Vad är ljus? Fotoner, spektrum och ljusets hastighet

Ljus är elektromagnetisk strålning som breder ut sig som en våg och samtidigt består av små energipaket som kallas fotoner. I snäv mening är ljus den strålning ögat kan se, ungefär 400-780 nanometer (nm), men fysiker räknar ofta även ultraviolett och infraröd strålning som ljus. I vakuum rör sig allt ljus med exakt 299 792 458 meter per sekund. Våglängden avgör både färgen och hur mycket energi varje foton bär.

Vad är ljus rent fysiskt?

En ljusvåg består av ett elektriskt och ett magnetiskt fält som svänger vinkelrätt mot varandra och mot färdriktningen. Fälten håller liv i varandra och behöver inget medium. Ljus kan därför resa genom rymdens vakuum från solen till jorden. Radiovågor, mikrovågor, röntgenstrålning och gammastrålning är samma fenomen med andra våglängder. Fysiken kallar hela familjen elektromagnetisk strålning.

Begreppet optisk strålning omfattar våglängder mellan 100 nm och 1 mm. ICNIRP, den internationella kommissionen för skydd mot icke-joniserande strålning, använder den avgränsningen i sina riktlinjer för synlig och infraröd strålning från 2013.

Tre storheter beskriver en ljusvåg. Våglängden (λ) är avståndet mellan två vågtoppar och mäts för synligt ljus i nanometer, miljarddels meter. Frekvensen (f) anger hur många svängningar som passerar en punkt varje sekund. Sambandet c = λ · f binder ihop storheterna, så kort våglängd ger hög frekvens. Grönt ljus på 532 nm svänger ungefär 563 biljoner gånger per sekund, vilket motsvarar 563 terahertz (THz).

Vad är en foton och hur mycket energi bär den?

En foton är den minsta mängd ljus som kan sändas ut eller tas upp av materia. Albert Einstein fick Nobelpriset i fysik för 1921 för sin upptäckt av lagen om den fotoelektriska effekten, där ljus slår loss elektroner ur en metallyta. Effekten går bara att förklara om ljusets energi kommer i bestämda paket.

Energin i en foton ges av formeln E = hc/λ. Planckkonstanten h är exakt 6,626 070 15 × 10^-34 Js och ljushastigheten c är exakt 299 792 458 m/s, eftersom båda är definierande konstanter i SI-systemet sedan 2019 års revision. Produkten hc blir ungefär 1,986 × 10^-25 joulemeter.

Räkneexempel: fotonenergin för grönt ljus

Ta en foton med våglängden 532 nm. Energin blir 1,986 × 10^-25 delat med 532 × 10^-9, vilket ger 3,73 × 10^-19 joule. Fotonenergi anges oftast i elektronvolt (eV), där 1 eV är exakt 1,602 176 634 × 10^-19 joule. Fotonen på 532 nm bär då 2,33 eV. En tumregel följer av samma formel: energin i eV är ungefär 1 240 delat med våglängden i nanometer. Den som vill kontrollera en laser på 694,3 nm får 1 240 / 694,3 = 1,79 eV.

Lång våglängd betyder lite energi per foton. En foton på 10 600 nm i det infraröda bandet IR-C bär bara 0,12 eV, medan en foton på 280 nm vid gränsen mellan UVC och UVB bär 4,43 eV. Skillnaden är nästan 40 gånger. Energin per foton är en del av förklaringen till att UV-strålning och infraröd strålning påverkar vävnad på olika sätt.

Våglängd	Var i spektrumet	Frekvens	Fotonenergi
280 nm	Gräns UVC/UVB	1 071 THz	4,43 eV
400 nm	Gräns UVA/synligt ljus	750 THz	3,10 eV
532 nm	Grönt ljus	564 THz	2,33 eV
694,3 nm	Rött ljus från rubinlaser	432 THz	1,79 eV
780 nm	Gräns synligt ljus/IR-A	384 THz	1,59 eV
1 064 nm	Nära infrarött (IR-A)	282 THz	1,17 eV
10 600 nm	Långvågigt infrarött (IR-C)	28 THz	0,12 eV

Redaktionen har räknat fram värdena i tabellen med E = hc/λ och f = c/λ utifrån SI-systemets exakta konstanter. Värdena är avrundade.

Hur ser det elektromagnetiska spektrumet ut?

Det elektromagnetiska spektrumet ordnar all elektromagnetisk strålning efter våglängd, från långa radiovågor till kort gammastrålning. Ljus i vid mening är en smal remsa: den optiska strålningen mellan 100 nm och 1 mm. Internationella belysningskommissionen CIE delar in remsan i band med fasta gränser i sin ordlista e-ILV. Diagrammet visar banden på en logaritmisk skala, där varje steg är tio gånger längre våglängd.

Band	Våglängd	Fotonenergi	Kännetecken
UVC	100-280 nm	12,4-4,43 eV	Absorberas helt i atmosfären
UVB	280-315 nm	4,43-3,94 eV	Dämpas till stor del av ozon och syre
UVA	315-400 nm	3,94-3,10 eV	Längsta UV-våglängderna
Synligt ljus	ca 400-780 nm	3,10-1,59 eV	Ger synintryck, från violett till rött
IR-A	780-1 400 nm	1,59-0,89 eV	Nära infrarött
IR-B	1,4-3 µm	0,89-0,41 eV	Mellaninfrarött i vissa tillämpningar
IR-C	3 µm-1 mm	0,41-0,001 eV	Långvågigt infrarött, värmestrålning

Vad skiljer UVA, UVB och UVC?

UV-strålning täcker 100-400 nm enligt CIE. SMHI delar in strålningen i UVC 100-280 nm, UVB 280-315 nm och UVA 315-400 nm. All UVC-strålning från solen absorberas i atmosfären. Syre i luften tillsammans med ozonskiktet tar upp en stor del av den mest skadliga UV-strålningen.

Var går gränsen för synligt ljus?

Synligt ljus har inga skarpa gränser. CIE anger att den nedre gränsen brukar sättas någonstans mellan 360 och 400 nm och den övre mellan 760 och 830 nm, eftersom gränsen beror på hur mycket ljus som når näthinnan och hur känslig betraktaren är. Spannet 400-780 nm i den här texten följer CIE:s gränser för UV och IR.

Vad är IR-A, IR-B och IR-C?

CIE delar in infraröd strålning i tre band: IR-A 780-1 400 nm, IR-B 1,4-3 µm och IR-C 3 µm-1 mm. Uttrycken nära, mellan och fjärran infrarött förekommer också. CIE påpekar att gränserna för de uttrycken varierar mellan olika tillämpningar. Bokstavsbanden är därför säkrare att använda när exakta våglängder spelar roll.

Hur snabbt går ljuset?

Ljusets hastighet i vakuum är exakt 299 792 458 meter per sekund, ungefär 300 000 kilometer per sekund. Siffran mäts inte längre utan är fastslagen. Internationella byrån för mått och vikt (BIPM) definierar metern genom att låsa ljushastighetens talvärde till 299 792 458 när enheten är meter per sekund. En meter blir då den sträcka ljus färdas i vakuum på 1/299 792 458 sekund.

Avståndet mellan jorden och solen ger en känsla för hastigheten. Internationella astronomiska unionen definierade 2012 den astronomiska enheten till exakt 149 597 870 700 meter. Ljus behöver 499 sekunder för att färdas den sträckan, drygt 8 minuter och 19 sekunder. Solljuset som når dig lämnade solen mer än åtta minuter tidigare.

I vatten, glas och andra genomskinliga material går ljuset långsammare. Brytningsindex n anger hur mycket långsammare: hastigheten blir v = c/n. Vatten har brytningsindex 1,33 och diamant 2,419 enligt läroboken University Physics från OpenStax. Ljuset färdas därför med ungefär 225 000 km/s i vatten och 124 000 km/s i diamant.

Hastigheten c fungerar även som en övre gräns. Enligt Einsteins speciella relativitetsteori kan varken föremål eller information färdas snabbare än ljus i vakuum.

Är ljus en våg eller en partikel?

Ljus beter sig som både våg och partikel beroende på hur det mäts. Interferens avslöjar vågnaturen: när ljus passerar två smala spalter bildas ett mönster av ljusa och mörka band där vågorna förstärker eller släcker ut varandra. Den fotoelektriska effekten avslöjar partikelnaturen. Elektroner slås bara loss om varje enskild foton har tillräckligt hög energi, oavsett hur starkt ljuset är. Svagt UV-ljus kan därför lyckas där starkt rött ljus misslyckas.

Kvantfysiken förenar bilderna. Ljus breder ut sig som en våg men lämnar ifrån sig energi i hela fotoner när det träffar materia. Lasern utnyttjar båda sidorna, eftersom fotoner i takt med varandra bygger upp en enda sammanhängande våg.

Hur bryts, reflekteras och sprids ljus?

Reflektion sker när ljus studsar mot en yta. Reflektionslagen säger att reflektionsvinkeln är lika stor som infallsvinkeln, räknat från en linje vinkelrät mot ytan.

Brytning uppstår när ljus går snett in i ett material där hastigheten är en annan. Snells lag, n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂, beskriver hur mycket strålen ändrar riktning. Ett sugrör i ett vattenglas ser knäckt ut av samma skäl. Brytningsindex varierar något med våglängden. Ett prisma delar därför upp vitt ljus i färger.

Varför är himlen blå?

Solljus innehåller alla synliga våglängder. När ljuset passerar atmosfären sprids en del av det av luftens molekyler. Lord Rayleigh visade att spridningen är omvänt proportionell mot våglängden upphöjd till fyra. Hongkongs meteorologiska myndighet Hong Kong Observatory använder samma förklaring. Blått ljus på 450 nm sprids därför ungefär 5,9 gånger mer än rött ljus på 700 nm, enligt vår beräkning med regeln. Det spridda blå ljuset når ögat från alla delar av himlen.

Hur uppfattar ögat färger?

Näthinnan har två sorters ljuskänsliga celler för seende: stavar för mörkerseende och tappar för färgseende. Människan har tre typer av tappar. Bowmaker och Dartnall mätte 1980 ljuskänsligheten i enskilda celler från en mänsklig näthinna. Topparna låg vid 420 nm för de kortvågiga tapparna, 534 nm för de mellanvågiga och 564 nm för de långvågiga, medan stavarna var känsligast vid 498 nm.

Färgen du ser är hjärnans tolkning av hur starkt de tre tapptyperna svarar. Två ljus med helt olika spektrum kan därför se likadana ut. Skärmar utnyttjar principen och bygger alla färger av rött, grönt och blått ljus.

SI-systemet definierar ljusstyrkeenheten candela med grönt ljus på frekvensen 540 THz, vilket motsvarar ungefär 555 nm. Vid den frekvensen motsvarar 1 watt strålning exakt 683 lumen.

Hur påverkar ljus dygnsrytmen?

Ögat har en tredje sorts ljuskänsliga celler som inte bildar bilder. Cellerna kallas ipRGC (inneboende ljuskänsliga ganglieceller i näthinnan) och innehåller pigmentet melanopsin. En studie i Science 2002 visade att cellerna skickar nervtrådar till den suprachiasmatiska kärnan, hjärnans huvudklocka. Studien beskrev också att ljuset når klockan även utan stavar och tappar.

Melanopsin reagerar starkast på blågrönt ljus nära 480 nm enligt en översikt av Emanuel och Do i Frontiers in Ophthalmology 2023. Pigmentet hjälper kroppens klocka att följa solens dygn.

Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2017 gick till Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash och Michael W. Young för upptäckter av molekylära mekanismer som styr dygnsrytmen. Deras forskning förklarar hur klockan tickar inuti cellerna. Melanopsinet förklarar hur dagsljuset ställer klockan.

Vad är skillnaden mellan vanligt ljus och laserljus?

Vanligt ljus från solen eller en glödlampa består av fotoner med många olika våglängder som sänds ut slumpmässigt i alla riktningar. Laserljus skiljer sig på tre punkter. Laserljus är monokromatiskt, så nästan alla fotoner har samma våglängd. Ljuset är koherent: vågorna svänger i takt. Strålen är riktad och sprids mycket lite, så energin kan samlas på en liten punkt.

Förklaringen är stimulerad emission. Albert Einstein beskrev fenomenet 1917 i artikeln Zur Quantentheorie der Strahlung i Physikalische Zeitschrift. En exciterad atom som träffas av en foton med rätt energi kan sända ut en ny foton som svänger i fas med den första. I en laser förstärks processen mellan två speglar tills en stråle lämnar apparaten.

Theodore Maiman vid Hughes Research Laboratories i Malibu fick den första lasern att fungera den 16 maj 1960. Lasermediet var en syntetisk rubinkristall av krom i korund. Ljuset hade våglängden 694,3 nm. Maiman publicerade resultatet i Nature i augusti samma år. Flera pionjärer inom laserterapi byggde sedan vidare på tekniken.

Egenskap	Vanligt ljus (sol, glödlampa)	Laserljus
Våglängder	Brett spektrum	En smal linje, till exempel 694,3 nm i rubinlasern
Fas	Slumpmässig	Koherent, vågorna i fas
Riktning	Åt alla håll	Smal, nästan parallell stråle
Hur ljuset uppstår	Spontan emission	Stimulerad emission

Den smala strålen gör laserljus farligare för ögat än lika stark vanlig belysning. Ögats lins kan fokusera en parallell stråle till en mycket liten fläck på näthinnan. Vi går igenom riskerna i texten om huruvida laser kan göra dig blind.

Hur påverkar ljus hud och ögon i Sverige 2026?

UV-index mäter styrkan i den del av solens UV-strålning som skadar huden, enligt SMHI. I Sverige ligger UV-index mitt på dagen mellan 0 och 8, med sommarvärden som oftast ligger på 4-7 och vintervärden under 2.

Strålsäkerhetsmyndighetens vetenskapliga råd för UV-frågor skriver i rapport 2024:08 att känsliga personer bör begränsa exponeringen från UV-index 3 och uppåt. Den högsta kategorin, extremt UV-index, gäller från 11. Rapporten redovisar att 5 257 personer fick diagnosen invasivt malignt melanom i Sverige 2022, ungefär dubbelt så många som 15 år tidigare. Mer än 500 personer dör varje år av sjukdomen.

Ögonen tar också skada av UV-strålning. Rapporten nämner snöblindhet som akut skada och grå starr som långsiktig följd. Skyddsrådet är keps eller hatt med brätte tillsammans med tätt sittande solglasögon som skyddar även från sidan.

Synligt ljus och infraröd strålning kan skada ögat vid höga intensiteter. ICNIRP har därför gränsvärden för exponering för icke-koherent synligt och infrarött ljus. Laserljus har egna gränsvärden eftersom strålen kan koncentrera energin på en mycket liten yta.

Hur används ljus i tekniken?

Optisk fiber leder ljus i tunna trådar av glas genom upprepad totalreflektion. Charles K. Kao fick halva Nobelpriset i fysik 2009 för banbrytande insatser om överföring av ljus i fibrer för optisk kommunikation. Den andra halvan gick till Willard S. Boyle och George E. Smith för CCD-sensorn, en bildsensor som omvandlar ljus till elektriska signaler.

Nobelpriset i fysik 2014 gick till Isamu Akasaki, Hiroshi Amano och Shuji Nakamura för uppfinningen av effektiva blå lysdioder. Motiveringen lyfte fram att den blå lysdioden har gjort ljusstarka och energisnåla vita ljuskällor möjliga. Röda och gröna lysdioder fanns redan tidigare. Utan blått gick det inte att blanda fram vitt ljus av lysdioder.

Laserljus används i vården för allt från ögonkirurgi till hudbehandlingar. Våglängden styr vilken vävnad som tar upp energin. Därmed styr den också vad en behandling kan åstadkomma. Våra guider om laseroperationer och laserhårborttagning visar hur principen används i praktisk vård.

Vanliga frågor om ljus

Vad är ljus enkelt förklarat?

Ljus är elektromagnetisk strålning, en våg av elektriska och magnetiska fält som kan färdas genom tomma rymden. Ljuset består också av energipaket som kallas fotoner. Ögat uppfattar våglängder mellan ungefär 400 och 780 nm som färger.

Hur snabbt går ljuset?

Ljusets hastighet i vakuum är exakt 299 792 458 meter per sekund enligt SI-systemets definition av metern. Det motsvarar ungefär 300 000 kilometer per sekund. I vatten går ljuset med ungefär 225 000 km/s.

Vad är en foton?

En foton är den minsta mängd ljus som kan sändas ut eller tas upp. Fotonens energi bestäms av våglängden: ju kortare våglängd, desto mer energi.

Hur räknar man ut energin i en foton?

Energin räknas ut med E = hc/λ, där h är Plancks konstant, c ljusets hastighet och λ våglängden. En foton på 532 nm bär ungefär 2,33 eV. En snabb tumregel är 1 240 delat med våglängden i nanometer.

Vilka våglängder har synligt ljus?

Synligt ljus ligger ungefär mellan 400 och 780 nm. CIE anger att gränserna inte är exakta och att den nedre gränsen kan sättas mellan 360 och 400 nm och den övre mellan 760 och 830 nm.

Vad är skillnaden mellan UVA, UVB och UVC?

UVC är 100-280 nm och absorberas helt i atmosfären. UVB är 280-315 nm och dämpas till stor del av ozonskiktet. UVA är 315-400 nm och ligger närmast synligt ljus.

Vad är skillnaden mellan ljus och laser?

Laserljus är ljus med en enda våglängd där vågorna svänger i takt och bildar en smal stråle. Vanligt ljus innehåller många våglängder som sänds ut slumpmässigt åt alla håll. Laserljus uppstår genom stimulerad emission, som Einstein beskrev 1917.

Varför är himlen blå?

Luftens molekyler sprider kortvågigt ljus mycket mer än långvågigt. Spridningen är omvänt proportionell mot våglängden upphöjd till fyra. Blått ljus sprids därför ut över hela himlen medan rött ljus i högre grad går rakt fram.

Läs vidare på Laser.nu

Källor

Källorna kontrollerades 14 oktober 2026.