Hvorfor kan lys gå igennem glas – men ikke sten?

FN har udråbt 2015 til at være Lysets År, og 7. oktober kulminerer fejringen med intet mindre end Lysets Dag.

Her på Videnskab.dk har vi valgt at hylde lyset ved at ved at hive fat i et læserspørgsmål, som handler om, hvorfor lys kan suse igennem glasruder – men stopper, når det rammer sten, jern eller andre materialer.

»Man siger, at radiobølger og lys er 'det samme', bare med forskellige svingninger, og at de rejser med samme fart. Men hvordan kan det så være, at både lys og radiobølger kan passere gennem glas, mens det kun er radiobølger, der kan passere gennem sten og jern?« spørger Sven Ohrberg fra Næstved i en e-mail til Spørg Videnskaben.

Du kan læse endnu mere om lys i artiklerne 'Hvad er lys?' og 'Er lys altid godt?'

Lys og radiobølger er det samme

Sven Ohrbergs glimrende spørgsmål har vi sendt videre til to lysforskere. Den første, vi taler med, er den danske topforsker Lene Hau – hun blev verdensberømt, da det lykkedes hende at standse lyset (læs mere om hendes forskning her).

Lene Hau laver stadig den slags hekseri med lyset i sit laboratorium på det amerikanske Harvard University, og lysforskeren indleder med at bekræfte, at Sven Ohrberg har helt ret – lys og radiobølger er i princippet det samme.

»Både radiobølger og lys er elektromagnetisk stråling. De består altså af den samme type svingninger - de svinger bare med en meget forskellig frekvens. Synligt lys har omkring en million milliard svingninger per sekund. Ved radiobølger er tallet noget lavere – omkring 100 millioner svingninger per sekund,« forklarer Lene Hau, som er professor ved Hau Lab på Harvard University.

Hvad sker der, når lys rammer nyt materiale?

Når lys, radiobølger eller anden elektromagnetisk stråling rammer et materiale, kan det enten:

• Reflekteres. Det kender man for eksempel fra lys, som reflekteres af et spejl.
  
• Absorberes. Det vil sige, at det bliver optaget af materialet, det rammer. Det oplever vi eksempelvis, når vi på en varm sommerdag brænder fødderne på asfalten – her er sollyset blevet absorberet af asfalten og omsat til varme.
  
• Gå igennem materialet. Det kender vi eksempelvis fra lys, som går igennem en glasrude eller fra radiobølger, som går igennem husmuren ind til vores radio. Når lys, radiobølger og andre elektromagnetiske bølger går igennem et materiale, vil det ofte blive refrakteret (ændre retning).

Nogle radiobølger bliver faktisk stoppet

Når vi oplever, at lys ikke kan gå igennem sten, jern og andre materialer, er det, fordi materialet absorberer og/eller reflekterer lyset.

De fleste radiobølger ryger derimod lige lukt igennem materialer, som stopper lyset. Men ganske få radiobølger bliver faktisk kastet tilbage, når de rammer materialerne - det udnytter man blandt andet til radar, hvor de reflekterede radiobølger bliver opsnappet og sladrer om, at fly eller skibe befinder sig et sted derude.

»Langt de fleste almindelige materialer – beton, sten, sand, jern og så videre – vil reflektere radiobølgerne en lille smule. Det er derfor, man kan lave radar. Der er faktisk også folk, som har fundet ud af at lave materialer, som fuldstændig absorberer radiobølger. Det er derfor, de særlige amerikanske kampfly Stealth fighters, ikke kan ses på radaren - de er dækket af et helt specielt materiale, som fuldstændig absorberer radiobølgerne,« forklarer Lars Lindvold, som er seniorforsker ved Nutech Strålingsfysik på Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

Sådan afgøres lysets skæbne

Selvom radiobølger uden problemer kan suse igennem tykke betonmure, kan de altså ikke klare sig igennem alle materialer.

Når en radiobølge – eller en lysstråle - støder ind i noget nyt, bliver dets skæbne kort fortalt afgjort af:

• Hvilken frekvens lyset eller radiobølgen har.
• Hvilket materiale det rammer – og hvor meget der er af materialet.

Ikke alt lys ryger for eksempel igennem vinduesruder – infrarødt lys har en helt anden frekvens end synligt lys og kan derfor ikke gå igennem glas.

»Sagen er, at glas faktisk kan absorbere lys – men det er bare lys, som har en anden frekvens end synligt lys. Et infrarødt kamera kan for eksempel ikke tage billeder igennem glasruder, fordi det infrarøde lys bliver absorberet af glas,« siger Lars Lindvold.

Lys kan slippe igennem tyndt metal

Lars Lindvold påpeger, at lys faktisk også godt kan ryge igennem materialer såsom metal eller sten – så længe der bare er tilstrækkeligt lidt af materialet.

»Hvis metal eller sten er så tyndt - typiske få tusindedele af en millimeter - at man kan se igennem det, så er det, fordi noget af lyset slipper igennem,« forklarer Lars Lindvold.

Hvis vi zoomer endnu længere ind på spørgsmålet om, hvorfor lys og radiobølger ikke kan gå igennem de samme materialer, så handler det om, hvilke atomer og molekyler materialerne er opbygget af.

Som eksempel foreslår Lene Hau, at man kan forestille sig en lysstråle, som rammer ind i et metal; lad os sige litium.

Litium er er egnet som forklaring, fordi litium-atomet er opbygget sådan, at det kun har en enkelt valenselektron – en partikel, der sidder helt yderst på litium-atomet.

»Faste stoffer består af molekyler eller atomer, og hvis det er et alkalimetal som litium, består det af atomer, der kun har en enkelt valenselektron. Og det er denne her valenselektron, der meget gerne vil vekselvirke med lys. Valenselektronen er kun meget løst bundet til atomets kerne, og når man sender lys derind, kan man få elektronen til at gå i svingninger,« forklarer Lene Hau.

Elektronens 'fjeder' har en særlig frekvens

Lene Hau forklarer, at man – for nemheds skyld - kan forestille sig, at litium-atomets valens-elektron sidder fast til atomkernen i en lillebitte fjeder.

»Sådan en fjeder har en karakteristisk resonansfrekvens. Det vil sige, at der er en helt særlig frekvens, som vil få fjederen til at lave meget kraftige svingninger. Så hvis fjederen bliver ramt af lys, som har præcis denne her frekvens, vil fjederen gå i meget kraftige svingninger,« siger Lene Hau.

Hvis litium-atomet derimod bliver ramt af lys eller andre elektromagnetiske bølger, som har en frekvens, der ligger langt væk fra fjederens resonansfrekvens, vil det være sværere at få elektronen til at vibrere, forklarer Lene Hau.

»Så alt afhængig af hvilken frekvens lyset har, og hvilken resonansfrekvens valenselektronen har, vil det blive bestemt, om lyset reflekteres eller absorberes,« forklarer Lene Hau.

Send os DIT spørgsmål

Lene Hau tilføjer, at litium giver et simpelt udgangspunkt for forklaringen, men det er nogenlunde samme princip, som i alle tilfælde vil bestemme, hvad der sker med et lys:

Det er lysets (eller radiobølgens) frekvens, samt resonansfrekvensen på materialets elektroner, som afgør, om lyset reflekteres, absorberes eller ryger gennem materialet.

Med disse ord vil vi sige tusind tak til de to forskere for deres gode hjælp med at besvare Sven Ohrbergs spørgsmål. Også en stor tak til Sven Ohrberg for spørgsmålet – der er en T-shirt på vej til din postkasse.

Skulle du selv undre dig over noget, så tøv endelig ikke med at sende os dit spørgsmål til sv@videnskab.dk - du har også mulighed for at smutte direkte ind og købe vores T-shirt selv, lige her.