2.5 Vlnové vlastnosti svetla

Transcript

1 Námety na samostatnú prácu študentov 1. Nájdite si v literatúre, alebo na webe podrobnejšie vysvetlenie vzniku dúhy, pripravte o tom ilustrovaný výklad pre celú triedu. 2. Nájdite si v literatúre z histórie fyziky informáciu o Newtonových pozorovaniach rozkladu svetla hranolom. Pozrite si aj jeho názory o povahe svetla a porovnajte ich so súčasnými predstavami. Urobte to ale až potom, keď sa zoznámite s teóriou fotoefektu v nasledujúcej kapitole. 3. Nájdite si na internete námety na jednoduché pokusy z optiky a predveďte ich v triede. 2.5 Vlnové vlastnosti svetla Pri vysvetlení javov geometrickej optiky nebolo potrebné budovať predstavu o podstate svetla. Všetky závery možno vysvetliť na základe priamočiareho šírenia svetla, jeho odrazu a lomu. Poznáme však optické javy, ktoré môžeme vysvetliť len na základe vhodnej predstavy o podstate svetla. Ak vychádzame z predpokladu, že svetlo je elektromagnetické vlnenie, treba experimentálne potvrdiť, že: 1. svetlo je vlnenie, 2. svetlo je priečne vlnenie, 3. svetlo je elektromagnetické vlnenie. Disperzia svetla Pri lome svetla sme ukázali, že biele svetlo, ktoré sa láme na hranole sa rozloží na farebné zložky. Tento jav sa nazýva rozklad svetla alebo disperzia. Pri lome má každá farebná zložka použitého svetla iný uhol lomu, a teda aj iný index lomu. Vzhľadom na to, že frekvencia svetla sa pri prechode rôznymi prostrediami nemení, musí sa meniť vlnová dĺžka. Vlnová dĺžka λ v určitom optickom prostredí s indexom lomu n je n-krát menšia, ako vlnová dĺžka vo vákuu. Rozklad svetla na jednotlivé vlnové dĺžky môžeme využiť aj prakticky. Spektroskopom môžeme pozorovať spojité spektrum zložené zo všetkých vlnových dĺžok žiarenia, ktoré vyžarujú rozžeravené látky tuhé a kvapalné. Svietiace pary alebo plyny (napríklad pri elektrickom výboji) majú spektrum zložené z jednotlivých oddelených čiar na tmavom pozadí. Spektroskopom pozorujeme čiarové alebo pásové spektrum. Spojité 49

2 a čiarové spektrum vznikne rozkladom svetla, ktoré vyžaruje látka a nazývame ho emisné spektrum. Okrem toho, však rozžeravené pary a plyny, ktorými prechádza biele svetlo pohlcujú tú časť žiarenia, ktorú sú schopné vysielať. Prejaví sa to tým, že v spojitom spektre vzniknú tmavé čiary alebo pásy na mieste, kde by sme ich pozorovali pri emisnom spektre tej istej látky. Takéto spektrá voláme absorpčné spektrá. Keďže určitej látke patrí vždy to isté spektrum, môžeme podľa neho určiť chemické zloženie látok. Metóda, ktorá skúma chemické zloženie látok na základe ich spektra sa nazýva spektrálna analýza. Spektrálna analýza sa využíva v astronómii, ale používa sa aj v technických a kriminalistických laboratóriách, pretože touto metódou sa dá určiť prítomnosť aj nepatrného množstva látky. Interferencia svetla Interferencia svetla potvrdzuje, že svetlo je vlnenie. Tak, ako pri mechanickom vlnení v miestach, kde sa stretávajú dve vlnenia, ich okamžité výchylky sa vektorovo sčítajú. Tento záver platí aj pre svetlo, len treba vytvoriť pre tento úkaz vhodné podmienky. Predpokladáme, že vás očarili krásne sfarbené mydlové bubliny alebo pekné farby na tenkých vrstvách oleja (obr. 2-11). 50 Obr Tieto úkazy nám pomôže vysvetliť predstava svetla ako vlnenia. Aby sme tento jav objasnili, uvažujeme o tenkej vrstve s rovnakou hrúbkou d. Tenká vrstva s indexom lomu n je vo vzduchu. Predpokladajme, že na

3 vrstvu dopadá kolmo monofrekvenčné svetlo (1) (obr. 2-12). Časť svetla (2) sa odráža na prednej strane rozhrania. Zvyšok prechádza do tenkej vrstvy so zmenenou rýchlosťou, časť tohto zvyšku sa odráža na zadnej strane rozhrania a vracia sa späť (3). V priestore pred vrstvou sa stretávajú dve odrazené vlnenia (2) a (3), ktoré sa môžu skladať interferovať. Obr Či v danom mieste vznikne maximum alebo minimum svetla, závisí od fázového rozdielu obidvoch skladajúcich sa vlnení. Pri interferencii svetla na tenkej vrstve sú rozhodujúce tieto skutočnosti: 1. Ak sa má interferencia svetla trvale pozorovať, musia sa skladať svetelné vlnenia koherentné, teda také, ktoré majú rovnakú frekvenciu a nemeniaci sa fázový rozdiel. V uvedenom prípade interferencie na tenkej vrstve je táto podmienka splnená, lebo oba odrazené lúče vznikli rozdelením jedného dopadajúceho lúča a akákoľvek jeho zmena vyvoláva rovnaké zmeny aj v odrazených lúčoch, a tak je ich fázový rozdiel stály a časom sa nemení. 2. Lúč odrazený na prednej strane rozhrania (2) sa šíri len vo vzduchu, ale lúč odrazený na zadnej strane rozhrania (3) sa šíri aj v tenkej vrstve s indexom lomu n, čím vznikne dráhový rozdiel 2d. V tenkej vrstve sa svetlo šíri n-krát pomalšie ako vo vzduchu, a tak vzniká časový posun oproti prvému lúču. Podobne ako pri mechanickom vlnení aj pri svetle môžeme pozorovať, že svetelné vlnenie pri odraze na opticky hustejšom 51

4 prostredí zmení fázu na opačnú, a vznikne fázový rozdiel časovo zodpovedajúci pol perióde. Pri odraze svetelného vlnenia na opticky redšom prostredí sa fáza nemení. Celkový fázový rozdiel vznikne sčítaním posunu vzniknutého zmenou rýchlosti v tenkej vrstve a zmenou fázy pri odraze na hustejšom prostredí. Na miestach kde sa stretnú dve vlnenia s rovnakou fázou potom pozorujeme zoslabenie monofrekvenčného svetla (interferenčné minimum). A teraz sa vráťme k mydlovej bubline alebo tenkej vrstve oleja. Pozorujeme ich v bielom svetle, ktoré je zložené z vlnení s rôznou frekvenciou, a teda i vlnovou dĺžkou. Keďže v oboch uvedených príkladoch je hrúbka tenkej vrstvy na rôznych miestach iná, tam kde sa vytvorili podmienky na vznik interferenčného maxima pre určitú vlnovú dĺžku, zodpovedajúcu farbu vidíme. Pre ostatné vlnové dĺžky vzniká v tejto oblasti interferenčné minimum, resp. zoslabenie, a preto ich nevidíme. Tam, kde je tenká vrstva hrubšia, vzniká oblasť červeného sfarbenia a tam, kde je najtenšia, vznikne fialovo sfarbená oblasť. Podobne ako vzniká interferencia pri odraze na tenkej vrstve, vzniká aj v iných prípadoch, kde sú vytvorené podmienky na vznik interferencie (interferencia lomom a pod.) Využitím interferencie sa napríklad kontroluje dokonalosť vyleštenia rôznych plôch (napr. šošoviek) alebo rovnosť dosiek. Dá sa zmerať hrúbka tenkých vrstiev, merať vlnová dĺžka svetla a pod. Na interferencii svetla sú založené antireflexné vrstvy na objektívoch fotoprístrojov, ďalekohľadov a iných optických prístrojov. Takto sa dá dosiahnuť, že takmer všetko svetlo prejde do optického prístroja a neodráža sa na povrchovej vrstve. Ohyb svetla Zaujímavou aplikáciou interferencie je ohyb svetla, ktorý nás presvedčí o tom, že hoci platí zákon o priamočiarom šírení svetla, za určitých podmienok sa svetlo dostane aj tam, kde by sa priamočiarym šírením dostať nemohlo. Tento jav môžeme najjednoduchšie pozorovať vtedy, ak svetelnému lúču postavíme do cesty prekážku, ktorej rozmer je porovnateľný s vlnovou dĺžkou použitého svetla (napr. tenká štrbina, mriežka, vlas a pod.). 52

5 Osvetlíme v tmavej miestnosti tenkú štrbinu monofrekvenčným svetlom. Na tienidle zistíme, že vedľa jasného stredného pruhu sa objavili na stranách striedavo tmavé a jasné pruhy. Pri použití jasného bieleho svetla pozorujeme po stranách bieleho pásu sfarbené pruhy, pričom červená časť je najďalej od stredného bieleho pruhu a modrá najbližšie. Jav nastáva ale aj vtedy, ak rozmery prekážky sú väčšie ako vlnová dĺžka svetla. Experimentálne si tento jav môžete overiť pomerne ľahko, keď večer cez pramienok vlasov pozorujete lampu pouličného osvetlenia, alebo doma cez malý otvor urobený tenkou ihlou do hliníkovej fólie pozorujeme svietiacu žiarovku. Pri všetkých pozorovaných ohybových javoch sa v tmavých miestach svetlo interferenčne zoslabuje a v svetlých zosilňuje. O tom či v danom mieste na tienidle nastane zosilnenie alebo zoslabenie, rozhoduje dráhový rozdiel interferujúcich vlnení. Ak chceme pozorovať zosilnený ohybový jav, zoradíme vedľa seba buď veľa štrbín, alebo veľa tenkých prekážok. Takto vznikne optická mriežka. Optická mriežka je napr. sklenená doštička na ktorej je vyrytý rad rovnobežných vrypov. Vrypy sú matné, a preto svetlo neprepúšťajú a neporušená plocha skla medzi vrypmi tvorí sústavu štrbín. Dobré mriežky majú niekoľko desiatok až stoviek vrypov na 1 mm mriežky. Vzdialenosť stredov dvoch susedných štrbín je mriežková konštanta b. Keďže mriežkovú konštantu väčšinou poznáme a ak odmeriame vzdialenosť mriežky od tienidla a tiež vzdialenosť maxima 1. rádu od stredu štrbiny, môžeme vypočítať vlnovú dĺžku použitého svetla. Polarizácia svetla Interferenčné a ohybové javy sú dôkazom vlnovej povahy svetla. Treba ešte overiť, či ide o vlnenie priečne alebo pozdĺžne. Tu nám môže pomôcť jav zvaný polarizácia svetla, pretože len priečne vlnenie môže byť polarizované. Poznali sme, že dipól vysiela do okolitého priestoru elektromagnetické vlnenie, ktorého smer intenzity elektrického poľa E je rovnobežný so smerom dipólu a smer intenzity magnetického poľa H je na tento smer kolmý. Elektromagnetické vlnenie, ktorého vektory E a H kmitajú stále v tých istých smeroch, nazývame lineárne polarizované. 53

6 Najčastejším zdrojom svetla sú rozžeravené látky a elektrické výboje v plynoch. Atóm vysiela svetlo vtedy, keď elektrón prejde z vyššej energetickej hladiny na nižšiu. Rozdiel energií sa vyžaruje ako svetelné elektromagnetické vlnenie svetlo. Svetlo je vyžarované atómami alebo molekulami látok v istom zmysle podobne, ako ich vysiela elektrický dipól. Vyžarovanie svetla sa však nedeje plynulo spojito, ale každý atóm vysiela energiu po určitých dávkach kvantách, pričom smer kmitov pri každom vyžiarení je všeobecne rôzny a neustále sa mení. Zdroje svetla preto vyžarujú svetlo nepolarizované, nazývame ho prirodzené svetlo. Môžeme si to predstaviť tak, že prirodzené svetlo obsahuje svetlo polarizované vo všetkých možných smeroch, pričom na každý smer pripadá rovnaké množstvo svetla. Polarizovať svetlo znamená, nájsť také zariadenie, ktoré prepustí len kmity jedného smeru. Takéto zoradenie nazývame polarizátor. Ako polarizátor sa používajú polarizačné filtre. To sú látky, ktoré obsahujú pretiahnuté makromolekuly. Pri výrobe filtra sa makromolekuly vhodným spôsobom usporiadajú rovnobežne do jedného smeru. Výsledkom je, že svetlo pri prechode filtrom kmitá len v jednej rovine je polarizované. Svetlo sa polarizuje aj pri odraze od dielektrických materiálov (teda nie kovov). Naše oko nie je schopné rozlíšiť svetlo prirodzené od svetla polarizovaného. Aby sme sa presvedčili, že svetlo je polarizované, použijeme druhý filter analyzátor, ktorý pri otáčaní mení intenzitu prechádzajúceho svetla. Keď majú polarizátor a analyzátor rovnako orientované makromolekuly, tak svetlo prechádza. Ak analyzátor otáčame, tak pri určitom uhle natočenia polarizátora a analyzátora svetlo prestane prechádzať. Tento jav nastane vtedy, keď svetlo dopadajúce na analyzátor je už polarizované. Polarizácia svetla dokazuje, že svetlo je priečne elektromagnetické vlnenie. Na praktické využitie polarizácie sa používajú zariadenia polarimetre. Polarimetrami možno sledovať niektoré vlastnosti látok, napríklad rozloženie mechanického napätia, ktoré umožňuje na modeloch zariadení sledovať rozloženie posunutia v jednotlivých častiach modelu. Časté je použitie polarizačných filtrov pri fotografovaní objektov, kde sú optické rozhrania (mokrá cesta, vodná hladina, sklá okien a obrazov), na 54

7 ktorých vzniká aspoň čiastočne polarizované svetlo. Toto odrazené svetlo spôsobuje nepríjemné reflexy, ktoré sú pri fotografovaní nežiaduce. Vhodne orientovaným analyzátorom môžeme tieto reflexy odstrániť. Ďalšie využitie majú polarimetre pri meraní vlastností opticky aktívnych látok. Takouto látkou je napríklad cukor. Jeho roztok mení polarizačný uhol v závislosti od hrúbky vrstvy a od koncentrácie. Takýto roztok môžeme využiť pri laboratórnych cvičeniach, kde si môžeme použitím jednoduchého modelu polarimetra overiť závislosť zmeny polarizačného uhla od hrúbky vrstvy roztoku cukru pri stálej koncentrácii alebo závislosť zmeny polarizačného uhla od koncentrácie roztoku pri stálej hrúbke vrstvy roztoku cukru. Záverom merania môže byť určenie koncentrácie neznámeho roztoku cukru. 2.6 Zobrazovanie odrazom a lomom Stáva sa, že predmety nemôžeme pozorovať priamo okom (napr. pehu na tvári, veľmi malé alebo veľmi vzdialené predmety). Lúče vychádzajúce z pozorovaného predmetu alebo bodu A (obr. 2-13) najprv odrazom alebo lomom menia svoj smer a až potom dopadajú na sietnicu oka. V tomto prípade do oka neprichádzajú lúče z bodu A, ale z nejakého iného bodu A', ktorý nazývame skutočným obrazom. V inom prípade majú smer akoby všetky vychádzali z bodu A'', ktorý nazývame neskutočný obraz. Obr Prostredia, ktoré zmenili chod lúčov z bodu A po oko, sú optické prostredia. O tom ako optickými prostrediami získame obraz a aké vlastnosti tento obraz má, budeme hovoriť v tejto kapitole. 55