Lichtstralen

Wanneer je een voorwerp 'ziet' dan komt dat doordat er lichtstralen vanaf dat voorwerp in je oog vallen. Lichtstralen zijn elektromagnetische golven die worden uitgezonden door een lichtbron, zoals de zon of een lamp. Je kunt een lichtstraal zelf niet zien, je kunt alleen het voorwerp zien waar de lichtstraal vandaan komt.

Lichtstralen en lichtbundels

Een lichtstraal begint altijd bij een lichtbron. Wanneer een lichtstraal niet gehinderd wordt door bijvoorbeeld een voorwerp of een andere stof, zal de lichtstraal altijd rechtdoor gaan. In een tekening geven we de lichtstraal aan met een doorgetrokken lijn, met een pijltje er in die de richting aangeeft.

Één lichtstraal komt in de praktijk echter niet voor, wat we een lichtstraal noemen is eigenlijk meestal een hele dunne lichtbundel. Ook lichtbundels kunnen we tekenen, we geven dan alleen de buitenste lichtstralen aan en kleuren de rest van de bundel in. Er zijn drie soorten lichtbundels:

• Evenwijdige lichtbundel: de lichtstralen lopen parallel aan elkaar.
• Convergente lichtbundel: de lichtstralen lopen naar elkaar toe.
• Divergente lichtbundel: de lichtstralen lopen van elkaar af.

Als een lichtstraal op een voorwerp valt

Hieronder volgt een lijstje van dingen die kunnen gebeuren wanneer een lichtstraal op een voorwerp valt. Ze worden verderop in dit hoofdstuk uitgelegd.

• Spiegelende terugkaatsing: lichtstralen worden allemaal in dezelfde richting teruggekaatst.
• Diffuse terugkaatsing: lichtstralen worden in willekeurige richtingen teruggekaatst.
• Breking: lichtstralen gaan door een doorzichtige stof heen, maar worden van richting veranderd.
• Absorptie: lichtstralen worden door het voorwerp geabsorbeerd, en gaan niet meer verder.

Spiegelende terugkaatsing

Als het oppervlak waar de lichtstraal op valt extreem glad is dan werkt het oppervlak als een spiegel. Er is dan sprake van spiegelende terugkaatsing. Dit wordt ook wel reflectie genoemd. De richting van de teruggekaatste lichtstraal kun je vinden met behulp van de spiegelwet: de hoek van inval is gelijk aan de hoek van terugkaatsing. De hoeken worden gemeten ten opzichte van de normaal: een hulplijn loodrecht op de spiegel.

De door een spiegel teruggekaatste lichtstraal lijkt, voor als hij in je oog valt, van achter de spiegel te komen. Daarom ontstaat er een spiegelbeeld. Dat spiegelbeeld ligt net zo ver achter de spiegel als het voorwerp voor de spiegel staat. De lichtstralen lijken uit het spiegelbeeld te komen, maar in werkelijkheid zijn dat de lichtstralen die van het voorwerp zélf afkomen, en op het spiegeloppervlak gereflecteerd worden. Het spiegelbeeld is een virtueel beeld: het beeld lijkt er te zijn, maar in werkelijkheid is er achter de spiegel helemaal niks.

Diffuse terugkaatsing

De meeste oppervlakken of voorwerpen zijn niet zo glad als een spiegel. Elke lichtstraal wordt dan in een andere richting weerkaatst. Dit wordt diffuse terugkaatsing genoemd. Er is altijd wel een lichtstraal die naar je oog teruggekaatst wordt, daarom kun je het oppervlak of voorwerp zien.

Een lichtstraal zélf kun je niet zien! Wanneer je denkt dat je een lichtstraal door de lucht ziet gaan, dan zie je eigenlijk bijvoorbeeld stofdeeltjes of waterdamp die lichtstralen diffuus naar je oog weerkaatsen.

Breking van licht

Wanneer een lichtstraal van de ene naar de andere doorzichtige stof gaat kan hij een beetje van richting veranderen. Dit wordt de breking van licht genoemd. Een ander woord voor breking is refractie. Hoeveel de lichtstraal van richting verandert hangt af van de brekingsindex van de stof. De brekingsindex is een stofeigenschap, je kunt die dus opzoeken in een tabel. De brekingsindex van lucht is 1, die van andere doorzichtige stoffen (denk aan glas, water, alcohol, diamant, ...) is groter dan 1. Er geldt:

• Als de lichtstraal van een stof met een lagere naar een stof met een hogere brekingsindex gaat breekt hij naar de normaal toe: de gebroken lichtstraal komt dichter bij de normaal te liggen.
• Als de lichtstraal van een stof met een hogere naar een stof met een lagere brekingsindex gaat breekt hij van de normaal af: de gebroken lichtstraal komt verder van de normaal te liggen.
• Hoe groter het verschil is tussen de brekingsindices van de stoffen, hoe meer de lichtstraal van richting verandert.

Absorptie van licht

Wanneer licht op een voorwerp valt, dan kan het licht (of een deel ervan) ook geabsorbeerd worden. De lichtstralen worden dan niet teruggekaatst. Een voorwerp dat ál het licht absorbeert kaatst dus geen licht terug, het voorwerp is dan zwart. Omdat licht een vorm van energie is absorberen zwarte voorwerpen dus meer energie dan witte
voorwerpen. Daarom is de temperatuur van een zwart voorwerp hoger.

Gekleurde voorwerpen

Wit licht, dat van de zon of bijvoorbeeld van lampen komt, bestaat eigenlijk uit lichtstralen van alle kleuren. Wanneer er licht op een gekleurd voorwerp valt dan worden sommige kleuren diffuus weerkaatst en andere kleuren geabsorbeerd. Welke kleur licht er weerkaatst wordt is afhankelijk van de kleur van het voorwerp. Wanneer er bijvoorbeeld wit licht op een groen blaadje valt, dan zal het blaadje alleen het groene deel van het licht weerkaatsen. Daarom zie je het blaadje als een groen blaadje. Alle andere kleuren worden geabsorbeerd door het
voorwerp. Wanneer je met een blauwe lamp alleen blauw licht op het groene blaadje zou laten vallen, dan wordt al dat licht geabsorbeerd. Er is dan immers geen groen licht om terug te kaatsen. Je ziet het blaadje dan als zwart.

Witte voorwerpen kaatsen alle kleuren terug. Dus wanneer je rood licht op een wit voorwerp laat vallen, dan zie je het witte voorwerp als rood, omdat er dan alleen maar rode lichtstralen teruggekaatst kunnen worden.

Kleuren zien: het witte licht valt op het blaadje, deze absorbeert alle kleuren behalve groen. Het groene licht wordt weerkaatst, waardoor je oog alleen groen licht detecteert. Daarom zie je het blaadje als groen.

Kleurenfilters

Een kleurenfilter laat alleen de kleur van de kleurenfilter door, alle andere kleuren worden door het filter geabsorbeerd. Wanneer er bijvoorbeeld wit licht op een blauwe kleurenfilter valt wordt alleen het blauwe deel van het licht doorgelaten. Wanneer er rood licht op datzelfde blauwe kleurenfilter valt dan laat het filter geen licht door, er is immers geen blauw licht. Het rode licht wordt dan volledig door het filter geabsorbeerd.

Kleuren mengen

De drie basiskleuren voor licht zijn rood, groen en blauw. Door licht van deze kleuren te mengen kun je ook andere kleuren licht maken. Dit is bijvoorbeeld de manier waarop een witte LED-lamp werkt: deze bestaat eigenlijk uit rode, groene en blauwe LEDs. Wanneer je alle drie de kleuren rood, groen en blauw mengt krijg je wit licht. Door meer of minder van de basiskleuren te gebruiken kun je alle kleuren maken. Op deze manier ontstaan ook de kleuren op bijvoorbeeld je computerscherm.