7. Vlnové vlastnosti svtla Základní vlastnosti svtla Viditelné svtlo = elektromagnetické vlnní s vlnovými délkami 400 760 nm Pozn.: ultrafialové záení (neviditelné) 400nm (fialové) 760nm (ervené) infraervené záení (neviditelné) Bílé svtlo složeno z jednobarevných (monochromatických) svtel (duha) - spektrum : ervená oranžová žlutá zelená modrá indigová fialová dále se už nerozkládají (pomcka : ožzmif) Pozn.: oní sítnice je nejcitlivjší na žlutozelenou barvu (vlnová délka asi 550 nm) ychlost svtla: c = 300 000 km.s -1 = 3. 10-8 m.s -1 ve vakuu (vzduchu) = f c - vlnová délka svtla, f frekvence svtelného vlnní (uruje barvu svtla) Metody urení rychlosti svtla : První byl dánský astronom ömer v letech 1675 1676 provádl na hvzdárn v Paíži pozorování zákryt Jupiterova msíce Io. Na jejich základ vypoítal c = 30 000 km.s -1. Tento výpoet je sice nepesný, ale ömer první ukázal, že rychlost svtla je konená. Fizeav princip první laboratorní mení rychlosti svtla. Historie fyziky zná velké množství rzných zpsob mení rychlosti svtla. Šíení svtla Svtlo elektromagnetické vlnní PÍNÉ! Šíení na základ Huygensova principu - každý bod vlnoplochy, do nhož dosplo vlnní v uritém asovém okamžiku, lze pokládat za zdroj elementárního vlnní, které se od nho šíí v elementárních vlnoplochách. Výsledná vlnoplocha (ve všech jejích bodech má vlnní v každém uritém asovém okamžiku stejnou fázi) je vnjší obalová plocha všech elementárních vlnoploch. Šíení svtla v rzných prostedích Na rozhraní mezi dvma prostedími odraz a lom svtla; irým sklem prochází svtlo tém beze zmny barevným sklem projde jen svtlo uritých vlnových délek, nastává absorpce (pohlcování) svtla matné sklo nepravideln mní smr šíení svtla, nastává rozptyl svtla zrcadlem (sklo pokryté vrstvou kovu) svtlo neprochází, nastává pouze odraz svtla Optická prostedí : prhledné nedochází v nm k rozptylu prsvitné svtlo prostedím prochází, ale jen zásti se v nm rozptyluje neprhledné svtlo se v nm siln pohlcuje nebo se na povrchu odráží - 1 -
- prostedí opticky homogenní - má v celém svém objemu stejné optické vlastnosti - prostedí opticky izotropní šíení svtla zde nezáleží na smru - prostedí opticky anizotropní - šíení svtla zde záleží na smru Vlnové vlastnosti svtla - dokazují jevy : 1. interference = skládání svtelných vlnní. difrakce =ohyb 3. polarizace Interference svtla - je pozorovatelná pouze pro koherentní vlnní (toho se dá docílit pouze rozdlením svtelného vlnní z téhož zdroje (odrazem, lomem, ) - musí mít stejné vlastnosti frekvence, stálý, na ase nezávislý fázový rozdíl, ) Z 1. P polopropustné zrdcadlo S stínítko P P 1.,. koherentní paprsky. S O zrcadlo (odraz) O O Interference svtla na tenké vrstv - vysvtlíme tak barevné skvrny na mýdlových bublinách, na olejových skvrnách na kalužích, bílé svtlo obsahuje svtelná vlnní rzných vlnových délek (rzných barev), které se pi dopadu na vrstvu oleje odráží od jejího horního rozhraní a po prchodu vrstvou i od dolního rozhraní vzniká dráhový rozdíl a podle tloušky vrstvy se svtlo nkterých vlnových délek zesiluje a nkteré zeslabuje barevnost skvrny 1. dopadající paprsek 1.. 3. paprsek - odraz v bod A 3. paprsek - odraz v bod B vzduch A A A d mýdlová blána B vzduch Pozn.: pokud se svtlo odráží od opticky hustšího prostedí, mní se fáze na opanou, pokud se odráží od prostedí opticky idšího, pak se fáze nemní. Interference vzniká složením paprsk a 3, mezi nimiž vznikl dráhová rozdíl : = / +. d. n - -
a) interferenní maximum interferující paprsky mají stejnou fázi = k. +.d.n = k..d.n = k. -.d.n =.(k 1) d =.(k 1) 4n b) interferenní minimum interferující paprsky mají opanou fázi = (k + 1). +.d.n = k. + k. d =. n Interference Newtonovy kroužky - interferenní jev, který vzniká ve vzduchovém klínu mezi planparalelní deskou a ploskovypuklou okou v monochromatickém svtle stídání jednobarevných kroužk a temných kroužk v bílém svtle barevné kroužky S dopadající svtelné paprsky - b 1 polomr kivosti vypuklé plochy oky r polomr sledovaného interferenního kroužku b tlouška vzduchového klínu v míst sledovaného interferenního kroužku r C A b B - 3 -
Výpoet polomru r k interferenního kroužku svtlého (maximum) nebo tmavého (minimum) pro pípad, že planparalelní deska i oka jsou ze skla a okolní prostedí je opticky idší než materiál oek (nap. vzduch): Je teba poznamenat, že tlouška vzduchového klínu b (zlomky milimetru) je mnohonásobn menší než polomr kroužk r (desítky milimetr) a než polomr vypuklé plochy oky (metry). Interferenní jev v odraženém svtle vzniká skládáním dvou svtelných paprsk, které se odrážejí na okrajích vzduchového klínu tedy v bodech A (první paprsek se odráží od opticky idšího prostedí beze zmny fáze).. 1 = 0 B (druhý paprsek se jednak odráží od opticky hustšího prostedí zmna fáze na opanou, jednak pekonává ve srovnání s prvním paprskem navíc dvakrát vzdálenost b).. = (okolního prostedí) Celkový dráhový rozdíl obou paprsk: = 1 + = SCA: CS + CA = AS ( b) + r = = r b r b bn +, kde n je index lomu vzduchu bn +. b + b + r (b zanedbateln malé) Po dosazení za b je tedy dráhový rozdíl interferujících paprsk = r n +. a) interferenní maximum (svtlý kroužek): = k. k poadí kroužku r n + = k. r k = ( k 1). n b) interferenní minimum (tmavý kroužek): = (k + 1). r n + = (k + 1). r n = k. k.. r k = n - 4 -
Ohyb svtla difrakce - jev šíení svtla do prostoru geometrického stínu, pozorovatelný v pípad, že se svtlo na své cest setkává s pekážkou, jejíž rozmry jsou srovnatelné s vlnovou délkou svtla (nap.: optická mížka). M (mížka) (spojná oka) S (stínítko) 1 I A b 0 B C I b mížková konstanta, charakterizuje optickou mížku ABC (pravoúhlý s pravým úhlem pi vrcholu C): = sinα = b.sinα dráhový rozdíl mezi dvma odpovídajícími paprsky 1 a. b Interference: max: min: = k. ; = (k + 1). ; b.sinα = k.; b.sinα = (k + 1). Pozn.: Ohyb se dá využít pro mení vlnové délky svtla: malý sin tg. M 1. maximum (k = 1): b.sin b.tg = y b. = 1. = x x y b. x S I y 0-5 -
Polarizace svtla - jev dokazující, že svtlo je píné vlnní - obyejné nepolarizované svtlo má kmity E a B probíhající nahodile ve všech smrech kolmých na smr šíení svtla. Polarizované svtlo kmity E a B probíhají pouze v jedné rovin. Mechanický model polarizace svtla: Zpsoby získávání polarizovaného svtla: 1. odrazem k 1.prostedí - 6 -.prostedí nedokonale (ásten) polarizované svtlo (vtšina kmit kolmá na rovinu dopadu)
Pozn.: Dokonalá polarizace pi Brewsterov úhlu ( Brewsterv úhel je pro každý materiál jiný n a dá se spoítat podle vzorce B = arctg, kde B je Brewsterv úhel, n je index lomu n1 materiálu, od kterého se svtlo odráží, n 1 je index lomu materiálu, kterým se svtlo šíí; nap. pro odraz od skla s n = 1,5 zpt do vzduchu s n 1 = 1 je B = 56 o ).lomem k ásten polarizované svtlo (vtšina kmit v rovin dopadu) 3. dvojlomem - islandský vápenec krystal neizotropní vi prchodu svtla rznými smry Vznik lineárn polarizovaného záení prchodem paprsku Nicolovým hranolem.úprava spoívající ve slepení krystalu kanadským balzámem (nepropustí UV záení) nebo glycerínem(propustí UV záení) umožní získat nejlepší polarizátor (odstraní se nap. ádný paprsek ) O... ádný paprsek (ordinarius) E... mimoádný paprsek (extraordinarius) 4. absorpcí polarizátory (polaroidy) v isté vrstv prhledného plastu jsou obsaženy ultramikroskopické krystalky herapatitu (perjodid síranu chininového), jejichž optické osy se pi výrob uspoádají vzájemn rovnobžn. Herapatit po dvojlomu propouští jen svtlo mimoádného paprsku, zatímco svtlo ádného paprsku se v nm pohlcuje. Tyto polaroidy se mohou vyrábt ve velkých plochách a jsou mnohem levnjší než nikoly. - 7 -
nepolarizované svtlo prhledné vrstvy polarizované svtlo molekuly herapatitu Užití polarizovaného svtla : 1. fotoelasticimetrie užití pro mení zatížení a namáhání model stavebních prvk. mení koncentrace opticky aktivních roztok (využívá se skutenosti, že rzn koncentrované roztoky rzn stáejí rovinu polarizovaného svtla) 3. polarizaní filtry nap. pi fotografování lesklých pedmt odražené svtlo se vždy ásten polarizuje. Dá se proto snadno odstranit nebo aspo ásten potlait vhodn orientovaným analyzátorem polarizaní filtr na objektivu fotoaparátu (pi pímém pozorování lze použít polarizaní brýle, pední sklo automobilu lze opatit polarizaním filtrem, ). Holografie Holografii objevil anglický fyzik maarského pvodu Dennis Gabor(1900-1979), který za ni získal v roce 1971 Nobelovu cenu. Pojem holografie pochází z eckých slov holos (úplný) a grafein (zaznamenávat). Tento nový obor optiky se zabývá metodami záznamu a následné rekonstrukce trojrozmrných obraz. Pi záznamu je objekt O osvtlen a pedmtový svazek p šíící se od objektu interferuje s referenním svazkem r a vzniklá mikrointerferenní struktura exponuje holografickou desku H. Úplný záznam vlny, tj. amplitudy i fáze, umožní znamenat prostorové objekty na holografickou desku trojrozmrn. Po vyvolání holografické desky je teba tuto desku osvtlit rekonstrukním svazkem, který by ml být shodný s referenním svazkem r. Na mikrointerferenní struktue dojde k ohybu paprsk a vytvoí se zptn rekonstruovaný pedmtový svazek p *, který je shodný s pvodním pedmtovým svazkem p. Pozorovatel mže pak ve smru P skrz holografickou desku pozorovat rekonstruovaný obraz O * pvodního objektu O. - 8 -