Why does the Sun changes the colour? Prečo Slnko mení farbu? Martin Hof http://www.jh-inst.cas.cz/~fluorescence/ 1

Akú farbu má vychádzajúce Slnko? Tmavo-oranžovú. What colour is the rising Sun in the morning? – Dark orange Akú farbu má vychádzajúce Slnko? Tmavo-oranžovú.

Akú farbu má Slnko počas dňa? Bielu. What colour is Sun during the day? – White Akú farbu má Slnko počas dňa? Bielu.

Akú farbu má Slnko pri západe? Tmavo-oranžovú opäť. What colour is the Sun in the evening, just before setting? – Dark orange again. Akú farbu má Slnko pri západe? Tmavo-oranžovú opäť.

How magical is that! But how does that happen?? To understand that (and other interesting phenomena) we have to learn about a) the nature of the light and b) what can all happen when light meets matter reflection refraction absorption scattering

Magické, však!? Ale ako je to možné? Ak to chceme pochopiť, musíme si najprv vysvetliť aká je povaha svetla čo všetko sa môže stať keď svetlo bude interagovať s hmotou odraz lom absorpcia rozptyl

Nature of the light Light is electromagnetic radiation, the fluctuations of electric and magnetic fields Light has the properties of both particles (photons) and waves. Photons radiate from their source in a wave pattern at a constant speed of 300,000 kilometers per second (c) Like waves in the ocean, light waves have hills and valleys. They are measured by wavelength (λ), the distance between two top of the hills (in meters or, better to say , in nanometer which are 1/100,000,00th of a meter) B E l l – wavelength n – frequention c – speed of light

Povaha svetla Svetlo je elektromagnetické žiarenie – vlnenie elektrického a magnetického poľa v prírode. Svetlo ma vlastnosti jak častíc (fotóny) tak i vĺn. Svetelné častice (fotóny) sú vyžarovane konštantnou rýchlosťou (c) 300000 km/s vo forme vĺn. Rovnako ako vlny v oceáne tak i svetelné vlny majú vrchol a údolie. Vzdialenosť medzi dvoma vrcholmi je označovaná ako vlnová dĺžka λ (nm 10-9 m) B E l l – vlnová dĺžka n – frekvencia oscilácii c – rýchlosť svetla

As shorter the wavelength of the light as larger the energy

Čím je vlnová dĺžka kratšia tým väčšia je energia fotónu Energia (eV) Vlnová dĺžka λ (nm)

The Sun sends a spectrum of electromagnetic waves towards the Earth

Slnko vyžaruje k Zemi spektrum elektromagnetických vĺn

The Sun's radiation is predominantly light that we can see (our eyes are sensitive to)

Slnečné žiarenie je prevažne svetlo, na ktoré citlivo reaguje naš zrakový systém.

The sunlight, looks white but is made up of seven colors – red, orange, yellow, green, blue, indigo, violet. All these colours correspond to certain wavelength range

Slnečné svetlo sa nám javí ako biele svetlo Slnečné svetlo sa nám javí ako biele svetlo. Avšak v skutočnosti sa skladá zo siedmych farieb – fialová, indigová, modrá, zelená, žltá, oranžová a červená. Všetkým týmto farbám odpovedá určitá vlnová dĺžka.

How to show that the white light is made up of seven colors – red, orange, yellow, green, blue, indigo, violet? Use of a Prism! A prism refracts (bends) light; Notice that red light is bent less than violet light. That phenomena is called Dispersion!

Ako sa dá dokázať, že biele svetlo sa skladá zo siedmich farieb? Použitím optického hranolu. Rozklad bieleho svetla na jeho zložky nazývame disperzia. Optický hranol láme svetlo: Všimnite si že červené svetlo sa ohýba menej než fialové.

Refraction and Reflection belong together Angle of wave propagation relative to surface normal changes as the wave passes from a medium of one density to that of another Reflection Angle of reflection equals angle of incidence a) Reflection is when incident light (incoming light) hits an object and bounces off. Very smooth surfaces such as mirrors reflect almost all incident light. Due to change of medium, the phase velocity of the wave is changed but its frequency remains constant. This is most commonly observed when a wave passes from one medium to another at any angle other than 0° from the normal. 

Lom a odraz svetla Lom svetla je optický jav, ku ktorému dochádza na rozhraní dvoch prostredí, ktorými svetlo prechádza. Je dôsledkom rôznych rýchlosti šírenia svetla v rôznych prostrediach Odraz svetla Veľkosť uhla odrazu sa rovná uhlu dopadu Dopadajúci lúč Odrazený lúč Prechádzajúci lúč Vzduch Voda a) Reflection is when incident light (incoming light) hits an object and bounces off. Very smooth surfaces such as mirrors reflect almost all incident light. Due to change of medium, the phase velocity of the wave is changed but its frequency remains constant. This is most commonly observed when a wave passes from one medium to another at any angle other than 0° from the normal. 

Dispersion: Refraction of light is wavelength dependent When entering the glass the speed of the light is slowed down. This effect is as larger as more energy has the electromagnetic wave. As a consequence of that the angle of wave propagation relative to surface normal changes as the wave passes from a medium of one density to that of another and this angle is larger for violet light compared to red light Disperzný uhol Reflection is when incident light (incoming light) hits an object and bounces off. Very smooth surfaces such as mirrors reflect almost all incident light.

Disperzia: Lom svetla závisí na vlnových dĺžkach Rýchlosť svetla sa pri vstupe do skla spomalí. Čím väčšia je energia elektromagnetických vĺn, tým výraznejší lom nastane. Disperzný uhol Reflection is when incident light (incoming light) hits an object and bounces off. Very smooth surfaces such as mirrors reflect almost all incident light.

Rain droplet work like prism, which is the reason for a rainbow A rainbow is formed in the sky by white light from the sun being refracted by water droplets in the air. The colors are split up with the red on the outside.

Dažďové kvapky fungujú ako optický hranol a preto pozorujeme dúhu Dúha je optický úkaz vznikajúci v atmosfére Zeme. Na dažďových kvapkách dochádza k lomu slnečného svetla. Uhol lomu je rôzny pre rôzne vlnové dĺžky svetla a teda svetlo sa rozkladá na jednotlivé farebné zložky, ktoré sa odrážajú na vnútornej stene a kvapku opúšťajú pod rôznymi uhlami s najväčšou intenzitou svetla pri uhloch okolo 40° – 42°.

Čo už vieme. aká je povaha svetla čo všetko sa môže stať keď svetlo bude interagovať s hmotou odraz lom absorpcia Rozptyl / scattering

‘Rayleigh’ Scattering Is the scattering of light by gas molecules or other particles which are much smaller than the wavelength of that light Result of Rayleigh Scattering is the blue color of the sky.

Dôsledkom Rayleighoho rozptylu v atmosfére Zeme je modrá farba oblohy. Rayleighov rozptyl je rozptyl svetla na molekulách plynu prípadne na iných časticiach podstatne menších než vlnová dĺžka svetla. Dôsledkom Rayleighoho rozptylu v atmosfére Zeme je modrá farba oblohy.

Why is the sky blue? The shorter the wavelength, the more light is scattered blue is scattered more than red. this is why the sky is blue Think of white light from sun as a mixture of Red, Green and Blue Blue is scattered the most so sky looks blue when we look away from the sun 28

Prečo je obloha modrá? Rayleighov rozptyl Intenzita rozptýlenia svetla je nepriamo úmerná štvrtej mocnine vlnovej dĺžky svetla. Čím je menšia vlnová dĺžka rozptýleného žiarenia, tým sa žiarenie viac rozptyľuje Biele svetlo zo Slnka obsahuje zmes červenej, zelenej a modrej farby Modré svetlo je rozptyľované najviac a preto oblohu vidíme modrej farby. Biele svetlo priamo zo Slnka Rozptýlené svetlo – modra obloha Svetlo zo Slnka letí časopriestorom vákua až k našej atmosfére. Tu sa začne v určitých vlnových dĺžkach rozptyľovať. Rozptýli sa do rôznych smerov a putuje do našich očí. Rozptýli sa prevažne fialová a modrá farba, pretože podľa Rayleighovho rozptylu sa rozptyľuje intenzívnejšie. Vďaka tomu máme cez deň modrú oblohu. 29

Vysvetlenie: Prečo je obloha modrá? Svetlo zo Slnka letí časopriestorom vákua až k našej atmosfére. Tu sa začne v určitých vlnových dĺžkach rozptyľovať. Rozptýli sa do rôznych smerov a putuje do našich očí. Rozptýli sa prevažne fialová a modrá farba, pretože podľa Rayleighovho rozptylu sa rozptyľuje intenzívnejšie. Vďaka tomu máme cez deň modrú oblohu.

Why blue and not violet? Our eye sensitivity to the blue color is much stronger than that to violet! Citlivosť (%)

Prečo je obloha modrá a nie fialová? Naše oči sa vyvinuli tak, že modrú farbu rozoznávajú oveľa lepšie, než fialovú. Citlivosť očí na farby Citlivosť (%)

Why does the sun changes the colour? Prečo sa farba oblohy a slnka počas dňa mení

Pretože svetlo večer cestuje k naším očiam dlhší čas než svetlo počas obeda. Because the light travels in the evening longer to the eye than at noon.

Yellow colour of the Sun: Mixing colors

Žltá farba Slnka je výsledkom miešania farieb

Light scattering at larger particles Milk, cloud and smoke contain larger particles where all colours are scattered equally. These scattered colours form white light again.

Rozptyl svetla na väčších časticiach Mlieko, oblaky a dym obsahujú väčšie častice, na ktorých dochádza k rozptylu všetkých farieb svetla rovnomerne. Tieto rozptýlené farby vyskladujú opäť iba biele svetlo.

Čo už vieme. aká je povaha svetla čo všetko sa môže stať keď svetlo bude interagovať s hmotou odraz lom absorpcia /absorption rozptyl

Light can be also absorbed and the energy is converted to heat Absorption occurs when photons from incident light hit atoms and molecules and cause them to vibrate. The more an object's molecules move and vibrate, the hotter it becomes. This heat is then emitted from the object as thermal energy. Some objects, such as darker colored objects, absorb more incident light energy than others. For example, black pavement absorbs most visible and UV energy and reflects very little. Thus, the black pavement is hotter than the sidewalk on a hot summer day. 

Absorpcia svetla je to proces, pri ktorom je svetlo (fotóny) pohltene látkou pričom dochádza k vibrácií molekúl. Dochádza tak k zvýšeniu teploty látky (objektu). Pohltená energia môže byť tak opäť vyžarovaná, alebo premenená na tepelnú energiu. Tmavé predmety (napr. chodník) sú schopne absorbovať svetelnú energiu. (preto sú chodníky horúce počas letných dni)

Wavelength-selective absorption leads to the color of the reflected light Some or all of the light may be absorbed depending on the pigmentation of the object. Pigments are natural colorants that absorb some or all wavelengths of light. What we see as color, are the wavelengths of light that are not absorbed.

Absorpcia určitých vlnových dĺžok vedie k zafarbeniu odrazeného svetla Svetlo môže byť absorbované v závislosti na pigmentácií predmetu. Pigmenty sú prírodné farbivá, ktoré absorbujú niektoré alebo všetky vlnové dĺžky svetla. To čo mi vidíme ako farbu sú vlnové dĺžky svetla, ktoré neboli absorbované. Biele svetlo Zelené odrazené svetlo Zelený povrch

An example: why natural objects are coloured? Tomatoes appear to be Red because when ripe, tomatoes contain a carotenoid known as "Lycopene". Lycopene is a bright red carotenoid pigment, a chemical found not only in tomatoes but also other red fruits. Lycopene absorbs most of the visible light spectrum, and being red in colour, Lycopene reflects mainly red back to the viewer, thus a ripe tomato appears to be Red.

Prečo sú prírodné materiály farebné Zrelé paradajky sa javia ako červené. Je to spôsobné tým, že obsahujú karotenoid – lykopén. Lykopén je svetlo červený karotenoidný pigment, ktorý nebol nájdený len v paradajkách ale i v inom červenom ovocí. Paradajka (resp. Lykopén) sa javí ako červená, pretože absorbuje všetky farby z viditeľného svetla, okrem červenej, a my vidíme len odrazené svetlo.

An example as to why natural objects are coloured Lycopene Zeaxanthin β- carotene Chlorophyll

Prečo sú prírodné materiály farebné Lycopen Zeaxantin β- karoten Chlorofyl

Light can be also absorbed and after some while released (with smaller energy) How to make tonic water shine blue? Or what is fluorescence?

Svetlo môže byť tiež absorbované a po chvíli uvoľnené (s menšou energiou) Ako rozsvietiť tonic? Alebo čo je Fluorescencia?

What is fluorescence? 1852 Sir George Gabriel Stokes Quinine in water

Čo je fluorescencia? 1852 Sir George Gabriel Stokes Chinín vo vode Slnečné svetlo Roztok chinínu Žltý sklenený pohár vína Emisný filter > 400nm Modre sklo v okne kostola Excitačny filter <400nm

What is fluorescence? 1852 Sir George Gabriel Stokes Quinine in water Fluorescence is the emission of light by a substance (in our case aromatic molecules) that had absorbed light of a different (lower) wavelength

Čo je fluorescencia? 1852 Sir George Gabriel Stokes Chinín vo vode Fluorescencia je vyžiarenie svetla látkou, ktorá absorbovala svetlo s inou (nižšou) vlnovou dĺžkou.

Summary Radiation can be reflected or refracted; Refraction is wavelength dependent, which is the reason for dispersion. Radiation can be absorbed and immediately emitted: Scattering; Amount of scattering at small particles is wavelength dependent, which is the reason for the colour of sky and sun. If radiation is totally adsorbed, the object is black and gets heated If part of the absorption is reflected, the object has a color. If the adsorbed energy is kept for and then released, the emitted light is shifter to lower energies (fluorescence)

Záver Na rozhraní dvoch prostredí dochádza odrazu a lomu svetla. Rozklad bieleho svetla na jeho zložky nazývame disperzia. Rayleighov rozptyl je rozptyl svetla na malých časticiach, čo je dôvod prečo je obloha modrá a prečo sa mení farba slnka a oblohy počas dňa. Slnečné žiarenie je úplné absorbovane čiernymi predmetmi, pričom dochádza k uvoľneniu tepla. Ak je časť absorbovaného svetla odrazená, pozorujeme sfarbenie predmetu. Ak dochádza k vyžiareniu svetla s väčšou vlnovou dĺžkou než bolo absorbovane dochádza k fluorescencii.

Thank you /Poďakovanie Dr. Sabína ČUJOVÁ Post-Doctoral Fellow PhD - Karlová Univerzita v Prahe Stredná Priemyselná škola chemická M. C. Sklodowskej vo Svite Hrabušice (okr. Spišská Nová Ves) http://www.jh-inst.cas.cz/~fluorescence/