VLNOVÉ VLASTNOSTI SVĚTLA

 

 

 

Zpět na obsah

Pojmy

Odraz

Lom

Úplný odraz

Disperze

Interference

Ohyb

Polarizace

 

Světlo je elektromagnetické vlnění určitých vlnových délek – frekvence 390 – 760 nm. Na tyto vlnové délky je citlivé oko. Šíří se v optickém prostředí. Ve vakuu se šíří rychlostí 3 × 108 m/s, v látkovém prostředí je rychlost světla menší. Je charakterizováno vlnovou délkou

.

 

Od zdroje se šíří v kulových vlnoplochách. Ve velké vzdálenosti lze považovat kulové plochy za rovinné.

 

Vlnoplocha je plocha, na níž leží body stejně vzdálené od zdroje vlnění, které kmitají se stejnou fází.

 

Světelný paprsek je přímka kolmá na vlnoplochu, udává směr šíření ve stejnorodém optickém prostředí. Ve stejnorodém optickém prostředí se světlo šíří přímočaře.

 

Zdroj světla      přirozený: slunce, oheň, hvězdy

  umělé: žárovka, zářivka, výbojka, laser

–   chromatické: složené ze světla více vlnových délek, např. bílé světlo (složené ze sedmi barev)

  monochromatické: 1 vlnová délka – laser

 

Optické prostředí

a) podle průchodnosti světla

průhledné – nedochází k rozptylu světla, např. sklo

průsvitné – světlo se částečně rozptyluje, např. matné sklo

neprůhledné – světlo se pohlcuje nebo odráží

b) podle jiných vlastností ® prostředí:

            – opticky homogenní – všude má stejné optické vlastnosti

            – opticky izotropní – rychlost světla je všemi směry stejná

            – opticky anizotropní – rychlost světla je závislá na směru šíření (krystal křemene)

 

V opticky homogenním prostředí se světlo šíří přímočaře a jednotlivé světelné paprsky se mohou navzájem protínat, ale neovlivňují se a postupují nezávisle jeden na druhém – princip nezávislosti chodu světelných paprsků.

           

Vlnové vlastnosti světla

ODRAZ

= reflexe – odraz světla nastane, když světelný paprsek dopadá na rozhraní světelných prostředí a do druhého všechno nebo část světla nemůže proniknout.

Zákon odrazu

Světlo dopadá pod úhlem dopadu a, který paprsek svírá s kolmicí dopadu k, vztyčenou v místě dopadu O na rozhraní optických prostředí. V případě, že rozhraní není tvořeno rovinnou plochou, uvažujeme o kolmici na tečnou rovinu v místě dopadu světelného paprsku. Paprsek dopadajícího světla a kolmice dopadu leží v rovině, kterou nazýváme rovina dopadu. Odražené světlo se šíří od rozhraní ve směru určeném odraženým paprskem, ten svírá s kolmicí dopadu úhel odrazu a´.

Velikost úhlu odrazu a´ se rovná velikosti úhlu dopadu a. Odražený paprsek leží v rovině dopadu.

Odrazu se využívá u zrcadel.

 

LOM

= refrakce – lom světla nastane když světelný paprsek prochází do druhého prostředí.

Zákon lomu (Snellův zákon)

Světlo dopadá na rozhraní do bodu dopadu O pod úhlem dopadu a. Rovinu, na které se světlo láme, určuje rozhraní, pokud je rovné, popř. tečná rovina k rozhraní v bodě O, pokud je zakřivené. Kolmice k této tečné rovině se nazývá kolmice dopadu (k). Paprsek dopadajícího světla a kolmice dopadu leží v rovině, kterou nazýváme rovina dopadu. Lomený paprsek směřuje z bodu O druhým prostředím pod úhlem lomu b a leží v rovině dopadu. I úhel lomu se měří od kolmice dopadu.

Matematicky je zákon lomu vyjádřen vztahem

(n1 je index lomu prostředí, kterým paprsek prochází, než dojde k lomu, n2 index lomu prostředí, do kterého paprsek prochází)

index lomu n je poměr rychlosti světla ve vakuu a rychlosti světla v daném  prostředí

n = c/v

Porovnáním indexů lomu je jedno z obou prostředí opticky řidší a druhé opticky hustší. Opticky hustší prostředí je to, které má větší index lomu.

Podle zákona lomu nastává při přechodu světla z opticky řidšího do opticky hustšího lom světla ke kolmici (b < a) a při přechodu z opticky hustšího prostředí do opticky řidšího prostředí nastává lom od kolmice (b > a).

Lomu se využívá u čoček.

Při lomu od kolmice může dojít k tzv. úplnému odrazu. Při úhlu dopadu am (mezní úhel) je úhel lomu 90o. Světlo pak neprochází do druhého prostředí. K úplnému odrazu dojde, když je úhel dopadu větší než mezní úhel. Mezní úhel každé látky je podle zákona lomu:

Při přechodu z prostředí do vzduchu platí

Úplného odrazu se využívá u odrazných hranolů (jsou v triedru), protože při rozhraní sklo-vzduch je am = 42° a pro úhel 45° už je lze použít. Na tomto principu jsou také založena optická vlákna (optické kabely) pro přenos informací.

 

 

Disperze světla

Při lomu světla dochází k tomu, že se rozkládá na jednotlivé vlnové délky. Příčinou toho je závislost rychlosti světla v látkách na frekvencidisperze světla. Při normální disperzi se rychlost světla zmenšuje s frekvencí. Ve vakuu k disperzi nedochází.

Index lomu optického prostředí závisí na frekvenci světla a při normální disperzi se s rostoucí frekvencí zvětšuje Þ fialová se láme více než červená.

Při průchodu rozhraním se nemění frekvence světla, mění se však rychlost světla a tím i vlnová délka.

l0 je vlnová délka ve vakuu, l v prostředí.

Vlnová délka světla závisí na indexu lomu prostředí.

K rozkladu světla lomem se využívá optický hranol → vzniká hranolové spektrum. Pro pozorování spektra se využívá spektroskop (popis: světlo se ze zdroje přivádí na kolimátor – v něm se získá svazek rovnoběžných paprsků –, pak se přivede na hranol, kde dojde k disperzi. Dalekohledem můžeme spektrum pozorovat), jeho využití je např. při spektrální analýze.

 

Interference

= skládání světla.

Interference může nastat pouze tehdy, je-li splněna podmínka koherence.

PODMÍNKA KOHERENCE:

 - paprsky musí mít stejnou frekvenci

 - paprsky musí být navzájem rovnoběžné

 - paprsky musí mít na sobě nezávislý dráhový rozdíl.

 

Nejčastěji může dojít k interferenci na tenké optické vrstvě (bubliny, olejová skvrna). K interferenci dojde jen když je světlo kolmé k rozhraní. Část světla se odrazí a část pronikne do optické vrstvy o tloušťce d a odrazí se až na druhém rozhraní. Pro určení dráhového posunu obou vlnění je důležitá tzv. optická dráha l. Optická dráha smazává rozdíly, které vyvolává odlišné chování světla v prostředích. V různých prostředích je odlišná hodnota vlnové délky stejného světla. Urazí-li světlo stejnou dráhu s ve vakuu a např. ve vodě, urazí rozdílný počet vlnových délek. Základní prostředí pro šíření světla je vakuum, proto optická dráha je dráha, kterou by světlo urazilo ve vakuu. Když mezi rychlostmi šíření platí 

c = v × n     Þ     l = n × s

Světlo urazí ve vrstvě dráhu   s = 2 × d , proto optická dráha, kterou světlo ve vrstvě urazí navíc, bude

Dl = 2 × n × d,

což je dráhový rozdíl mezi světlem, které do vrstvy nevstoupilo a světlem, které prošlo vrstvou.

Další vlastnost tenké optické vrstvy je, že na rozhraní řidší-hustší se světlo odráží tak, že se fáze vlnění mění na opačnou – na obrázcích je to znázorněno tak, že první amplituda je vytečkovaná; před odrazem je vlevo, po něm vpravo –, na rozhraní řidší-hustší se odráží tak, že se fáze nemění – první amplituda je vlevo před i po odrazu.

Jednotlivá světla se mohou skládat tak, že se navzájem odečítají (minimumzeslabení světla Þ po zobrazení tmavé proužky) nebo sčítají (maximumzesílení světla Þ po zobrazení světlé proužky). Rozhraní kombinace tmavých a světlých pruhů je jen pro monochromatické světlo. Sluneční světlo reaguje tak, že se zobrazí pruhy různých barev, protože různé barvy mají jiný fázový posun. Proto jsou bubliny barevné, stejně jako olejové skvrny na vodě. Tloušťka pruhů se se vzdáleností od středu zmenšuje.

Podmínky pro zesílení:

Mezi světlem, které vrstvou neprošlo, a světlem, které ano, musí být fázový posun l/2.

 

Podmínky pro zeslabení:

Mezi světlem, které vrstvou neprošlo, a světlem, které ano, musí být fázový posun 0

 

Interference lze také dosáhnout pomocí Newtonových skel (tvořeny jedním rovným sklem a jednou ploskovypuklou čočkou). Mezi čočkou a sklem je tenká, ale různě tlustá vrstva vzduchu. Dojde k interferenci a zobrazí se Newtonovy kroužky. Pomocí Newtonových kroužků lze měřit vlnová délka světla, nebo kontrolovat opracování.

Využití interference:

– určení tloušťky optické vrstvy

– měření vlnové délky

– měření jakosti povrchu obráběných ploch

hologramy

 

ohyb světla

= difrakce – vznikne tehdy, když světlo narazí na překážku, která má přibližně stejnou velikost jako je velikost vlnové délky světla (nanometry). Při ohybu světla dojde k změně směru šíření světla, aniž by se změnilo prostředí ® rozdíl od lomu.

Po ohybu kolem hrany překážky nebývá ostrá hranice světla a stínu. Světlo zčásti proniká i do oblasti, kde by byl stín, kdyby k ohybu nedošlo. Za překážkou dojde k interferenci a vznikne ohybový (difrakční) obrazec.

Je-li u mikroskopu větší zvětšení než 2 500, pak dochází k ohybu a obraz je nejasný.

 

Ohyb světla na optické mřížce

Optická mřížka je soustava velmi úzkých štěrbin o šířce a, vzdálených od sebe vždy o periodu mřížky (mřížkovou konstantu) b. Když ji osvětlíme rovnoběžnými paprsky, dojde k ohybu a za štěrbinami mají paprsky různý směr. Dojde k dráhovému posunu Ds a interferenci. Ohybový obraze vytvořený mřížkou má velmi úzká interferenční maxima, která jsou od se vzdálena tím více, čím je perioda mřížky menší. Pro interferenční maximum platí podmínka:

b × sin a = k × l

a určuje směr, ve kterém je vzniká maximum a k = 0, 1, 2, … je řád maxima

V nultém maximu je původní světlo, ale v dalších se světlo rozkládá tak, že se symetricky na obě strany vytvářejí spektra – nejblíže ke středu fialová, nejdále červená Þ interferenční spektrum.

 

 

 

 

 

Polarizace

Polarizovat znamená vybrat ze všech kmitových rovin pouze jednu. Polarizovat můžeme pouze vlnění příčné Þ světlo je vlnění příčné.

Nepolarizované světlo – vektor E kmitá v rovině kolmé ke směru šíření světla, ale v různých směrech

Polarizované světlo – vektor E kmitá jen po jedné přímce.

Přirozené světlo lze polarizovat odrazem a lomem, dvojlomem a absorpcí (polaroidy). Odražené světlo je zcela polarizováno pouze při určitém úhlu dopadu (aB - Brewsterův neboli polarizační úhel, který závisí na indexu lomu

n = tg aB

Polarizace dvojlomem – u anizotropního prostředí (krystal islandského vápence) – paprsek se rozdělí na dva paprsky – řádný a mimořádný (je tam navíc).

Polaroidy jsou speciální filtry ze dvou vrstev plastu a mezi nimi mikrokrystaly herapatitu (látka s dvojlomem) – z polaroidu se získává jen mimořádný paprsek

Zařízení, kterým se přirozené světlo mění na polarizované, se nazývá polarizátor.

Polarizátor propouští pouze určitou kmitovou rovinu. Pomocí polarizátoru získáme polarizované světlo, které necháme projít analyzátorem (také polarizuje, ověřujeme jím, zda světlem kmitá jen jedna kmitová rovina).

využití polarizace:

snížení intenzity světla

– polarimetry – rychlé určování koncentrace opticky aktivních látek (stáčejí kmitovou rovinu polarizovaného světla → rotační polarizace)

– plexisklo – fotoelasticimetrie – na modelech z plexiskla se zjišťuje napětí součástek, staveb.

 

Zpět na začátek

Zpět na obsah

Zpět na hlavní stránku