Svar:
För att förstå hur en laser fungerar måste vi definiera några begrepp.

Laser är en teknik som genom stimulerad emission skapar ljusstrålar som är enfärgade (monokroma), koherenta (ljusvågorna är i fas), har en riktning och har stark intensitet. (Laser)

Stimulerad emission är en fysikalisk process genom vilken en inkommande foton får en atom eller molekyl att deexciteras. Därigenom frigörs en andra foton med motsvarande egenskaper som den första (samma fas, våglängd och polarisation). Processen är grundläggande för lasrars och masrars funktion. (Stimulerad_emission)

Inverterad population innebär att ett system av atomer har fler atomer i det högre energitillståndet än i det lägre, det vill säga N₂>N₁ där 2 hänför sig till nivån med högre energi. I detta tillstånd är sannolikheten för stimulerad emission större än för absorption. (Inverterad_population)

Om atomen befinner sig i det högre tillståndet (figuren) kan den spontant falla ner till grundtillståndet genom att utsända en foton. Om atomen befinner sig i grundtillståndet kan en foton med rätt energi excitera atomen till det övre tillståndet. Sannolikheten för dessa två processer bestäms av hur många atomer N som befinner sig i respektive tillstånd. Om N₂>N₁ är sannolikheten för stimulerad emission större är sannolikheten för absorption. En stråle som går igenom lasern kommer alltså att förstärkas.

Det första man gör är att med t.ex. en blixt få många atomer i det övre tillståndet. Detta kallas pumpning. Fotonerna får sedan gå fram och tillbaka mellan två speglar, varav den ena är halvgenomskinlig för att släppa ut strålen.

Det finns många olika sorters lasrar med olika färg, styrka, användningsområde, pris mm.

/Peter E 2016-05-26

Svar:
Torsten!

I själva verket är båda uttrycken du ger en approximation av det korrekta uttrycket för en ideal våg. Se uttrycken i nedanstående figur och resonemanget under länk 1. Figuren kommer från länk 1 (utmärkta Hyperphysics). Länken innehåller även en kalkylator med vilken man lätt kan se hur exakta approximationerna är.

/Peter E 2016-09-02

Svar:
Färgseende är ett ganska komplicerat begrepp eftersom det beror både på vilka våglängder ljus som träffar ögat, effektiviteten hos de färgkänsliga sensorerna i ögat (tappar) och hjärnans tolkning av signalerna. Människan har tre sorters tappar känsliga för rött, grönt och blått ljus (grundfärger RGB), se fråga [14998]. Vi har dessutom mer känsliga men "färgblinda" stavar för mörkerseende.

I figuren nedan visas vilka färger som motsvarar olika våglängder. I verkligheten är det kontinuerliga övergångar mellan de olika färgerna, så gränserna är lite "suddiga".

Problemet är att en och samma uppfattad färg kan åstadkommas på flera sätt. Ta gult som exempel. Våglängder mellan 560 och 590 nm uppfattas som gult. Natrium har t.ex. två linjer i gult (589 och 590 nm), se länk 1.

Men man kan även åstadkomma gult genom att blanda lika delar grönt och rött. Pröva med färgblandningsappen Color Addition Simulator.

Som synes finns inte vitt bland färgerna nedan eftersom ingen enskild våglängd uppfattas som vitt (se figuren nedan). Vitt är alltså en blandning av lika delar rött, grönt och blått (R+G+B). Svart är heller ingen färg, utan det är frånvaron av ljus vi kallar svart.

Sedan kan man komplicera problemet ytterligare genom att vissa människor t.ex. saknar receptorer för någon eller alla grundfärger (defekt färgseende, se Defekt_färgseende). Djur har ofta bara två sorters receptorer, men vissa insekter har fyra receptorer varav en för ultraviolett.

Vad gäller vilken färg vi uppfattar att ett föremål har, så bestäms det av vilka våglängder som absorberas och vilka som reflekteras. Om en tröja belyses med vitt ljus och reflekterar endast rött, så kommer vi att uppfatta den som röd. Om vi belyser samma idealiskt röda tröja med bått ljus, kommer tröjan att uppfattas som svart.

Det som bestämmer vilka färger som absorberas och vilka som reflekteras är molekylstrukturen.

Se även fråga [1553], Färgseende och Color_vision.

Se vidare massor av svar med nyckelordet färg/färgseende.

/Peter E 2016-10-03

Svar:
Transparens (genomskinlighet) är en materialegenskap som innebär att ljus släpps igenom, och att detaljer bakom det transparenta materialet kan urskiljas klart, till skillnad från translucens (genomlysande) där bakomvarande detaljer är suddiga. Vanligt fönsterglas, vatten och bergkristall är transparenta för synligt ljus. Färgade genomskinliga ämnen är absorberande för vissa färger i det synliga spektrumet.

Transparenta och genomlysande material absorberar inte ljusenergin. Det beror på att ljusets fotoner inte har rätt energi för att göra excitationer i materialets molekyler eller kristallgitter. För synligt ljus är det elektronernas excitationer som är relevanta, medan infraröd strålning kan absorberas av atomernas rörelser. (Transparens_(optik))

Färgen hos en kristall bestäms inte av kristallstrukturen utan av förekomsten av tillstånd som kan absorbera ljus med en viss våglängd. För synligt ljus med våglängder 750 - 400 nm är fotonenergin 1.65 - 3.1 eV (se länk 1).

Både kol (diamant) och kisel har fyra kovalenta bindningar. Normalt befinner sig elektronerna i valensbandet, se nedanstående figur från Band_gapList_of_band_gaps.

En perfekt, ren diamant är helt genomskinlig. Kisel är grått med en metallisk lyster. Hur kan vi förstå detta?

För att kristallen skall bli färgad måste synligt ljus kunna växelverka med elektroner. Dessa måste lyftas från valensbandet till ledningsbandet där de är fria att röra sig över hela kristallen. För detta måste de passera det förbjudna området - bandgapet.

Kols fyra kovalenta bindningar är mycket starka medan kisels är betydligt svagare. Detta reflekteras i att bandgapet för diamant är 5.5 eV och för kisel 1.11 eV (länken band_gap ovan). Maximala energin för synligt ljus är 3.1 eV (se ovan), vilket betyder att synligt ljus inte kan växelverka med diamant. En ren diamant är alltså genomskinlig och ser färglös ut.

En anledning till att kolbindningarna är mycket starkare (kol bildar mycket stabila kedjor medan kiselkedjor är ganska instabila) är att kolatomen är mycket mindre än kiselatomen vilket gör kovalenta bindningar i kol kortare och därmed starkare.

En annan skillnad mellan kol och kisel är att diamant är en isolator (inga fria elektroner som kan transportera ström) medan kisel är en halvledare med elektroner som lätt kan exciteras till ledningsbandet vid rumstemperatur.

Med det låga värdet på bandgapet i kisel kan en kiselkristall absorbera alla våglängder, så kisel ser gråaktigt ut. Eftersom det även finns en del elektroner i ledningsbandet (metaller har många elektroner i ledningsbandet) är det inte förvånande att kisel har en metallisk lyster.

Om en diamant innehåller föroreningar (andra ämnen än kol) eller om kristallstrukturen inte är perfekt tillkommer mindre bandgap vilka kan exciteras med synligt ljus. Dessa diamanter blir därför färgade.

Se vidare Diamond_color, DiamantFärg och Silicon.

/Peter E 2016-11-11

Svar:
Det är säkert uppvärmningseffekten som förklarar liknande experiment, se fråga [11883]. Den snabba expansionen hos luften nära där blixten träffar den svarta rutan kan kännas som en stöt.

Varför känns det som en stöt snarare än en värmeeffekt direkt? Detta är fysiologi, och det är vi inte experter på. Vi kan bara spekulera att värmeeffekten är liten och kortvarig så att de temperaturkänsliga sensorerna inte triggas.

Det är emellertid klart att det finns en mekanisk effekt, se fråga [11883]. Denna borde kunna triggas av den snabbt upphettade expanderande luften, det hörs ju ett tydligt knäpp.

Det finns ett antal videos på webben, och det är uppenbart att resultatet varierar för olika position på kroppen. Detta kan förklaras av olika täthet av sensorer som registrerar stötar.

Länk 1 innehåller en video och mer eller mindre korrekta funderingar om orsaken. Länk 2 lite om farligheten. Här är en lärare som gjort en trevlig systematisk undersökning av fenomenet.


/Peter E 2016-11-30

Svar:
Kisel (se Kisel) är ett halvmetalliskt grundämne som liknar kol. Bilden nedan är en bit kristallinskt kisel. Den är som synes ogenomskinlig och metallisk. Den metalliska lystern kommer av att det finns en del fria elektroner i kristallen.

Kvarts Kvarts består huvudsakligen av kiseldioxid, SiO₂. Kvarts finns i ett otal varianter, men i sin rena form är det kristallinskt och genomskinligt. Om kristallerna är små är det mjölkaktigt ogenomskinligt eftersom ljuset reklekteras i alla riktningar av de små kristallerna. Färgade varianter av kvarts innehåller någon förorening eller kan ha påverkats av joniserande strålning.

Glas består till en stor del av kvarts. Till skillnad från kvarts är glas amorft, dvs icke kristallinskt. Det är detta som gör att glas i ren form är genomskinligt. Energin för synligt ljus räcker inte till för att excitera molekylerna och det finns inga plana kristallytor som kan reflektera ljuset.

Se vidare GlassOptical_properties, fråga [170] och [20393].

/Peter E 2017-02-21

Svar:
Mycket bra fråga Matilda!

Låt oss börja med att reda ut vad lila är.

Wikipedia säger: Lila färger ligger mellan rött och blått. Andra ord för samma färgområde är violett och gredelin. (Lila)

För en fysiker är denna definition förvirrande. "ligger mellan rött och blått". Mellan i vilken dimension? Det naturliga vore våglängd, men det är ju inte alls fallet, se nedanstående figur från ColorSpectral_colors. Lila (eller violett) är ju de kortaste våglängder som ögat kan uppfatta, se figuren i fråga [14998]. Lila ligger ju intill det icke synliga ultraviolett (Ultraviolett_strålning).

Om man i stället uttrycker det som att lila är en blandning av blått och rött så blir det mer förståeligt. Gå till appen Color Addition Simulator och blanda blått och rött, så får du en färg som liknar lila i nedanstående figur (400-450 nm). Detta att en färg kan åstadkommas både genom blandning av två eller tre grundfärger (Rött, Grönt, Blått) och som ett våglängdsband beror på hur vårt färgsinne fungerar, se fråga [20354] för fler exempel.

Solen strålar i vitt ljus (se nedan). Atmosfären sprider korta våglängder (blått) mycket mer än långa (rött). Därför blir himlen blå och solen gul.

Efter denna långa inledning till din fråga: varför är inte himlen lila. Det är flera effekter som gör att de korta lila våglängderna inte bidrar, framför allt att de absorberas (försvinner i stället för att spridas) i atmosfären. Det är alltså mest det blå ljuset som sprids och ger himlen sin färg. Ibland, speciellt vid solnedgång när ljuset faller in snett mot atmosfären, kan himlen se grön ut. Detta beror på att även en del av det blå ljuset absorberats, och nästa färg (grönt) dominerar.

Varför solen är vit och inte som man kanske tror gul, diskuteras i fråga [1553].

I fråga [841] och [13750] diskuteras mer i detalj de fysikaliska effekter (spridningens våglängdsberoende) som gör att ljuset sprids och himlen blir blå.

/Peter E 2017-10-24

Svar:
Ljudhastigheten i en ideal gas beror inte av trycket utan endast på absoluta temperaturen och molekylvikten, se fråga [12639]. Eftersom temperaturen i atmosfären varierar med höjden så kommer ljudhastigheten att variera.

Temperaturen och ljudhastigheten som funktion av höjden framgår av nedanstående figur från Atmospheric_temperatureTemperature_versus_height.

Se även Speed_of_soundDependence_on_the_properties_of_the_medium, Atmosphere_of_EarthTemperature_and_speed_of_sound och länk 2.

/Peter E 2017-12-12

Svar:
Därför att mikrovågorna i huvudsak lämnar sin energi (absorberas) av vattenmolekyler, och skorpan innehåller mycket lite vatten medan mjölken innehåller mycket vatten. Se fråga [15744].

Anledningen till att mikrovågor absorberas av vattenmolekyler är att dena molekyl är en elektrisk dipol, dvs positiv och negativ laddning är förskjutna i förhållande till varandra.

En elektrisk dipol är inom fysiken två elektriska laddningar med samma magnitud men olika tecken placerade med ett litet inbördes avstånd.

Figuren nedan från Elektrisk_dipol illustrerar laddningsfördelningen hos vattenmolekylen. Mikrovågorna utgörs av oscillerande elektriska och magnetiska fält. Den elektriska komponenten påverkar molekylerna och sätter dem i svängning. Den ökade rörelseenergin övergår genom kollisioner till värme.

Anledningen till att is värms mycket mindre effektivt än flytande vatten är att molekylerna i vatten är fritt rörliga medan molekylerna i is är bundna till varandra och därmed mindre benägna att "svänga med".

Se även MikrovågsugnTeknisk_bakgrund och Microwave_ovenPrinciples.

/Peter E 2017-12-13

Svar:
Bra fråga!

En stämgaffel är ett enkelt redskap för att frambringa en fast tonhöjd. Den består av en U-formad metallbit med ett litet handtag och två långa skänklar. När gaffeln slås mot något sätts skänklarna i vibration, vilket skapar en svag, sinusliknande ton. En stämgaffel ger efter en tid ifrån sig bara en frekvens, vilket gör den lämplig att ge referens- eller stämton då man stämmer instrument och för att ge ton vid a cappella-sång. (Stämgaffel)

Anledningen till att stämgaffeln utformas som en gaffel, se nedanstående figur, ges i Wikipedia-artikeln Tuning_forkDescription:

A tuning fork is a fork-shaped acoustic resonator used in many applications to produce a fixed tone. The main reason for using the fork shape is that, unlike many other types of resonators, it produces a very pure tone, with most of the vibrational energy at the fundamental frequency. The reason for this is that the frequency of the first overtone is about

5²/2² = 25/4 = &8202;6 1/4

times the fundamental (about &8202;2 1/2 octaves above it). By comparison, the first overtone of a vibrating string or metal bar is one octave above (twice) the fundamental, so when the string is plucked or the bar is struck, its vibrations tend to be a mixture of the fundamental and overtone frequencies. When the tuning fork is struck, little of the energy goes into the overtone modes; they also die out correspondingly faster, leaving a pure sine wave at the fundamental frequency. It is easier to tune other instruments with this pure tone.

Skälet är alltså att det genereras få övertoner. Eftersom övertonerna har hög frekvens så dämpas de snabbt. Man får då en ren grundton. Skänkeln vibrerar även mycket lite (fungerar som en nod) vilket betyder att man kan hålla i den utan att störa vibrationen.

Lådan som stämgaffeln står i är en resonanslåda (se fråga [384]) som förstärker grundtonen.

/Peter E 2017-12-15