miniatura|Llum filtrant-se a través d'unes finestres La llum és la porció de l'espectre electromagnètic visible per a l'ull humà, però en física el terme també pot ser utilitzat per a altres formes de radiació electromagnètica visible o no. La llum visible és aquella porció de l'espectre electromagnètic amb longituds d'ona entre aproximadament 380 nm i 780 nm (a l'aire) i una freqüència entre 789 terahertz (THz) i 385 THz.
Les tres característiques bàsiques de la llum són la brillantor (o amplitud), el color (o freqüència) i la polarització (o angle de vibració). A causa de la dualitat ona-partícula, la llum presenta propietats tant d'ones com de partícules.
Espectre visible Les diferents longituds d'ona s'interpreten al cervell humà com a colors, des del vermell a les longituds d'ona més llargues (és a dir, a freqüències més baixes) fins al violat a les longituds d'ona més curtes (és a dir, a freqüències més altes). Les freqüències, en ordre creixent, es poden veure com a taronja, groc, verd, blau, i, convencionalment, blau indi: Color Interval de longitud d'ona Interval de freqüència violat~ 380 a 430 nm~ 790 a 700 THz blau~ 430 a 500 nm~ 700 a 600 THz cian ~ 500 a 520 nm~ 600 a 580 THz verd ~ 520 a 565 nm~ 580 a 530 THz groc ~ 565 a 590 nm~ 530 a 510 THz taronja ~ 590 a 625 nm~ 510 a 480 THz vermell ~ 625 a 740 nm~ 480 a 405 THzEspectre continu Espectre continu L'espectre de la llum visible
Velocitat de la llum La freqüència f i la longitud d'ona λ segueixen la relació:
v = λ·f
on λ és la longitud d'ona, f la freqüència, i v la velocitat de la llum; per tant, la longitud d'ona i la freqüència són inversament proporcionals.
Si la llum viatja en el buit, llavors v = c, i així:
c = λ·f
Tota la llum es propaga a una velocitat finita. Fins i tot els observadors en moviment uniforme mesuren sempre el mateix valor de c, la velocitat de la llum en el buit, com c = 299.792.458 m/s; de tota manera, quan la llum passa a través d'un medi transparent com aire, aigua o vidre, la seva velocitat es redueix, i pateix refracció.
Refracció Quan un feix de llum passa la frontera entre el buit i un altre medi, o entre dos medis diferents, la longitud d'ona de la llum canvia mentre que la freqüència roman constant. Si el feix de llum no és ortogonal a la frontera, la variació a la longitud d'ona provocarà un canvi de la direcció del feix. Aquest canvi de direcció és el que s'anomena refracció.
El canvi de direcció és més gran, com més gran és el canvi de rapidesa, ja que la llum prefereix recórrer les grans distàncies en el seu desplaçament pel mitjà que vagi més ràpid. La llei de Snell relaciona el canvi d'angle amb el canvi de rapidesa per mitjà dels índexs de refracció dels mitjans.
Com la refracció depèn de l'energia de la llum, quan es fa passar llum blanca o policromàtica a través d'un mitjà no paral·lel, com un prisma, es produeix la separació de la llum en els seus diferents components (colors) segons la seva energia, en un fenomen anomenat dispersió refractiva. Si el medi és paral·lel, la llum es torna a recompondre en sortir-ne.
Exemples molt comuns de la refracció són la ruptura aparent que es veu en un llapis a introduir-lo en aigua o l'arc de Sant Martí.
Reflex Els reflexos en superfícies planes, com ara un mirall o un got d'aigua, són simples. Un reflex apareix a la mateixa distància de la superfície reflectant que l'objecte original; la llum, a més, rebota en un angle igual al que ha estat emesa. És a dir: si el feix de llum s'emet en angle de noranta graus respecte a la superfície reflectant, aquesta tornarà a l'objecte emissor; en canvi, si s'emet amb una angulació de trenta graus per la dreta, rebotarà a trenta graus per l'esquerra.
En cas que la llum reboti en un mirall còncau o convex, però, els angles del reflex són diferents depenent del punt on reboti la llum. SI el mirall és convex, per exemple, es reflectirà una superfície més ampla, en què les imatges semblen més petites i més allunyades del que realment estan. És el cas, per exemple, dels retrovisors de cotxe. Si la superfície és còncava, en canvi, l'efecte és el contrari: generalment, rebotin on rebotin els rajos de llum, aquests són dirigits al punt central de la lent, anomenat punt focal, creant un augment de la imatge. És el cas, per exemple, de les lupes, els microscopis o els telescopis. El radi de curvatura de la lent és el que determina la distància focal o el nivell d'ampliació.
Òptica L'estudi de la llum i la seva interacció amb la matèria s'anomena òptica. L'observació i estudi de fenòmens òptics com els arcs de Sant Martí ofereix informació sobre la natura de la llum, a més de recreació.
Absorció i transmissió de la llum La llum, en ser propagada a través d'un medi material, és absorbida progressivament. Per tant, transmet la seva energia al medi en el qual es propaga. Podem classificar aquests medis segons la capacitat d'absorció dels materials, en:
Transparents: deixen passar fàcilment la llum, la llum es transmet a través d'aquest material, no és absorbida. En realitat no hi ha cap material totalment transparent. Opacs: no deixen passar gens la llum, l'absorbeixen totalment. Translúcids: deixen passar la llum, però de tal manera que les formes no es reconeixen.
Naturalesa dels colors La sensació de color és la manera com el nostre sistema visual interpreta les diferències en la longitud d'ona de la llum que li arriba.
Newton va demostrar, fent passar un raig de llum provenint del sol per un prisma, que la llum blanca és una barreja de tots els colors de l'espectre visible, de totes les longituds d'ona.
Aquest experiment es basa en la propietat que l'angle de refracció entre aire i vidre (és a dir, l'angle de desviació de la llum en entrar al vidre) depèn de la longitud d'ona, cosa que fa que es "separin" els colors. Això és així perquè la velocitat de la llum en aquests medis és diferent per cada una de les longituds d'ona que, barrejades donen la llum blanca.
Amb aquesta experiència, Newton va ser el primer a veure explícitament lespectre visible, la part de l'espectre electromagnètic que els nostres ulls perceben com a color. De fet, com és prou sabut, quan surt l'Arc de Sant Martí tothom té la possibilitat de veure aquest espectre: les gotetes d'humitat suspeses a l'aire després de ploure actuen com un conjunt de molts microprismes quan el sol surt i hi incideix.
Amb això ja sabem com és lescenari lumínic en què acostumem a veure les coses. La llum del sol és blanca i, per tant, aquesta és la més abundant a la natura. Els objectes es veuen d'un determinat color perquè la seva superfície absorbeix una part de les longituds d'ona de la llum que l'il·lumina i reflecteix les altres. Les que predominen entre aquestes últimes donen la dominant de color d'un objecte doncs són les què arriben als nostres ulls quan el mirem.
Si una superfície absorbeix per igual tots els colors se'ns apareix com a gris. Si reflecteix molta llum serà blanquinosa, en cas contrari negrenca. Si una superfície reflecteix menys del 10% de la llum que li arriba ja ens sembla negra.
Amb el que acabem de dir resulta evident per què, si la llum que il·lumina els objectes no és blanca sinó que té una component cromàtica clarament dominant, el color amb què se'ns apareixerà resultarà completament alterat. Per tant, per definir el color d'un objecte cal que estigui il·luminat amb llum blanca.
A banda de tot això, cal no oblidar que la percepció i semantització del color és un fet marcadament cultural. Hi ha pobles el llenguatge dels quals només distingeix un parell de colors, mentre d'altres en parlen de centenars. En particular, és molt conegut el cas dels dani, un poble de Nova Guinea que tenen només dues paraules per designar els colors, mola i mili. De forma aproximada, car una traducció exacta és gairebé impossible, fan servir mola per parlar dels colors clars, i mili pels colors foscos, freds.
Naturalesa de la llum La llum presenta una naturalesa complexa: depèn de com s'observi es manifestarà com una ona o com una partícula. Aquests dos estats no s'exclouen, sinó que són complementaris (vegeu Dualitat ona-partícula). Tanmateix, per obtenir un estudi clar i concís de la seva naturalesa, es pot classificar els diferents fenòmens en els quals participa segons la seva interpretació teòrica:
Teoria ondulatòria Descripció Aquesta teoria considera que la llum és una ona electromagnètica, consistent en un camp elèctric que varia en el temps generant al seu torn un camp magnètic i viceversa, ja que els camps elèctrics variables generen camps magnètics (llei d'Ampère) i els camps magnètics variables generen camps elèctrics (llei de Faraday). D'aquesta manera, l'ona s'autopropaga indefinidament a través de l'espai, en camps magnètics i elèctrics generant contínuament. Aquestes ones electromagnètiques són sinusoidals, amb els camps elèctric i magnètic perpendiculars entre si i respecte a la direcció de propagació.
frame|center|650px| Vista lateral (esquerra) d'una ona electromagnètica al llarg d'un instant i vista frontal (dreta) de la mateixa en un moment determinat. De color vermell es representa el camp magnètic i de blau l'elèctric. Per poder descriure una ona electromagnètica es poden utilitzar els paràmetres habituals de qualsevol ona:
Amplitud (A): És la longitud màxima respecte a la posició d'equilibri que arriba l'ona en el seu desplaçament. Període (T): És el temps necessari per al pas de dos màxims o mínims successius per un punt fix en l'espai. Freqüència (v o f): Nombre d'oscil·lacions del camp per unitat de temps. És una quantitat inversa al període. Longitud d'ona (λ): És la distància lineal entre dos punts equivalents d'ones successives. Velocitat de propagació (V): És la distància que recorre l'ona en una unitat de temps. En el cas de la velocitat de propagació de la llum en el buit, es representa amb la lletra c.
La velocitat, la freqüència, el període i la longitud d'ona estan relacionades per les següents equacions:
Fenòmens ondulatoris Alguns dels fenòmens més importants de la llum es poden comprendre fàcilment si es consideren que tenen un comportament ondulatori.
El principi de superposició d'ones permet explicar el fenomen de la interferència: si s'ajunten en el mateix lloc dues ones amb la mateixa longitud d'ona i amplitud, si estan en fase (les crestes de les ones coincideixen), formaran una interferència constructiva i la intensitat de l'ona resultant serà màxima i igual a dues vegades l'amplitud de les ones que la conformen. Si estan desfasades, hi haurà un punt on el desfasament serà màxim (la cresta de l'ona coincideixi exactament amb una vall) formant una interferència destructiva, anul·lant l'ona. L'experiment de Young, amb les seves escletxes, permet obtenir dos focus de llum de la mateixa longitud d'ona i amplitud, creant un patró d'interferències sobre una pantalla.
Les ones canvien la seva direcció de propagació en creuar un obstacle punxegut o en passar per una obertura estreta. Com recull el principi de Huygens, cada punt d'un front d'ones és un emissor d'un nou front d'ones que es propaguen en totes les direccions. La suma de tots els nous fronts d'ones fa que la pertorbació se segueixi propagant en la direcció original. Tanmateix, si per mitjà d'una escletxa o d'un obstacle punxegut, se separa un o uns pocs dels nous emissors d'ones, predominarà la nova direcció de propagació sobre l'original. center|miniatura|Onda propagant-se a través d'una reixeta.
La difracció de la llum s'explica fàcilment si es té en compte aquest efecte exclusiu de les ones. La refracció, també es pot explicar utilitzant aquest principi, tenint en compte que les noves fronts d'ona generades en el nou mitjà, no es transmetran amb la mateixa velocitat que en l'anterior medi, generant una distorsió en la direcció de propagació: center|miniatura|Refracció de la llum segons el principi de Huygens.