De 19e eeuw had het inzicht bevestigd dat behalve geluid ook licht kan worden opgevat als een golfverschijnsel. Een golf is het gevolg van de voortplanting van een trilling. In het geval van geluid is er een medium nodig: de voortplantingssnelheid van geluidsgolven in lucht bedraagt bij kamertemperatuur ongeveer 340 meter per seconde. Als de geluidsbron een stemvork is, klinkt bij het aanslaan een toon. Die toon heeft eenfrequentie, het aantal trillingen per seconde, die wordt uitgedrukt in Hertz (Hz). Een hogere frequentie geeft een hogere toon. De ondergrens van het menselijk gehoor ligt bij een frequentie van 20 Hz; de bovengrens van een jeugdig oor bij 20.000 Hz. De ‘lengte’ van de geluidsgolf (λ) is gelijk aan het quotiënt van devoortplantingssnelheid (v) van de golven én de ‘frequentie’ (f). Een toon met een frequentie van 5000 Hertz heeft een golflengte van 340/5000 = 0,0680 meter. Bij een hoge frequentie hoort dus een kleinegolflengte, en omgekeerd.
Lichtgolven zijn elektromagnetische golven met een zeer hoge frequentie, die geen medium nodig hebben om zich voort te bewegen. Zoals bij geluid de toonhoogte wordt bepaald door de frequentie, is dat bij zichtbaar licht het geval met de kleur. Violet licht heeft een hogere frequentie en dus een kleinere golflengte dan rood licht. De voortplantingssnelheid van het licht bedraagt in het luchtledige voor alle
golflengtes ongeveer 300.000 kilometer per seconde. De golflengte is het quotiënt van deze snelheid én de frequentie. Rood licht heeft een golflengte van omstreeks 0,000.000.70 meter; voor violet is dat 0,000.000.40 meter. Voor deze kleine lengtematen was een aan-
gepaste eenheid ingevoerd: de Ångström (Å). Een Ångström is 0,000.000.000.1 meter, dus één tienmiljardste meter of 10-10meter.7Rood licht heeft derhalve een golflengte van omstreeks 7000 Å, voor violet is die 4000 Å. Lichtgolven met een golflengte groter dan 7000 Å zijn onzichtbaar: ze liggen in hetinfrarood. Golflengtes die kleiner zijn dan 4000 Å zijn eveneens onzichtbaar voor het menselijk oog en liggen in hetultraviolet. Voor het waarnemen van infrarood en ultraviolet licht bestaan detectoren.
De Oostenrijkse natuurkundige Doppler heeft zijn naam gegeven aan een belangrijke analogie tussen geluid en licht. Als het geluid van een claxon van een stilstaande auto een waarnemer bereikt, hoort die een bepaalde toon. Komt die auto op hem afrijden, dan bereiken meer trillingen per seconde het oor, waardoor de waarnemer een hogere toon hoort. Na het passeren wordt de ervaren toon lager. DitDopplereffect speelt een grote rol in de sterrenkunde. Als een ster zich verwijdert van de aarde zullen lichtgolven een wat lagere frequentie krijgen en treedt een roodverschuiving op ten opzichte van dezelfde aardse lichtbron.
De natuurkunde van de zon was in de 19e eeuw bevorderd door het onderzoek van haarspectrum. Het was sinds Noach en Newton bekend dat zonlicht kan worden gesplitst in de kleuren van de regenboog. Dat gebeurt bijvoorbeeld als het met een bepaalde invalshoek valt door een driehoekig stuk kristalglas: een prisma. Het rood krijgt in het glas de kleinste afwijking; het violet de grootste. De kleuren van
Dispersie en het ontstaan van een spectrum.
het spectrum zitten daartussen. Dit verschijnsel wordtdispersie genoemd. Met behulp van prisma's kon het zonnespectrum rond 1800
Een stukje van het violette spectrum tussen 4380 en 4399 Å met fraunhoferlijnen.
worden afgebeeld als een smal stukje van een regenboog. De scheiding van de kleuren is duidelijker wanneer het licht in een zeer smalle bundel invalt. Dat gebeurt door het door een uiterst smalle spleet binnen te laten vallen. Als die spleet smal genoeg is blijkt bovendien dat het spectrum op duizenden plaatsen wordt
onderbroken door een woud van verticale donkerelijnen, die naar de Duitse opticus Joseph von Fraunhofer zijn genoemd. Die had er in 1814 al meer dan 500 ontdekt. Hij markeerde de meest opvallende met een letter: vanA in het rood tot I in het violet. De enefraunhoferlijn is smal en donker, de andere breed en wazig: het is ‘een volle rijkdom van chiaroscuro’ om met Minnaert te spreken,8een oneindige variëteit van schaduwen en halftonen. De Duitse fysicus Kirchhoff tekende dit spectrum bij gebrek aan fotografische middelen minutieus na.9In 1860 gaf hij elke breedte van een lijn een letter, van a tot g, en elke donkerte een cijfer van 1 tot 6.
De combinatie van de drie onderdelen, intreespleet, prisma en afbeeldend systeem wordt eenspectrograaf genoemd. De Amerikaan Rowland verving rond 1895 de prisma's door een reflectierooster of ‘tralie’.10Zo'n tralie is een perfect vlakke glazen plaat met evenwijdige inkervingen, groeven genoemd, op identieke afstand. Rowland speelde het klaar er 600 op een millimeter te krijgen. De afstand tussen de kerven is dan één zeshonderdste millimeter of 16.000 Å, wat in de buurt komt van de golflengte van rood licht. Met behulp van deze tralie kon hij een lichtsterk spectrum fotograferen. RowlandsAtlas of the Solar Spectrum vermeldt 20.000 fraunhoferlijnen met golflengten tot op 0,01 Å, een biljoenste meter, nauwkeurig!11Door het spectrum fotografisch te vergroten kan het uiteraard langer gemaakt worden en zo publiceerde Rowland een spectrum van dertien meter lang. Op die 13.000 millimeter
verantwoordde hij 3000 Å, zodat elke Å werd uitvergroot tot 4 mm. Rowland gaf elk van die lijnen een getal dat een maat was voor de zwartheid of ‘sterkte’ van de lijn: dat was een kwalitatieve
schatting. DezeRowlandschaal werd de standaard voor de intensiteit van een fraunhoferlijn.12