Valgus on elektromagnetilise kiirguse vorm, mille lainepikkus on inimsilmale tuvastatav. See on väike osa elektromagnetilisest spektrist ja kiirgus, mida kiirgavad tähed, näiteks päike. Ka loomad näevad valgust. Valguse uurimine, mida nimetatakse optikaks, on tänapäeva füüsikas oluline uurimisvaldkond. Kui valgus tabab läbipaistmatut objekti, moodustab see varju. Valgus levib vaakumis kiirusega ligikaudu 299 792 458 m/s (tavaliselt ümardatult 3,00·10^8 m/s) ja tema käitumist kirjeldavad nii lainete kui ka osakeste mudelid.
Nähtav spekter ja lainepikkused
Valgus eksisteerib väikestes energiapakettides, mida nimetatakse footoniteks. Igal lainel on lainepikkus või sagedus. Inimese silm näeb iga lainepikkust erineva värvusena. Vikerkaared näitavad kogu nähtava valguse spektrit. Tavaliselt loetakse nähtavate lainepikkuste vahemikuks ligikaudu 380–750 nm (nanomeetrit), kus välisservadelt sissepoole liiguvad värvid on sageli loetletud punase, oranži, kollase, rohelise, sinise, indigolaka ja violetse värvina.
Punasest sagedusest madalamaid lainepikkusi nimetatakse infrapunaseks ja violetsest sagedusest kõrgemaid lainepikkusi nimetatakse ultravioletseks. Infrapuna- ja ultraviolettkiirgus ei pruugi olla inimsilmale nähtavad, kuid neid saab registreerida instrumentidega või need avaldavad muul viisil mõju (soojus, keemilised reaktsioonid, bioloogiline kahjustus).
Valguse topeltnature — lained ja footonid
Valgus on elektromagnetiline kiirgus, millel on nii lainete kui ka osakeste omadused. Kvantmehaaniliselt kirjeldatakse valgust footonitena, mille energia on E = h·c/λ, kus h on Plancki konstant (≈ 6,626·10^-34 J·s), c on valguse kiirus vaakumis ja λ lainepikkus. Nähtava valguse footoni energia jääb ligikaudu 1,65–3,26 eV (elektronvolti) vahele sõltuvalt lainepikkusest.
Peamised omadused
Teised peamised valguse omadused on intensiivsus, polarisatsioon, faas ja orbitaalne nurkliikumine. Intensiivsus väljendab energia hulkasid (radiomeetrilises mõttes vatte) ning inimese tajus vastavad suurused kuuluvad fotomeetria valdkonda (lumenid, luksid, kandela). Polarisatsioon kirjeldab elektrivälja orientatsiooni lainete suhtes ja on tähtis nii füüsikas kui ka tehnilistes rakendustes (näiteks polariseerivad filtrid, ekraanid ja optilised mõõtmised). Faas ja koherentsus on olulised interferentsi ja difraktsiooni nähtuste puhul; laserkiired on sageli kõrge koherentsusega, mis võimaldab täpseid interferentsi- ja mõõtetehnikaid.
Valguse käitumine: peegeldus, murdumine, hajumine, difraktsioon ja interferents
Peegeldus: peegeldunud valguse nurgad ja intensiivsus sõltuvad peegeldava pinna omadustest; peegelduse seadus ütleb, et langeva ja peegelduva laine nurk mõõdetuna normaali suhtes on võrdsed – see võimaldab meil näha peeglist peegeldunud objekti. Peegeldus võib olla spekulaarne (nagu siledal peeglil) või hajus (karedatel pindadel).
Murdumine: kui valgus läbib kahe erineva optilise tihedusega aine piiri, muutub tema kiirus ja levimissuund — seda kirjeldab Snelli seadus: n1·sin θ1 = n2·sin θ2, kus n1 ja n2 on vastavate keskkondade murdumisnäitajad. Murdumine põhjustab ka objekti näiva asukoha nihkumist läbi veeklaasi või õhumullide teket klaasis.
Dispersion: erinevad lainepikkused murduvad veidi erinevalt, mistõttu valgus hajub graafiliselt — see on vikerkaare tekkepõhjus ja põhjus, miks prisma lagundab valge valguse spektriks.
Difraktsioon ja interferents: valguslainete lainete loomu tõttu ilmnevad lainetevahelised interferentsimustrid ja difraktsioon väikeste takistuste või lõhede ümber. Need nähtused määravad optiliste instrumentide eraldusvõime ja on aluseks muuhulgas holograafiale ja lainel põhinevatele mõõtmistehnikatele.
Hajumine ja absorptsioon: atmosfääris hajub lühemad lainepikkused (sinine valgus) tugevamalt — seetõttu paistab taevas päeval sinine. Materjalid võivad valgust imada, tekitades soojuse või muutes keemilisi sidemeid; osaline absorptsioon määrab objekti värvuse.
Inimese nägemine ja värvistus
Inimsilmas eristatakse kahte tüüpi fotoretseptoreid: kepikesed (rodid), mis on väga tundlikud valguse intensiivsusele ja võimaldavad nägemist hämaras, ning kolvikesed (konid), mis on vastutavad värvitaju ja teravuse eest. Enamik inimesi on trikomaatiline — silmas on kolm tüüpi konesid, tundlikud erinevate lainepikkuste suhtes (ligikaudu lühike/sinine, keskmine/roheline, pikk/punane). Värvi tajumine on aga ka ajuprotsess: erinevate spektriliste signaalide kombineerimine ja kontekst mõjutavad, kuidas me värvi kogeme (mõisteid nagu metamerism ja värvipidevus).
Rakendused ja tehnoloogia
Valgust kasutatakse laialdaselt nii teaduses kui igapäevaelus: optilised instrumendid nagu läätsed, peeglid, mikroskoobid, teleskoobid ja kaamerad põhinevad valguse juhitaval murdmisel ja peegeldusel. Fiberoptilised sidekanalid edastavad andmeid valgusimpulssidena piki läätse-sarnaseid kudesid. Laserid pakuvad kõrge intensiivsuse, suunatavuse ja koherentsusega valgust, mis on hädavajalik laserlõikusest kuni täppismõõtmisteni ja meditsiiniliste protseduurideni.
Turvalisus ja bioloogilised mõjud
Mõned valguse komponendid mõjutavad eluolu ja tervist: ultraviolettkiirgus võib põhjustada nahapõletusi ja suurendada naha vähiriski; pikaajaline intensiivne sinise valguse kokkupuude võib mõjutada unerütme ja silmade väsimist; infrapuna on peamiselt soojusenergia kandja. Seetõttu kasutatakse kaitsevahendeid (päikesekreemid, kaitseprillid) ning optilisi filtreid spetsiaalsetes tööstuslikes ja meditsiinilistes rakendustes.
Terminoloogia ja teoreetilised vaated
Füüsikas tähistatakse valguse all mõnikord mis tahes lainepikkusega elektromagnetilist kiirgust, olenemata sellest, kas see on nähtav või mitte. See artikkel käsitleb nähtavat valgust. Üldise mõiste kohta lugege artiklit elektromagnetiline kiirgus.
Peegelduse seadus on see, mis võimaldab meil näha peeglist peegeldunud objekti. Lisaks selgitab see, miks peeglid annavad terava, pööratud pildi ning miks kumerad või nõgusad peeglid pildistavad eri viisil (fookuskaugus ja kujutise suurus sõltuvad peegli kujust).
