Verstrooiing van licht

Waarom lijkt een rietje in een glas water gebroken, waarom fonkelt een diamant en hoe werkt een softbox? Dit en nog veel meer over licht dat verstrooid kan raken, maar dan toch echt niet in de war blijkt te zijn!

Het hoekje om

Als licht door de ruimte tussen de zon en de aarde naar ons toe reist, komt het in een rechte lijn op ons af. Door doorzichtige zaken zoals lucht of water plant licht zich ook rechtlijnig voort.

Maar als licht van het ene doorzichtige medium in een ander doorzichtig medium terechtkomt, bijvoorbeeld eerst door de lucht gaat en dan in het water terechtkomt, dan komt het in een medium terecht dat een andere “golfweerstand” kent. Hierdoor buigen lichtstralen af.

De golfweerstand ontstaat doordat licht een andere fasesnelheid krijgt in een ander medium. Een interessant thema maar iets wat voor hier minder relevant is. 

Rietje in een glas

Als je een rietje in een glas doorzichtige vloeistof plaatst, dan lijkt het soms alsof dit rietje gebroken is (zie afb 1). De breuk bevindt zich dan altijd op het grensvlak tussen lucht en de vloeistof. In werkelijkheid is het natuurlijk niet zo dat het rietje daar gebroken is. Het is het licht dat onder een bepaalde hoek door de lucht aankomt en dat in het water verder gaat onder een andere hoek. Het licht wordt door deze situatie dus blijkbaar afgebogen (de rechte lijn wordt ‘gebroken’).

Niet altijd

Als je een rietje in de vloeistof steekt, dan is het niet altijd zo dat het rietje gebroken lijkt te zijn (zie afb 2). Dit heeft te maken met de hoek waaronder wij naar de situatie kijken. Of beter nog, de hoek waaronder de lichtstraal van het ene medium het andere medium ingaat. De richting van het licht verandert namelijk niet wanneer de hoek van de lichtstraal het oppervlak 90 graden is. Maar als de hoek onder de 90 graden komt, dan zie je dit verschijnsel wel optreden.

Wanneer we kijken naar afb 3, dan zien we dit in een plaatje terug. In 3A komt een lichtstraal in een hoek van 90 graden op water terecht. Deze lichtstraal zal daarom gewoon rechtdoor blijven lopen. Maar in 3B bedraagt de hoek 75 graden en zien we het verschijnsel wel optreden. Maar wat gebeurt er dan precies?

De knik begrepen

Stel we kijken van boven neer op een glas water met een rietje (zie afb 4). Het deel van het rietje dat boven water is, loopt in een normale te verwachten hoek naar beneden, totdat het ’t water raakt.

Het licht dat op het rietje valt dat zich onder water bevindt gaat niet alleen door de lucht maar ook door het water. Omdat het hierdoor wordt afgebroken lijkt het alsof het einde van het rietje zich op positie B bevindt terwijl het in werkelijkheid op positie A is. Op het grensvlak van water en lucht lijken we daardoor een knik in het rietje te zien. We zien daar immers het ‘bovenwaterrietje’ overlopen in het ‘onderwaterrietje’.

De brekingsindex

Afhankelijk van hoe groot het verschil is tussen de golfweerstanden van de betrokken mediums en de hoek waaronder het licht invalt, hoe meer of minder groot de afwijking is die je zult zien. In dit kader is het handig wanneer je weet wat de zogenaamde brekingsindex inhoudt.

De brekingsindex is een getal dat iets zegt over de mate van het breken van het licht wanneer het licht dat medium inkomt. Om mediums op dit gebied met elkaar te kunnen vergelijken wordt de brekingsindex bepaald door de verhouding tussen de fasesnelheid van licht in vacuüm en dat van het medium te bepalen. In een vacuüm is de fasesnelheid altijd het hoogst. Daarom is de brekingsindex van een medium altijd groter dan die van een vacuüm en dus groter dan 1 omdat het de verhouding tussen beiden betreft.

De brekingsindex van een vacuüm is natuurlijk 1, dat van lucht is 1,00029 en dat van water 1,333. Stel dat licht nu door de lucht gaat en in het water terechtkomt, welke hoek maakt het dan?

De sinus van deze hoek kun je berekenen met 1,00029 / 1,3333 = 0,750. Met sin-1 op een rekenmachine zie je dan dat de hoek ongeveer 48,6 graden bedraagt. Dit betekent dat als een lichtstraal het water bereikt, deze een hoek zal maken van 48,6 graden ten opzichte van de hoek zoals hij op het water viel.

Over hoeken gesproken

In afb 5 zien we een schematische tekening waarbij een lichtstraal vanuit de lucht op de oppervlakte van water terechtkomt. De lichtstraal valt in een zekere hoek (de zogenaamde invalshoek, vandaar de i in de tekening) op het water. Deze wordt gemeten vanaf een lijn die loodrecht op het oppervlakte staat (en dus een hoek van 90 graden maakt met de oppervlakte).

We weten al dat een lichtstraal die in een hoek van 90 graden op het oppervlak terechtkomt, niet gebroken wordt. Bij een invalshoek van 0 graden gebeurt er dus niets. Maar is die invalshoek groter, zoals hier 25 graden, dan gebeurt er wel wat.

De lichtstraal gaat van lucht naar water en we hebben daarnet berekend dat de extra hoek daarvan 48,6 graden bedraagt. Hierdoor zal de lichtstraal in een hoek van 25+48,6=73,6 graden verder gaan. Dit wordt de brekingshoek genoemd (zie de b in afb 5).

De gevolgen

We weten nu dat licht van lucht naar water een extra hoek zal maken van 48,6 graden wanneer de invalshoek groter is dan 0. Maar wat zijn hier nu de consequenties van?

Toen de invalshoek 25 graden was, bleef het licht in het water. De brekingshoek bedroeg immers iets meer dan 73 graden en is daarmee onder de 90 graden gebleven.

Maar laten we eens kijken wat er zou gebeuren wanneer de invalshoek 60 graden zou zijn geweest. De brekingshoek zou daardoor (60+48,6=) 108,6 graden zijn geworden. Dit is meer dan 90 graden en dus zal de lichtstraal worden teruggekaatst (gereflecteerd). Conclusie: wordt de brekingshoek groter dan 90 graden, dan treedt reflectie op.

Maar wat nu als de invalshoek 41,4 graden zou zijn geweest? De lichtstraal zou dan op 90 graden (41,4+48,6) verder gaan en dat betekent dat de lichtstraal zich precies door het grensvlak van de lucht en de wateroppervlakte zal gaan voortplanten. De oppervlakte zou daardoor een perfecte spiegel zijn geworden!

Als de brekingshoek 90 graden wordt, dan is de zogenaamde grenshoek bereikt. Door deze situatie treedt ook reflectie op, maar dit noemen we liever spiegeling omdat er een totale reflectie optreedt. Kortom, wanneer we een invalshoek kiezen die leidt tot een brekingshoek die gelijk is aan de grenshoek, dan gaat het oppervlak spiegelen.

Theorie en praktijk

Wanneer je werkt met een flitser kun je in theorie dus alles laten spiegelen. Dit doe je door de juiste invalshoek (de hoek waaronder je de flitser plaatst) te kiezen. Op die manier zou je niet alleen water, maar in principe ook een steen kunnen laten spiegelen. Toch gaat dat lang niet altijd op, zoals je weet. Een flitser geeft geen licht af dat maar in een hoek op het voorwerp terechtkomt. Daarnaast spiegelt een steen niet zomaar. Daar zijn blijkbaar meer voorwaarden voor nodig.

Deze theorie over spiegelen gaat bijvoorbeeld alleen op zolang de betrokken mediums doorzichtig zijn. Het licht kan niet door het grensvlak gaan als dat ondoorzichtig is. Een perfect doorzichtig medium laat de lichtgolven door zonder beperking. Maar wanneer het medium bepaalde golflengten van het licht absorbeert, dan zal het deze golflengten niet kunnen doorlaten. En hoe meer lichtgolven van verschillende lengtes geabsorbeerd worden, hoe minder dit doorgeven op zal treden.

Daarnaast speelt de oppervlakte van het medium een belangrijke rol. Wanneer we het licht vanuit de lucht op heel glad glas afsturen, dan zal dit licht minder in alle richtingen worden gereflecteerd dan bij glas met een ruwe oppervlakte (zoals mat glas). De oneffenheden in het matte glas weerkaatsen de lichtstralen nu eenmaal alle kanten op.

Mat glas zorgt hiermee voor een zogenaamde diffuse reflectie. Het reflecteert wel, maar de lichtstralen gaan alle kanten op en daardoor valt er niets meer van te maken. Wil je kunnen spiegelen (een optimale reflectie laten ontstaan doordat de hoek van inval hetzelfde wordt als de hoek van uitval) dan heb je daarvoor dus een heel glad oppervlak nodig.

Werking van een softbox

Wanneer de lichtstralen van de flitser in een softbox terechtkomen raken ze, soms na weerkaatsing binnen de softbox, de witte doek (soms zitten er meerdere witte doeken in) aan de voorzijde van de softbox. De witte doek laat een deel van het licht door, de rest wordt door absorptie uit het licht gefilterd. Om die reden is het licht van een softbox altijd minder sterk als dat van de flitser zonder softbox. De lichtstralen die wel het doek passeren, komen door een niet erg vlakke oppervlakte heen. Het textiel waarvan de doek is gemaakt bestaat immers uit heel veel oneffenheidjes zoals kleine dalen en heuveltjes: de textuur van het textiel. 

We weten dat wanneer een oppervlakte niet glad is en het licht gereflecteerd wordt, er diffuse reflectie ontstaat. In dit geval wordt het licht niet gereflecteerd maar door het doek heen gestuurd. Diffuse doorlating dus. En dat is precies wat we met een softbox willen bewerkstelligen! De lichtstralen die uit de softbox worden verschillend afgebogen en gaan hierdoor buiten de softbox letterlijk alle kanten op. Dit zorgt ervoor dat ze het onderwerp ook vanuit allerlei kanten kunnen bereiken (zie afb 6). Het resultaat hiervan is dat er zacht licht ontstaat. Je moet daarvoor de softbox wel dichtbij het onderwerp plaatsen. Dichtbij de softbox gaan de lichtstralen immers nog alle kanten op. maar hoe verder je van de softbox verwijderd bent, hoe minder uittredende lichtstralen het onderwerp nog kunnen raken. Door de softbox verder van het onderwerp te plaatsen wordt het licht daarom harder

Over diamanten

Laten we eens kijken wat verstrooiing te maken heeft met het fonkelen van een diamant. Wanneer een lichtstraal een diamant inkomt, bestaat er een grote kans dat dit licht in de diamant zal blijven en daar binnen heen en weer zal blijven kaatsen. Dat kan wel een paar duizend keer gebeuren. Een diamant vangt dus als het ware het licht en houdt het tijdelijk opgesloten. Omdat het licht nauwelijks door de diamant wordt geabsorbeerd blijft het bestaan.

Door slijping van de diamant maken we de wanden zo glad dat het heen en weer kaatsen in de diamant beter kan optreden. Door de diamant in een bepaalde vorm te slijpen zorgen we er ook nog eens voor dat er een grote kans ontstaat dat de diamant het licht langer vast kan houden en dat het veel licht kan opvangen. Op specifieke plaatsen laten we het licht naar buiten komen waardoor het hier geconcentreerder is. Dat maakt dat we een fonkeling zien.

Dit heeft alles te maken met verstrooiing van het licht want dit lukt juist met een diamant zo goed omdat de brekingsindex van diamant relatief hoog is. Die ligt namelijk rond de 2,4. Dit betekent dat we, na breking van het licht, geen extra hoek krijgen van 48,6 graden zoals bij water, maar van ongeveer 25 graden. Is daarom de invalshoek van het licht groter dan 25 graden, en dat is natuurlijk al snel het geval, dan zal het licht binnen de diamant blijven.

Zie hiervoor ook afb 7 waarin we sterk versimpelt laten zien hoe een lichtstraal door een diamant wordt gevangen, door heen en weer kaatsten wordt vastgehouden en uiteindelijk naar voren toe wordt vrijgelaten. Het is om deze reden dat diamant zo mooi kan fonkelen. Kristallen met een lagere brekingsindex kunnen nu eenmaal minder lang licht ‘vasthouden’ en daardoor vindt het licht minder geconcentreerd zijn weg naar buiten.

Het zal nu ook logischer zijn waarom niet iedere diamant even duur is. De kleur, de zuiverheid en de grootte bepalen de mate waarin het licht gevangen en gereflecteerd kan worden. Hoe zuiverder de diamant (hoe doorzichtiger en minder oneffenheidjes) hoe minder diffuse reflectie op zal treden. Hoe kleurlozer, hoe beter, want dan treedt er immers minder absorptie op. Hoe groter, hoe meer licht gevangen kan worden.

Maar een diamant is een gewone steen zolang hij niet geslepen is. De kwaliteit van de slijping bepaalt de schittering. Afhankelijk van het soort slijping zal het licht beter gevangen en gereflecteerd kunnen worden. De schittering van een diamant is daarbij overigens anders bij kunstlicht als bij daglicht. De grootte en aard van het licht hebben hier ook effect op. Kijk daarom per juweel als je die moet fotograferen wanneer het beste effect optreedt. Vergeet daarbij niet dat de facetten van de diamant goed schoon moeten zijn om het licht goed te kunnen reflecteren.

Wel en niet verklaarbaar

Nu we dit weten is een aantal zaken heel verklaarbaar geworden. Waarom produceert een softbox zacht licht en waarom moet je die dichtbij plaatsen? Door diffuse doorlating en waar de meeste lichtstralen naar verschillende richtingen zich bevinden. Wat te doen als een voorwerp teveel reflecteert in een scene? Wijzig de invalshoek van het licht. En wat te doen als een juweel met diamanten niet goed fonkelt? Kijk naar de aard van het licht, wijzig de wijze waarop het licht in de diamant valt en kijk of je de diamant wel met zijn ‘uitvalsvlakken’ goed naar de camera hebt gericht. Beweeg daarvoor niet de camera, maar het juweel en kijk wat het doet (zie afb 8).

Maar wat we hiermee nog niet hebben uitgelegd is waarom er uit een prisma verschillende kleuren komen, hoe een regenboog ontstaat en hoe kleurschifting chromatische aberratie opwekt. En dat heeft toch echt alles met verstrooiing te maken. Daarom gaan we daar in een aanvullend artikel verder op in!

 

 

Afb 1: Het rietje lijkt gebroken te zijn
Afb 2: Het verschijnsel treedt niet altijd op
Afb 3: De hoek mag geen 90 graden zijn
Afb 4: Het einde lijkt zich ergens anders te bevinden
Afb 5: De invalshoek en brekingshoek
Afb 6: Het licht wordt door het textiel in de softbox alle kanten op gestuurd
Afb 7: Het licht reflecteert in de diamant
Afb 8: Verander de lichtbron of het juweel van positie