Transcript vývoj názorů o „světle“

O SVĚTLE
Jiří Habel
ČVUT v Praze
Fakulta elektrotechnická
1
O SVĚTLE
1. Vývoj názorů o „světle“
- všeobecné hledisko
- fyzikální pohled
- světlo ve světelné technice
2. Světlo jako činitel tvorby životního prostředí
3. Viditelné záření, jeho vlivy a účinky na člověka
- světlo a biologické pochody v organismu člověka
- syndrom sezónní deprese
- onemocnění „Body blues“
- výzkum reakce mozkových center na vnější
světelné podněty
2
VÝVOJ NÁZORŮ O „SVĚTLE“
výchozí úvahy
 Člověk se dlouhodobě přizpůsobuje podmínkám v přírodě
prvotní dojem -
„světlo“ jako protipól „tmy“
 Země se otáčí kolem Slunce a kolem své osy
(cyklus cca 24 h – circadiánní)
„světlo“ – aktivní doba
„tma“ – období útlumu
„světlo“ řídí vnitřní hodiny organismu člověka
ovlivňuje řadu biologických pochodů
 „Světlo“ – jeden ze základních činitelů tvorby
zdravého životního prostředí
vzduch + voda + půda + světlo
3
VÝVOJ NÁZORŮ O „SVĚTLE“
fyzikální pohled :
– ještě i někteří řečtí myslitelé uvažovali, že paprsky světla vycházejí z oka;
patřil k nim i Ptolemaios (70 – 147 p.n.l.).
– mezi odpůrci této úvahy byl např. Demokritos (460 - 432 p.n.l.); tvrdil :
vidění je podmíněno nepatrnými nezničitelnými tělísky, které vycházejí od
pozorovaných předmětů a dopadají na povrch oka.
– až na přelomu 17. a 18. století konkurenční teorie o povaze světla :
 Isaac Newton (1643 – 1727; angl.fyzik) pohlížel na světlo jako na proud
různě velkých bodových částic vycházejících ze svíticích předmětů a
dopadajících do oka. V důsledku toho vzniká počitek světla.
„korpuskulární teorie“
Při dopadu na rozhraní s hustším prostředím se
menší částice odklánějí více, větší méně.
 Cristiaan Huygens (1629 – 1695; nizozemský učenec)
považoval světlo za podélné vlnění speciálního prostředí
vyplňujícího celý prostor (éter).
„vlnová teorie“
To umožnilo vysvětlit interferenci paprsků a ohyb světla.
 Vlnovou teorii ověřoval i francouzský fyzik Étienne-Louis Malus (1775 -1812)
převedl (1808) ji do analytického tvaru.
4
VÝVOJ NÁZORŮ O „SVĚTLE“
Zlom v nazírání na světlo r. 1873 –
James Clerc Maxwell (1831-1879); anglický fyzik
- sjednotil teorii elektrických a magnetických jevů
- předložil obecný matematický popis elmagnetického pole
[Maxwellovy rovnice]
- autor teorie o elektromagnetickém původu světla
- rychlost elmag. vlnění je vakuu totožná s rychlostí světla ve vakuu
- ve vakuu je elektromagnetické vlnění vždy příčné
- světlo je elmag. vlnění vybraných vlnových délek vnímané zrakem lidí;
Maxwellova teorie přesně reprodukovala dostupná experimentální data.
Na atomární úrovni musela však být upřesněna kvantovou elektrodynamikou.
Albert Einstein (1879 – 1955) německý teoretický fyzik
- ukázal, že světlo má současně vlastnosti vlnové i korpuskulární
světlo má duální charakter
- zavedl pojem fotonu; objevil zákonitosti fotoelektrického jevu;
- položil základy kvantové teorie světla;
- je autorem teorie relativity.
5
Atmosférická okna ve spektru elektromagnetického záření
záření
6
SPEKTRUM ZÁŘENÍ
Složky záření seřazené podle kmitočtů
nebo podle vlnových délek
ultrafialové
UV
Optické
záření
VIS
viditelné
IR
infračervené
Viditelné záření (VIS)
[ 380 nm – 770 nm ]
{ 7, 9 ·1014 – 3,9 ·1014 Hz }
záření schopné vyvolat
zrakový počitek (vjem)
Spektrum elektromagnetických záření
orientačně seřazené podle kmitočtů a vlnových délek
7
Pojem „SVĚTLO“ ve světelné technice
Ve světelné technice
se nezkoumá podstata záření, jeho přetržitost či silové účinky
ale sleduje se rozdělení toků energie
při jejich plynulých přechodech mezi uvažovanými místy.
světlo = vjem světla
► „světlo“
se pak jeví jako
viditelné záření zhodnocené zrakem člověka
podle jeho spektrální citlivosti k záření různých vlnových délek
► zavádí se
normální fotometrický pozorovatel
► z veličin záření se odvozuje
soustava světelně technických veličin
8
Zářivý tok Fe – světelný tok F
Pro světelnou techniku je rozhodující energie přenášená zářením za 1 s =
= výkon přenášený zářením =
=
zářivý tok
Fe = dWe / dt (W)
Ve světelně technických veličinách [po zhodnocení zrakem pozorovatele]
Fe odpovídá
světelný tok F = K · Fe (lm; lm.W-1, W)
K = světelný účinek záření (lm.W-1)
Libovolné záření lze rozložit na složky se
sinusovým průběhem.
Každou složku charakterizuje
určitý kmitočet n (Hz) [ monofrekvenční záření ] či vlnová délka l
Vlnová délka l
► ve vakuu
se obvykle udává v
nm = 10-9 m
nebo v
mm = 10-6 m
l závisí na rychlosti šíření záření;
l = c0 · n
(m; m·s-1, Hz) ;
rychlost šíření elmag. vln ve vakuu c0 = 2,998 ·108 m·s-1
9
Rozklad bílého světla hranolem
spektrum
Bílá
deska
Bílé
sluneční
světlo
červená
oranžová
žlutá
stínítko
zelená
modrá
Skleněný hranol
otvor
modrofialová
fialová
10
Orientační oblasti spektrálních barev
Rozmezí vlnových délek
(nm)
Barevný tón
spektrální barvy
380 – 430
fialová
430 – 465
465 – 490
490 – 500
500 – 560
modrofialová
modrá
modrozelená
zelená
560 – 575
zelenožlutá
575 – 585
žlutá
oranžová
červená
585 – 620
620 – 770
11
MONOCHROMATICKÉ ZÁŘENÍ
Ve viditelné oblasti spektra budí každé monofrekvenční záření
zcela určitý barevný počitek

monochromatické záření
Ilustrativní rozložení barevných tónů ve spektrální oblasti viditelného záření
12
Diagram chromatičnosti v soustavě XYZ
1 křivka spektrálních
barev (locus)
2 čára teplotních zářičů
3 přímka purpurů
KK
13
x
K l 
Poměrná spektrální citlivost zraku pozorovatele
V l  
Poměrná spektrální světelná účinnost záření
K max
ve fotopické, mezopické a skotopické oblasti vidění
Pro ilustraci se v mezopické oblasti uvažují dva vybrané průběhy poměrných citlivostí,
a to pro adaptační jasy 1 cd·m-2 a 0,1 cd·m-2
1
V(l) pro fotopické vidění
-2
adaptační jas La = 100 cd.m
max. při l = 555 nm
0,9
0,8
V´(l) pro skotopické vidění
-5
-2
adaptační jas 10 cd.m
max. při l = 507 nm
V´´(l) pro mezopické vidění
adaptační jas La = 1 cd.m-2
max. při l = 545 nm
poměrná citlivost zraku
0,7
0,6
V´´(l) pro mezopické vidění
-2
adaptační jas La = 0,1 cd.m
max. při l = 532 nm
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700
vlnová délka (nm)
14
Jednotka svítivosti
1 kandela (cd) – základní jednotka SI
1 cd = svítivost zdroje, který vyzařuje v určitém směru
monochromatické záření o frekvenci 540 . 1012 Hz ,
při čemž
zářivost
1/683
zdroje v tomto směru je
W. sr-1 .
Ve standardním prostředí [20 °C; 50% relat. vlhkost; tlak 1,013 MPa; N = 1,000279668]
n = 540·1012 Hz odpovídá vlnové délce l = 555 nm
SVÍTIVOST I
(cd)
ZÁŘIVOST Ie
(W.sr-1)
I(l) = K(l) · Ie(l) = Kmax · V(l) · Ie(l) = 683 · V(l) ·
Ie(l)
15
Průběhy absolutních hodnot světelných účinků záření
pro vidění fotopické, mezopické a skotopické
1700
K max 
1600
K´(l) - skotopické vidění
max. 1700 lm /W při 507 nm
S v ě t e l n ý ú č i n e k z á ř e n í ( l m/ W )
1500
1400
683
V 555 nm
K´´(l)
- mezopické
vidění
K´´(l)
- mezopické
vidění
-2
-2
adaptační
jas jas
0,1 0,1
cd.m
adaptační
cd.m
1300
max. 756 lm /W při 532 nm
1200
1100
1000
900
K(l) - fotopické vidění
max. 683 lm /W při 555 nm
800
700
600
K´´(l) - mezopické vidění
adaptační jas 1 cd.m-2
500
max. 695 lm /W při 545 nm
400
300
555 nm
200
100
0
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
vlnová délka (nm)
Při základní vlnové délce lm = 555 nm je spektrální citlivost lidského
zraku pro fotopické i skotopické vidění shodná a rovná 683 lm·W-1
16
SVĚTLO - činitel tvorby životního prostředí
např. fotosyntéza
[zabezpečuje základní koloběh látek na Zemi; bez ní by neexistoval život]
zrakové vnímání
„světlo“ ovlivňuje
celkovou duševní pohodu
zrakem člověk získává 80 až 90 % informací
spotřebuje na to až 25 % přijaté energie
Cíl : dobrým osvětlením vytvořit zrakovou pohodu
ZRAKOVÁ POHODA
 zrak pracuje optimálně – dobré vidění a rozlišování
 člověk se cítí psychicky dobře, prostředí příjemné
17
Světlo - důležitý činitel tvorby prostředí
SVĚTLO - prostředek k přenosu a získání zrakových informací o obklopujícím prostředí
Dobré osvětlení
pro
zrakový výkon
obtížnost úkolu
zrakovou pohodu
příjemné prostředí
subjektivní pocity
psychologické aspekty
bezpečnost osob
úrazy, pocit bezpečí
únava zraku
pálení očí, bolest hlavy
Nesprávné osvětlení
celková únava organismu
Časté příčiny chyb
oslnění
signalizace
přetížení
úrazy, havárie
nesprávná chromatičnost světla zdrojů
nesoulad s hladinou osvětlení
chybné rozlišení barev
18
OSVĚTLENÍ
• DOBRÉ
- vyšší produktivita
- roste i jakost výroby
- vyšší bezpečnost
- únava roste pomaleji
- snazší regenerace
• NEVHODNÉ
- růst počtu chyb
- pokles kvality výroby
- růst počtu úrazů
- vyšší únava zraku
- roste celková únava
Další možné důsledky nedostatečného osvětlení :
zhoršení schopnosti soustředění, snazší vznik stresu
 snížení obranyschopnosti, zvýšení hladiny cholesterolu

 snížení tvorby vitaminů A a D – zhoršení funkcí zraku, horší absorpce Ca
 urychluje celkové stárnutí organismu
 podporuje vznik sezónních depresí, výkyvy nálad, úbytku energie
19
Světlo řídí naše biologické pochody
Mnohé probíhají v cca 24 h (tzv. cirkadiánních) cyklech
v závislosti na otáčení Země kolem Slunce
aktivní fáze ve dne – klidová fáze v noci
Např.
tělesná teplota, krevní tlak, tepová frekvence, látkový metabolismus,
imunitní funkce, sexuální funkce, fyzická a duševní aktivita
Světlo řídí naše vnitřní hodiny – čidlem: třetí typ fotoreceptorů „C“
Poměrná spektrální citlivost
„C“ - cirkadiánního čidla
V - zraku při denním vidění
(převažují čípky)
V´ - zraku při nočním vidění
(převažují tyčinky)
20
Důsledky narušení biorytmů
- pocit nepohody
- poruchy spánku
- až závažná onemocnění
Příklady příčin
• rychlé přesuny mezi časovými pásmy
• práce ve střídavých či nočních směnách
• dlouhodobý pobyt v prostředí s velmi nízkými hladinami osvětlenosti
Někteří obyvatelé velkoměst trpí [zejména v zimním období]
(např. až 10% obyvatel New Yorku)
syndromem sezónní deprese
(SAD – seasonal affective disonder)
Důsledky : - snižování
aktivity pracovní, společenské i sexuální
- pocity ospalosti během dne
- změny v jednání jedince ve skupinách
- zvyšování tělesné hmotnosti
- pochody připomínající jevy při zimním spánku některých živočichů
- u vyvíjejících se organismů až potlačení vývoje některých orgánů
Zlepšení : opakované osvětlování hladinami
2.500 lx 2 h denně
10.000 lx 0,5 h denně
21
Onemocnění „Body Blues“
Projevy : - vegetativní depresivní symptomy
- potíže s koncentrací
- pocit nedostatku energie
- pocit mírné úzkosti až deprese
- nechuť k sexu
- problémy se spaním (ale ospalost i ve dne)
- podrážděnost, větší citlivost na kritiku
Hl. příčina: nízká hladina tkáňového hormonu serotoninu (hormon „štěstí“)
[podílí se v mozku na procesech souvisejících se vznikem určité nálady]
Úleva: sacharidy - po 1 h však nálada prudce klesá
nemocní se přejídají sladkostmi a přibývají na hmotnosti
Nemoc u žen 3 x častější – serotonin reprodukují mnohem pomaleji než muži
odborný odhad: na světě nemocí trpí asi
1 milion žen
Terapie: - minerály, vitamíny B1, B2, B6, D, selen, kyselina listová
- pobyt v příjemném prostředí s vyšší hladinou osvětlenosti
Poznámka
► Vhodným intenzivním osvětlením se často kompenzuje nedostatek světla
i při chovu užitkových zvířat (např. ve stájích),
aby se zajistil normální růst vyvíjejících se organismů mláďat
22
Výzkum reakce mozkových center
na vnější světelné podněty přijaté zrakem
Působením světla určité barvy a vhodným kmitočtem jeho blikání
lze stimulovat určitá mozková centra
Využití : prevence a léčení některých onemocnění i psychického charakteru
Vyrobeny přístroje, propracovány procedury a návody
– pacient pozoruje (cca 20 min) vymezené zorné pole,
v něm se po zvolenou dobu (3, 5, 10 minut)
v určitém rytmu ( f = 8, 10, 12 Hz)
míhá světlo určitého jasu a barevného tónu
– při jedné proceduře se aplikují např. 3 alternativy
– každá procedura se předem naprogramuje podle předpisu lékaře
Výzkum pokračuje i v rámci Mezinárodní komise pro osvětlování
„Vlivy dynamických a stereovizuálních zobrazení na lidské zdraví“
23
DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST
24
ULTRAFIALOVÉ ZÁŘENÍ (UV)
UV-A 315 až 400 nm
Zdroje UV : Slunce, umělé zdroje (zvl. Hg výbojky)
UV-B 280 až 315 nm
UV paprsky dobře procházejí vodou, křemenem,
některými skly (např. fosfátovými draselnými),
organickým sklem i vzduchem
UV paprsky nepropustí i jen tenké vrstvy kovů a
obyčejné sklo (zvl. olovnaté),
[baňky výbojek pro všeobec. osvětlení propustí UV jen min.]
Některé materiály (tkaniny, tiskoviny, obrazy aj.) po ozáření
vyššími dávkami UV rychleji stárnou, ztrácejí barvu, může být
narušena jejich struktura i mechanická pevnost.
Pigmentační účinky (ochranné zhnědnutí) – 297 nm, 340 nm.
Při vyšších dávkách rozšíření cév, krátkodobé zánětlivé zčervenání
pokožky (erytéma). Erytemální účinky zvl. nebezpečné hl. pro sliznice.
UV-C 100 až 280 nm
Není-li výrazně narušena ozonová
vrstva, pak vysoká vrstva vzduchu
v atmosféře záření UV ze Slunce
prakticky pohltí.
V našem klimatickém pásmu se
složky UV dostanou na povrch země
jen za slunného dne na vysokých
horách.
Intenzivní ozařování kůže UV paprsky může způsobit vážná onemocnění až rakovinu.
UV záření vybuzuje luminiscenci luminoforů – využití u zářivek, k fluorescenční analýze aj.
UV okolo 283 nm podporuje tvorbu vitaminu D – urychluje ukládání vápníku v kostech
léčení řady nemocí (křivice, záněty dutin, poruchy látkové výměny, TBC kůže aj.)
zdroj: vtl. Hg výbojky – horská slunce.
Germicidní účinky (265, 254 nm) – ničení virů bakterií atd., sterilizace vzduchu, kapalin i
pevných látek. Speciální germicid. výbojky.
Široké využití ve zdravotnictví, v průmyslu i v zemědělství (např. proti plísním).
25
INFRAČERVENÉ ZÁŘENÍ (IR)
IR – nosič sálavého tepla
Užití : vytápění, ohřívání, sušení
Zdroje IR : Slunce, teplá tělesa, infražárovky aj.
IR-A 780 až 1400 nm
IR-B 1400 až 3000 nm
IR-C 3000 až 106 nm
IR prostupuje snadno vzduchem, mlhou, tenkými vrstvami kovů apod.
velmi málo sklem (zvl. s obsahem oxidů Fe), vodou, tepelnými izolanty
IR-A proniká pokožkou, rozšiřuje cévy,
zlepšuje tak průtok krve,
urychluje hojení, tiší bolest
Další využití IR :
- využití k léčení různých onemocnění
(včetně revmatických potíží)
- diathermie
- infrafotografie
- infradalekohledy (pozorování v noci – převedením na viditelné záření)
26