deeltje. Licht bestaat uit een stroom van deeltjes, fotonen genaamd, die zich gedragen als knikkers op een knikkerbaan.

Met ons gezond verstand kunnen we er niet bij dat iets zowel een golf als een deeltje kan zijn en vele natuurkundigen en filosofen hebben, sinds het ontstaan van de kwantummechanica die het duaal karakter introduceerde in het begin van de vorige eeuw, getracht dit uit te pluizen. Op dit ogenblik kunnen we stellen dat noch het golfkarakter noch het deeltjeskarakter op zich afdoende zijn om het geobserveerde te verklaren. We gaan hier niet alle ingenieuze en soms bloedmooie experimenten beschrijven die het duaal karakter van licht aantonen, maar we hebben het gegeven wel nodig om verder te speuren naar het hoe en waarom van licht.

Een historische noot

Archeologisch onderzoek toont aan dat de oude Assyriërs reeds zo’n zesduizend jaar geleden over lenzen beschikten en dus eigenlijk met licht experimenteerden. Uit niets blijkt dat ze de werking ervan begrepen maar de lenzen werden wel als vergrootglas gebruikt. De Grieken maakten spiegels en hadden ook lenzen waarmee ze optische waarnemingen verrichtten. Hieruit concludeerden zij dat het licht zich rechtlijnig voortplantte als een stroom van minuscule deeltjes. Het bleef echter een raadsel of deze deeltjes zich nu van het voorwerp naar het oog verplaatsten of omgekeerd. Deze kennis over het licht bleef zowat constant tot in de 17de eeuw. In de loop van die eeuw, waarin verschillende uitmuntende ambachtslui allerlei optische instrumenten ontwikkelden (brillen, telescopen, microscopen), ontstond een diepe tweespalt in de beschrijving van licht. Isaac Newton hield vast aan de deeltjesstroom, reeds geponeerd door de Grieken, en kon hiermee zaken zoals spiegeling, breking en zelfs het opsplitsen van wit zonlicht in verschillende kleuren door een prisma verklaren. ‘Zijn lichtstralen niet zeer kleine lichamen die uitgestuurd worden door schijnende voorwerpen? (Isaac Newton). Christiaan Huygens daarentegen ontwikkelde een theorie die volledig gebaseerd was op het licht als golf en die een prima verklaring opleverde voor de vele waarnemingen.

In de tweede helft van de 19de eeuw kwam James Clark Maxwell met een verrassend eenvoudige beschrijving waarin hij in vier wiskundige vergelijkingen de ganse theorie van elektriciteit en magnetisme samenbracht en onmiddellijk het bestaan van elektromagnetische golven voorspelde: licht is een elektromagnetische golf! Dit gaf de aanhangers van de golventheorie een enorme voorsprong op de deeltjesfanaten, maar hun triomf was van korte duur. Nog geen vijftig jaar later werd alles door elkaar geschud. Toeval wou dat de Duitse gloeilampenindustrie in het begin van de 20ste eeuw een ‘technologisch’ probleem voorlegde aan Max Planck. Het was genoegzaam bekend dat een verwarmde gloeidraad licht uitstraalt. Een groot deel van de energie die in de gloeidraad afgegeven wordt, wordt echter omgezet in warmte en niet in zichtbaar licht. Vandaar de vraag hoe men gloeidraden kon maken die meer licht en minder warmte zouden uitstralen. Voor een antwoord op deze vraag moest Max Planck naar de fundamenten van een heet stralend voorwerp gaan; hij was trouwens bitter weinig geïnteresseerd in het technologisch aspect van de vraag. Hij presenteerde het verrassende beeld dat een gloeidraad opgebouwd is uit onooglijk kleine, trillende deeltjes – oscillatoren – die via het licht welbepaalde pakketjes energie kunnen opnemen of afgeven. Deze revolutionaire denkpiste werd door Einstein verder uitgewerkt; hij stelde dat het licht zelf uit fotonen bestaat die elk een pakketje energie vervoeren. Deze en andere bevindingen die de geboorte van de kwantummechanica inleidden, legden de ‘waarheid’ terug in het kamp van de deeltjes. ‘Vijftigjaar van zorgvuldig broeden hebben me geen stap dichter gebracht bij het antwoord op de vraag “Wat zijn lichtkwanta?” Tegenwoordig denkt elke Tom, Dick en Harry dat ze het weten, maar ze weten het niet.’ (Albert Einstein).

Nu nemen we aan dat het duaal karakter van licht een natuurlijk gegeven is. Afhankelijk van de manier waarop we naar licht ‘kijken’, toont het zich als golf of als deeltje.

Een golfverschijnsel

Licht is een elektromagnetische golf die zich door de ruimte beweegt, ook door de lege ruimte. Het feit dat de ruimte leeg kan – niet moet – zijn, maakt de lichtgolven zeer bijzonder in vergelijking met andere golfverschijnselen. Maar voor we dieper ingaan op het begrip elektromagnetische golf, beschrijven we eerst een golf in het algemeen. Aan de hand van enkele voor ons meest ‘zichtbare’ golffenomenen introduceren we drie begrippen.

De meest bekende golven zijn de golven die op het water ontstaan wanneer we er een steen ingooien of als er een wind over het oppervlak waait, de golven die over de snaar van een gitaar of langs een gespannen koord lopen of de geluidsgolven die zich door de lucht bewegen als we onze stem verheffen. Al deze zogenaamde mechanische golven hebben hetzelfde nodig om te bestaan:

– ze hebben een medium nodig om zich in of op voort te bewegen: de zeegolven het wateroppervlak, de gitaargolven een snaar, de geluidsgolven lucht of een gas;

– ze worden veroorzaakt door een storing die het medium op een bepaalde plaats uit zijn evenwicht brengt; de steen vervormt het wateroppervlak op de plaats waar hij in het water terechtkomt; met zijn vinger brengt de gitarist de snaar uit zijn evenwicht alvorens ze los te laten; onze stembanden of het membraan van een luidspreker laten de lucht trillen:

– ten slotte moet er een wisselwerking zijn die de storing tracht ongedaan te maken. De krachten tussen de watermoleculen, of tussen de moleculen van de snaar die haar veerkracht geven en de botsingen tussen de luchtmolecu-len zorgen ervoor dat de storing zich verplaatst. Als we met onze vinger in een blok klei duwen en hem vervolgens snel terugtrekken, blijft er een mooi putje over. De storing, het putje, verplaatst zich niet want er is geen actie die deze storing ongedaan maakt. Doen we hetzelfde met een wateroppervlak, dan ontstaat er een golf op het oppervlak.

Wat wordt er bij golven verplaatst? Wanneer we een steen in een vijver gooien en de golven in het oog houden dan lijkt het wel of ze water vervoeren. Maar dit is schijn. Wanneer de golf voorbijkomt wordt het water wel heen en weer en op en neer geslingerd, maar uiteindelijk -wanneer de golf voorbij is – is er geen watertransport. Een herfstblad dat op de vijver ligt zal niet van plaats veranderd zijn nadat een golf voorbij gekomen is. Een golf verplaatst geen materie van het medium. Wat er wel getransporteerd wordt is energie. Denken we even aan de volgende situatie. Een kurken stop drijft op een rustige waterplas. We gooien een steen in het water waardoor er een golf ontstaat die zich naar de oever verplaatst. Als de golf voorbij de stop komt, zal de stop omhoog gaan. Met andere woorden: de stop heeft energie gekregen van de watergolf, want het opheffen van een massa kost energie. Als de golf voorbij is, zal de kurk zijn oorspronkelijke plaats op het kalme wateroppervlak innemen. Hij is de gekregen energie terug kwijt en de golf loopt gewoon door.

Cee is lambda maal nu

In essentie kunnen golven volledig beschreven worden door hun snelheid waarmee ze zich door het medium voortplanten, hun golflengte en hun frequentie. We geven in de natuurkunde de volgende symbolen aan deze grootheden: c voor de golfsnelheid, A. voor de golflengte en v voor de frequentie. Elke golf heeft zijn karakteristieke snelheid die voornamelijk van de eigenschappen van het medium afhangt en die in meter per seconde [m/s] of kilometer per uur [km/h] uitgedrukt wordt. Goed om weten: 100 km/h is ongeveer 28 m/s. Geluidsgolven gaan door de lucht met een snelheid van ongeveer 300 m/s; golven op een waterplas hebben een snelheid van om en bij 1 m/s. De golflengte is de afstand tussen de twee opeenvolgende plaatsen waar de storing maximaal is en wordt in meter [m] uitgedrukt. Voor een watergolf betekent dit de afstand tussen twee opeenvolgende golftoppen. De frequentie is het aantal toppen dat per seconde op één plaats voorbijkomt en wordt in Hertz [Hz] (1 Hz is één per seconde) uitgedrukt. Als we bijvoorbeeld een kurk op het wateroppervlak leggen waarover zich een golf beweegt, dan moeten we eenvoudigweg tellen hoeveel keer de stop per seconde op en neer gaat.

Tussen de snelheid van een golf, zijn golflengte en zijn frequentie bestaat er een vast verband, namelijk: de snelheid van elke golf is gelijk aan de golflengte maal de frequentie [c = X x v]. In al zijn eenvoudige schoonheid drukt deze formule een fundamenteel verband uit tussen de drie basiseigenschappen van alle golven en dus ook voor lichtgolven. De frequentie en de golflengte van elke golf hebben een vaste verhouding en zijn bijgevolg equivalent. De frequentie bepaalt bijvoorbeeld bij geluidsgolven de toon van een muzieknoot. De frequentie van een la is 440 Hz (440 wisselingen per seconde); de frequentie van een do is ongeveer 264 Hz. Merk op dat een la zich met dezelfde snelheid door de lucht voortplant als een do. Als dat niet zo was, dan zou een dialoog totaal anders klinken afhankelijk van hoe ver we ons van elkaar bevinden. Het zou een ware kakofonie worden. Het zijn de golflengte en de frequentie die bij een andere toon veranderen, niet de snelheid. Voor een do is de golflengte 130 cm, voor een la 78 cm. Hoge tonen hebben dus grote frequenties en kleine golflengtes terwijl dit bij lage tonen net omgekeerd is. De golflengte die een muziekinstrument kan produceren wordt bepaald door de afmetingen van het instrument. Een grote fluit zal dus voornamelijk lage ‘bas’tonen weergeven (lange golflengte) terwijl een klein fluitje hoge tonen weergeeft (korte golflengte). Aan de afmetingen van een muziekinstrument kan je dus onmiddellijk zien of het lage dan wel hoge tonen zal produceren.

Elektromagnetische golven

‘Er bestaan elektromagnetische golven die zich gedragen als golven op een wateroppervlak.’ Michael Faraday in 1832 in een brief aan de Engelse Royal Society.

Het is dus pas een goede 150 jaar geleden dat we eindelijk beseften welk soort golf licht is. Licht is een elektromagnetische golf. Hoe moeten we ons dat voorstellen? Wanneer een lichtgolf zich door de ruimte beweegt, ontstaan en verdwijnen er elektrische en magnetische velden op het ritme van de golf. Dit zijn de storingen die zich door de ruimte voortbewegen. Het effect van magnetische velden kennen we misschien het best van de plakmagneetjes op de deur van de koelkast. Elektrische velden zijn minder bekend, maar de ballon die aan onze hand blijft plakken als we hem op een droge winterdag eerst tegen onze trui wrijven, is een gevolg van de krachten die opgewekt worden door de elektrische velden tussen de ladingen op de ballon en de ladingen op onze hand. Beide fenomenen hebben dezelfde oorsprong. Michael Faraday toonde aan dat elektrische velden die in de tijd veranderen – bijvoorbeeld groter of kleiner worden – magnetische velden opwekken en omgekeerd. In de tijd veranderende elektrische of magnetische velden induceren elkaar. Er bestaat een voortdurende wisselwerking tussen die twee. Het concept ‘elektrisch en magnetisch veld’ is een gedachtespinsel. We stellen ze voor met een pijltje dat aangeeft in welke richting het veld wijst. Een lichtgolf kunnen we dus voorstellen als een serie opeenvolgende pijlen die groter en kleiner worden (figuur 1).

Hier houdt echter de vergelijking met de andere golffenomenen op. Licht vertoont belangrijke verschillen met de golven op het wateroppervlak. Ten eerste blijkt dat licht GEEN medium nodig heeft om zich in voort te planten. Het verplaatst zich zelfs door de lege ruimte. Dit feit heeft in het verleden hoog oplopende discussies opgeleverd. Velen dachten dat licht zich voortplantte in de ‘ether’. Sommigen zeggen trouwens nog steeds dat ‘de radio in de ether is’ want radiogolven zijn in wezen niet verschillend van lichtgolven. Licht plant zich voort met een constante golfsnelheid van 299.792.458 m/s oftewel 1.079.252.849 km/h. Maar nu komt er een probleem: ten opzichte van wat is deze snelheid gedefinieerd? Als men de snelheid van de golven op een vijver zou meten van op de kant (dus in stilstand ten opzichte van het water) of op het moment dat men zelf met een bootje tegen de golven invaart, dan bekomen we een verschillend resultaat. In het tweede geval is de gemeten snelheid groter. De snelheid van de golven op het wateroppervlak is bepaald ten opzichte van het stilstaand water. Maar daar licht geen medium nodig heeft waarin het zich kan voortplanten, is zijn snelheid altijd en overal dezelfde, of we ons nu bewegen of niet. Aartsmoeilijke precisie-experimenten hebben dit inderdaad kunnen aantonen: de snelheid van het licht ten opzichte van eender welke waarnemer is altijd dezelfde. Dit gegeven ligt onder andere aan de basis van de relativiteitstheorie van Albert Einstein met al zijn schijnbaar vreemde consequenties zoals bewegende klokken die trager tikken. De lichtsnelheid is bovendien de grootste snelheid die kan bereikt worden. Dit betekent ook dat geen enkele communicatie sneller kan gaan dan de snelheid van het licht. We kijken telkens in het verleden. Als we een toneelstuk bekijken van op 20 meter afstand, dan is wat we zien reeds een 67.000ste van een miljoenste seconde geleden gebeurd. Dit lijkt klein en verwaarloosbaar maar heeft belangrijke gevolgen indien zeer snelle fenomenen bekeken worden. Als we ‘s avonds naar de sterrenhemel kijken, kijken we zeer ver terug in de tijd. Het licht dat ons bereikt is soms miljoenen jaren onderweg geweest alvorens ons te bereiken en wat we zien gebeurde dus evenzoveel jaar geleden.

Een onooglijk klein stukje van het spectrum

Dikwijls staan we verstomd over de rijkdom en variatie aan kleuren die we om ons heen aantreffen. De kleuren van het zichtbare licht worden bepaald door de golflengte (of de frequentie) van de lichtgolf (figuur 2). Zo heeft een rode kleur een golflengte van om en bij het 650.000.000ste van een millimeter of 650 nanometer, terwijl de golflengte voor blauw licht rond de 470 nanometer ligt. De bijhorende frequenties zijn van de orde van 500 triljoen trillingen per seconde: dit is een 5 met 14 nullen erachter. Dit wil zeggen dat het pijltje van het elektrisch veld zo’n 500 triljoen keer per seconde op en neer gaat. De notie ‘kleur’ die we geven aan het licht dat we met onze ogen zien, is een interpretatie van onze hersenen. Het licht dat we observeren is meestal samengesteld uit verschillende elektromagnetische golven die alle verschillende frequenties of kleuren hebben. TV-monitoren gebruiken bijvoorbeeld drie zogenaamde primaire kleuren (rood, groen en blauw) om zowat alle andere kleuren samen te stellen. Maar het licht – en bijvoorbeeld de gele kleur die we zien wanneer we naar het scherm kijken – is het gevolg van een golf samengesteld uit verschillende frequenties. Onze hersenen interpreteren dit licht als geel. We moeten een onderscheid maken tussen de kleur van het licht (in de fysische betekenis) en de kleur die we met onze ogen ‘denken’ te zien (fysiologische betekenis). Als we met een gele lichtstraal op een wit blad schijnen of met een rode en een groene lichtstraal op dezelfde plaats op een wit blad schijnen, dan zullen we in beide situaties het weerkaatste licht als geel ‘zien’. Sturen we de gele lichtstraal door een prisma dan zien we na doorgang een dunne gele lijn. Sturen we de twee lichtstralen – rood en groen – op dezelfde plaats door een prisma, dan geeft dit een rode en een groene lijn, geen gele lijn. De meeste kleuren die we zien, zijn een gevolg van een samenstelling van een heleboel verschillende golflengtes; wit licht bevat zowat al de kleuren van de regenboog (denk aan het prisma van Newton dat het zonlicht opsplitst in verschillende kleuren). Er zijn echter een paar uitzonderingen. Zo bestaat het licht van natriumlampen – de geelachtige lampen die gebruikt worden voor de straatverlichting – uit slechts twee frequenties die beide de typisch gele kleur geven. Als we laserlicht door een prisma sturen, zien we één dun lijntje.

Onze ogen zijn gevoelig voor elektromagnetische straling tussen 400 (naar het violet) en 700 (naar het infrarood) nanometer. Dit gebied is slechts een pietluttig onderdeel van het globale elektromagnetisch spectrum. Als de frequentie verder afneemt, komen we in het infrarode deel van het spectrum. Deze elektromagnetische golven, waar onze ogen niet gevoelig voor zijn, zorgen voor de warmteoverdracht. Zo kan men met een infraroodgevoelige camera – die vraagt in essentie enkel een fotografische film die gevoelig is voor infrarode straling – de warmtelekken van een huis in kaart brengen. Zakken we nog verder af in frequentie dan komen we in het gebied van de gsm-, tv- en radiogolven. Ook de microgolven die gebruikt worden in microgolfovens horen tot deze klasse. Vaak horen we op de radio dat u één of andere zender kunt beluisteren op ‘achtentachtig punt nul’. Wat men bedoelt is dat de elektromagnetische golf waarmee deze zender uitzendt een frequentie van 88.0 megahertz of 88.0 miljoen trillingen per seconde heeft. De bijhorende golflengte van de elektromagnetische golf die deze zender de ‘ether’ instuurt is zo’n drie meter lang (299.792.458 gedeeld door 88.000.000 is ongeveer 3). Om deze golf te ontvangen hebben we een antenne nodig zodat het elektrisch veld van de radiogolf de ladingen in de antenne op het ritme van de frequentie laat bewegen. Uit deze beweging worden de geluiden gepuurd en naar de luidsprekers gestuurd. Zoals de afmetingen van een muziekinstrument aangepast zijn aan de tonen die het moet produceren, moeten we de lengte van de antenne aanpassen aan de golflengte van de radiogolf. Om een radiopost goed te ontvangen moet de antenne een vierde van de golflengte meten. Radiogolven zijn dus in wezen niet verschillend van het licht. Het zijn ook elektromagnetische golven die enkel verschillen in frequentie (of golflengte) en die dezelfde snelheid hebben als het zichtbare licht. Als we via satellieten communiceren ondervinden we aan den lijve dat de lichtsnelheid heel groot maar niet oneindig groot is. Een gesprek op het tv-journaal tussen de nieuwslezer en een correspondent ter plaatse, die een of andere overstroming in de Ardennen verslaat, verloopt via een satelliet. Een elektromagnetische golf vertrekt vanuit de studio in Brussel naar een satelliet die op zo’n 36.000 kilometer hoogte hangt, wordt weerkaatst naar de correspondent ter plaatse en terug. Dit betekent dat de volledige cyclus van vraag ‘En, Mario, hoe is de situatie ter plaatse?’ en antwoord ‘Ja, Sigrid, zoals je ziet is de waterellende nog niet ten einde’ een tijd nodig heeft van om en bij de halve seconde. Hetzelfde effect van de eindigheid van de lichtsnelheid ondervinden we als we intercontinentale telefoongesprekken via een satelliet voeren.

Wanneer we, terug vertrekkende van het zichtbare deel van het elektromagnetisch spectrum, naar grotere frequenties gaan, dan vinden we de ultravioletstraling (verantwoordelijk voor het verbranden van onze huid als we te lang zonnebaden), de x-stralen (welbekend van de röntgenfoto’s) en de gammastralen (die vrijkomen bij radioactieve straling).

Al deze elektromagnetische golven zijn essentieel dezelfde als het zichtbare licht. Ze verschillen enkel in golflengte – en dus frequentie – maar niet in aard en ze planten zich alle voort met de lichtsnelheid. Licht van een andere kleur, groen in de plaats van rood, is dus in wezen hetzelfde als radiogolven van verschillende zenders, Radio 1 in de plaats van Studio Brussel. Het elektromagnetisch spectrum heeft een bijzonder groot bereik en daar maken mens en natuur gretig gebruik van.

Licht is een stroom van fotonen

Tot hiertoe hebben we nog niets gezegd over het ontstaan of het verdwijnen van licht. Hiervoor moeten we afstappen van het golfkarakter, het roer omslaan en het deeltjeskarakter van het licht bekijken.

Een gloeidraad stuurt licht uit omdat zijn energie in zichtbaar licht omgezet wordt. Licht verplaatst dus, zoals elke golf, energie en het proces vertegenwoordigt een omzetting van de ene vorm van energie naar een andere. Wat blijkt nu? Deze energieomzetting is niet continu maar gekwantiseerd. Het licht bestaat uit een heleboel lichtkwanta – fotonen genaamd- die elk een welbepaalde hoeveelheid energie bezitten. Om dit beter te begrijpen moeten we even stilstaan bij de atomen en moleculen waaruit al de materie bestaat.

Alle materie is opgebouwd uit atomen: minuscule entiteiten bestaande uit een harde pit, opgebouwd uit protonen en neutronen, waarrond op bepaalde banen elektronen vliegen. Het is de aantrekkingskracht tussen de positief elektrisch geladen protonen en negatief geladen elektronen die voor de binding tussen de harde pit en de elektronen zorgt. De banen van de elektronen liggen vast en elke baan komt overeen met een bepaalde energie. We durven dit wel eens vergelijken met de beweging van de planeten rond de zon of met een balletje dat vastgemaakt is aan een elastiek en dat we laten ronddraaien. Als we het balletje een grotere snelheid geven, zal het een cirkel beschrijven die zich wat verder van onze hand bevindt: het volgt een andere baan. Wanneer we een stof opwarmen, zullen de buitenste elektronen van de atomen in verder afgelegen banen gekata-pulteerd worden. De elektronen kunnen niet zomaar elke willekeurige baan nemen, de banen zijn gekwantiseerd. Deze banen verschillen voor de verschillende types atomen en moleculen. Elke baan komt overeen met een welbepaalde energie. De elektronen bevinden zich dus als het ware op de verschillende treden van een energieladder. Als het atoom opgewarmd wordt, zal bij voorkeur het elektron in de buitenste baan naar hogere treden van de energieladder verhuizen. Zo kan het één of meerdere treden overbruggen, maar tussenliggende waarden kan het niet bereiken want er is geen trede beschikbaar. De natuur streeft echter steeds naar de laagste energietoestand en na een zeer korte tijd zal het elektron terug een trapje lager gaan. Als gevolg hiervan is er een overschot aan energie want het elektron gaat van een hogere trede naar een lagere trede op de energieladder. Dit energieoverschot komt vrij onder de vorm van elektromagnetische straling, en dus ook licht. Bij zo’n overgang van een hogere naar een lagere trede komt er één lichtfoton vrij en dit foton draagt al de vrijgekomen energie met zich mee. Deze energie komt net overeen met het energieverschil tussen de trede waarvan het elektron komt en de trede waar het naartoe gevallen is. Merk op dat indien het elektron een trapje hoger gaat, er ook één foton met een welbepaalde energie opgenomen kan worden. Bij zijn onderzoek naar effectievere gloeilampen kwam Max Planck tot een eenvoudig verband tussen de energie van een foton en de frequentie van de elektromagnetische golf. de energie van een lichtkwantum is een aantal maal de frequentie [E = h x v]. Hierbij is ‘h’ eenvoudigweg een getal dat men later de constante van Planck heeft genoemd. De fotonen van het licht dragen een grotere energie met zich mee dan infrarode fotonen of de fotonen van radiogolven. De fotonen van de x- en gammastralen hebben dan weer een grotere energie dan lichtfotonen. Vandaar dat deze laatste schadelijk kunnen zijn voor onze gezondheid.

Nu we een eenduidig verband hebben tussen de frequentie van het licht (het golfkarakter) en de energie-inhoud van een foton (het deeltjeskarakter), is de cirkel gesloten. Een elektromagnetische golf is dus niets anders dan een stroom van fotonen die zich aan lichtsnelheid voortbewegen.

Het aantal fotonen kan groot zijn. Bijvoorbeeld: een ideale lamp of een laser die enkel groen licht uitstuurt met een vermogen van een paar Watt (een typische waarde voor een gloeilamp) stuurt om en bij de miljoen triljoen (een 1 met 18 nullen achter) lichtfotonen per seconde uit. Dit wil ook zeggen dat er in die lamp per seconde evenzoveel elektronen op de energieladder een trapje lager springen en telkens een groen lichtfoton uitsturen. Het aantal fotonen bepaalt de hoeveelheid licht, de energie van het foton of de frequentie bepaalt de kleur.

En toen was er licht

Alles wat we kunnen zien is in wezen een bron van zichtbaar licht. Enkel een perfect zwart voorwerp vormt hierop een uitzondering want het absorbeert alle licht. De spots op de scène vinden we vanzelfsprekend een lichtbron. De lampen zetten elektrische energie om in licht, de elektronen worden door thermische beweging de ladder opgeduwd en als ze terug naar beneden vallen zenden ze lichtfotonen uit. Deze fotonen kunnen in het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum liggen en geven dan licht, maar een deel zal in het infrarode deel liggen en warmte geven. Het hangt af van de weg die de elektronen naar beneden volgen. Ook de filter die we voor de lampen zetten, de voorwerpen op het podium, de kleren van de acteurs,… alles is in wezen een bron van licht. De kleur van het licht dat een voorwerp uitstuurt, hangt af van de energieladder van de atomen en moleculen van het materiaal waaruit het voorwerp is gemaakt.

Die energieladder is echter ingewikkelder dan tot hiertoe gesteld, hij heeft zeer veel treden en de treden verschillen naargelang het type atoom: een atoom van ijzer heeft een totaal andere energieladder dan een atoom van lood. Tevens is de weg die een elektron naar boven volgt niet altijd dezelfde als de weg naar beneden. Meteen begrijpen we dat elk type atoom of molecule ook zijn specifiek kleurenpalet uitstuurt. Het licht dat op een voorwerp valt, wordt gereflecteerd of geabsorbeerd en vervolgens eventueel weer uitgezonden (emissie). De verschillen hebben te maken met de verschillen in absorptie en emissie van het materiaal. Om te kunnen absorberen moeten er treden op de energieladder ter beschikking staan. Als wit licht, een samenstelling van alle kleuren, door een rode filter gestuurd wordt, dan wordt het rode licht doorgelaten, terwijl het blauwe licht bijvoorbeeld geabsorbeerd wordt. Dit betekent dat de energieladder van het materiaal waarvan de filter gemaakt is over treden beschikt waarnaar de elektronen kunnen gaan als ze een blauw foton opnemen, maar geen treden heeft om de elektronen een rood foton te laten absorberen. Rood licht gaat ongestoord verder, terwijl blauw licht geabsorbeerd wordt. Zo heeft glas eenvoudigweg geen treden waarnaar de elektronen geduwd kunnen worden als ze fotonen van het zichtbare licht absorberen en dus laat glas het zichtbare licht door. Ultraviolette straling wordt wel tegengehouden, want op de energieladder van glas zijn er veel treden beschikbaar voor de elektronen die een ultraviolet foton absorberen: achter glas lopen we minder snel zonnebrand op. Het materiaal van een fluorescerende stift neemt dan weer gemakkelijk wit licht op, maar de weg naar beneden gebeurt voor de meeste elektronen met ongeveer dezelfde energiestap wat aanleiding geeft tot het typische gele, groene of oranje licht.

Licht heeft vele facetten waarvan we er hier een paar ‘uitgelicht’ hebben. Het deeltje-golf karakter is er één van. We zijn niet blijven stilstaan bij de eigenschappen van fotonen en hun rol bij de relativiteitstheorie, noch bij het gebruik van licht in het onderzoek, noch bij de vele toepassingen in het dagdagelijk leven, noch bij de vele vragen die ons nog resten. Licht speelt een belangrijke rol in zowat alle aspecten van het leven en de samenleving en toch is het in wezen een eenvoudig fenomeen. Het is een verzameling van elektromagnetische golven met elk een bepaalde frequentie en golflengte én het is een stroom van fotonen die zich aan lichtsnelheid door de ruimte bewegen en die elk een bepaalde hoeveelheid energie met zich meedragen. Als we in de toekomst door een prachtig kleurenspel ontroerd worden, is het misschien de moeite om hier even bij stil te staan.

 

Je leest onze artikels gratis omdat we geloven in vrije, kwalitatieve, inclusieve kunstkritiek. Als we dat willen blijven bieden in de toekomst, hebben we ook jouw steun nodig! Steun Etcetera.

artikel
Leestijd 16 — 19 minuten

#78

15.10.2001

14.01.2002

Piet Van Duppen