Hvorfor udbreder lys sig i fremadrettede linjer?

Hej Spørg om Fysik

Mit spørgsmål angår lysets udbredelse: Lys dannes af en vekslen mellem et elektrisk felt og et magnetisk felt. Disse felter danner (ifølge min logik) et felt, der udbreder sig i alle retninger, og lys burde derfor udbrede sig i alle retninger, lige meget,  - og ikke kun have en retning, som det jo gør. Hvilket ses, hvis vi f.eks. betragter lys fra en lommelygte.

Hvorfor udbreder lys sig i fremadrettede linjer - f.eks væk fra personen, der holder lommelygten - og ikke i et felt hele vejen rundt om ?

Med venlig hilsen
C A

Lyset fra en lommelygtes glødelampe kommer fra en glødende wolframtråd. Lyset fra tråden breder sig principielt i alle retninger, hvor der ikke er noget, som stopper det.

For at få mest mulig nytte af den energi man bruger, og størst mulig lysstyrke, har man normalt anbragt et spejl bag glødetråden. Spejlet er oftest en parabol, tidligere jern i dag af plastik og med et blankt lag aluminium lagt på. Blanke metalflader sender lyset tilbage efter den lov man kalder spejlloven.

Det du siger om lys er i almindelighed rigtigt. Tager man dog et eksiteret gasatom, og lader det henfalde, kommer der en foton, som naturligvis ikke kommer ud i alle retninger, men i en bestemt retning, som man ikke kan forudsige. Har man f.eks. et neonrør med lysende gasatomer, er der så mange henfald, som giver fotoner, at de kommer statistisk ud, det vil sige lige meget i alle retninger (hvor der ikke sidder noget i vejen).

Metalflader stopper udbredelsen af sådanne elektriske felter, derfor bruges de som reflektorer. I tilfældet med lygten, hvor det er en blank og glat flade, sker der en refleksion med meget lille energitab. Lyset kastes altså tilbage stort set fra alle retninger, bortset fra den man ønsker lyset skal udbrede sig i, altså i det man kalder lyskeglens retning, og lyset kommer altså ud som en stråle. Man indretter nemlig reflektoren så lysstråler stort set fra alle retninger fra glødelampen sendes i samme retning. Dette  forhold gælder også billygter mm. Man kan også koncentrere lyset med linser, det gør man i projektører, her har man dog samtidigt også spejle.

Moderne lygter bruger ofte lysdioder

Her kommer lysvirkningen ud fra en lagdelt halvleder, og er på forhånd ikke i alle retninger. Det skyldes, at lyset dannes i sammenstødet af to uigennemsigtige materialer (ledere), hvor det ene ofte er udformet som en kombineret reflektor og køleplade, dvs. lyset kommer ud i en ret begrænset vinkel. Desuden er lysdioden ofte indstøbt i et epoxyhus, som er linseformet, så en meget stor del af lyset kommer ud i en retning. Diodelygter er derfor ofte uden reflektor, men i stedet opbygget af mange dioder, der alle sender lyset samme vej.

Denne retningsvirkning er præcis et af problemerne ved at lave ordentlige LED pærer. Det er svært at få lys nok ensartet ud til alle sider, selv ved anvendelsen af mange lysdioder, og der er også problemer med at få kølet dioderne, fordi kølingen mindsker den vinkel lyset kommer ud i (som oftes nær fatningen). Og endeligt er det i mange tilfælde ikke lykkedes at få tidssvarende farver fra lamperne, men det kommer nok efterhånden.

Gas- og diodelasere

Diodelasere, som bruges såvel til underholdning som til en del værktøj (og CD spillere), er opbygget som en sandwich, hvor lyset kommer ud i det tynde lag imellem fladerne. Lyset er derfor normalt meget retningsbestemt fra naturens hånd. Det gælder endnu mere gaslasere og andre Lasere, som anvender spejle, og hvor lyste bevæger sig i retning fra spejl til spejl.

Lyset fra gaslasere er normalt ekstremt retningsbestemt, men det kan naturligvis tilpasses med passende optik og spejle. Når man måler afstanden til månen ved at sende et lysglimt derop, og få det tilbage fra de spejle måneekspeditionerne opstillede, er det netop lasere man bruger (med hjælp af en kikkert) for at få tilstrækkeligt retningsbestemt lys.

Fotoners bevælgelse

En foton, som er grundbestanddelen af lyset, breder sig retlinet indtil den rammer noget. Det gør store mængder af fotoner også. En lyskilde, som f.eks. en glødelampe, sender altså lys retlinet ud til til alle sider. Når vi anvender den bruger vi linser og spejle, fordi vi ønsker at koncentrere lyset bestemte steder, eller i bestemte retninger. Da fotonen fortsætter til den vekselvirker med noget (rammer noget), vil strålen altså bevæge sig retlinet væk fra os, når vi lyser med en lommelygte. Nogle fotoner direkte, andre i samme retning via spejlet.

Når man ser noget i lyset fra lommelygten, skyldes det, at lyset har ramt en genstand, og en del af fotonerne bliver reflekteret retur til vores øjne, så vi ”ser” genstanden vi lyser på. Vi kan så genkende genstanden, fordi de tilbagesendte fotoner også bevæger sig retlinet, efter de er sendt tilbage.

En fuldstændig sort genstand (matsort) vil man derfor ikke kunne se i lysstrålen, fordi der ikke kommer fotoner tilabge.

Med venlig hilsen
Malte Olsen