Hvordan opstår lys? Fra elektron til foton

Lys opstår, når en elektron falder tilbage fra en høj til en lav bane i et atom og afgiver den overskydende energi som en lyspartikel — en foton. Alt lys, du kender — solen, en pære, en skærm, et lyn — er den samme proces. Det, der adskiller lyskilderne, er, hvordan energien bliver tilført først.

Atomet på 30 sekunder

Et atom består af en kerne med protoner (positive) og neutroner (uden ladning). Uden om kernen bevæger elektronerne sig (negative). Elektronerne kan ikke ligge hvor som helst — de ligger i bestemte skaller med hvert sit energiniveau, som trin på en trappe. En elektron kan stå på et trin, men aldrig mellem to.

Det er hele forklaringen på, hvorfor lys findes i bestemte farver og ikke i et jævnt mudder.

De tre trin

1. Energi tilføres. Varme, elektricitet, stråling eller et sammenstød med en anden partikel giver atomet energi.
2. Elektronen hopper op. Den flytter sig til en skal længere fra kernen. Atomet er nu exciteret — en ustabil tilstand.
3. Elektronen falder tilbage. Inden for typisk en hundrededel af en milliontedel sekund falder den ned igen. Forskellen i energi mellem de to trin sendes ud som en foton.

Det er kun den sidste af de tre, der er selve lyset. De to første er optakten.

Hvorfor lys har farver

Fotonens energi bestemmer bølgelængden — og bølgelængden er det, øjet opfatter som farve. Et stort spring giver en energirig foton med kort bølgelængde (blåt), et lille spring giver en energifattig foton med lang bølgelængde (rødt).

Under 380 nm ligger ultraviolet, over 750 nm infrarødt. Begge er lys efter samme princip — vi kan bare ikke se dem.

Fordi hvert grundstof har sit eget mønster af energiniveauer, udsender det sit helt eget sæt farver. Det er derfor, natrium i gadelamper lyser gulorange, mens neon lyser rødt. Og det er den samme egenskab, astronomer bruger til at afgøre, hvad en stjerne er lavet af, uden nogensinde at have været der.

De forskellige lyskilder

LED er den mest effektive, netop fordi springet ikke går omvejen om varme. En glødepære sender over 90 procent af strømmen ud som varme og kun resten som lys.

Varmestråling: hvorfor glødende ting skifter farve

Alt, der har en temperatur, udsender stråling. Ved stuetemperatur er den infrarød og usynlig. Varmer du jern op, bliver det først mørkerødt ved cirka 500 °C, så orange, så gult, og til sidst hvidglødende. Jo varmere, jo mere forskydes udsendelsen mod de korte bølgelængder.

Det er også derfor, en rødlig stjerne er koldere end en blålig. Solens overflade ligger på cirka 5.500 °C, hvilket rammer midt i det synlige område — og det er næppe et tilfælde, at vores øjne er følsomme netop dér.

Er lys en bølge eller en partikel?

Begge dele — og det er ikke en undvigelse, men selve pointen. Lys opfører sig som en bølge, når det bøjer om et hjørne eller danner interferensmønstre, og som en strøm af partikler, når det rammer en overflade og slår elektroner løs. Det kaldes bølge-partikel-dualiteten, og det er et af fundamenterne i kvantefysikken.

I vakuum bevæger lyset sig med 299.792.458 meter i sekundet. Det er den højeste hastighed, der findes, og den ændrer sig ikke, uanset hvor hurtigt du selv bevæger dig.