Valna optika_intro Interferencija svjetlosti, Youngov pokus, interferencija na tankim listićima, difrakcija svjetlosti na pukotini, optička rešetka, polarizacija svjetlosti, Brewsterov zakon Interferencija svjetlosti Nije baš očito da je svjetlost val. Isaac Newton razvio je teoriju da je svjetlost građena od malenih čestica - korpuskula koje se gibaju velikom brzinom i npr. odbijaju od zrcala... Otprilike u isto vrijeme pojavila se i valna teorija Christiaana Huygensa koji, kako samo ime govori, smatra da je svjetlost val. Zbog Newtonovog autoriteta ova teorija je maknuta na stranu, a prva potvrda njezine ispravnosti dolazi poznatim Youngovim eksperimentom. Youngov pokus Pokus koji pokazuje interferenciju svjetlosti na dvjema uskim pukotinama (slika 1.) Slika 1. Youngov pokus S ovakvom slikom sreli smo se pri objašnjavanju interferencije u Valovima. Sa svjetlošću je dosta teže dobiti ovakvu interferentnu sliku jer svjetlosni valovi trebaju biti koherentni (imati jednaku frekvenciju i jednaku razliku u fazi). Ako je to zadovoljeno na zastoru se vidi rezultat interferencije svjetlosti - svijetle i tamne pruge. Svijetle pruge su mjesta konstruktivne interferencije, a tamne pruge mjesta destruktivne interferencije. No, kako dobiti koherentne svjetlosne izvore odnosno koherentne valove? Obično se od jednog izvora nastoji dobiti dva. Young je monokromatsku svjetlost iz jedne pukotine usmjerio prema dvjema pukotinama i tako dobio dva realna izvora koherentne svjetlosti koji imaju stalnu razliku u hodu.
Za teorijsko objašnjenje Youngova pokusa koristi se slika 2. Slika 2. uz teorijsko objašnjenje Youngovog pokusa Navesti ćemo samo što koja oznaka na slici 2. znači, te formule interferencijskih uvjeta. Dakle, d - udaljenost pukotina (S1, S2 su izvori, sources) a - udaljenost do zastora na kojem se dobivaju pruge interferencije r1, r2 - hod zrake svjetlosti od promatranog izvora do zastora δ - geometrijska razlika hoda; δ= r2-r1 s - udaljenost interferentne pruge od osi simetrije na kojoj leži točka O Uvjet konstruktivne interferencije: δ=k λ, gdje je k redni broj pruge (k=0,1,2,3,...) Uvjet destruktivne interferencije: δ=(2k+1) (λ/2), k=1,2,3,...
U točki O uvijek imamo svijetlu prugu, zatim sa svake strane tamnu prugu, opet svjetlu itd. Pruge interferencije u Youngovom pokusu su ekvidistantne tj. jednako razmaknute. Za razmak dviju susjednih svijetlih ili tamnih pruga koristi se formula Δs = λ a d Interferencija na tankim listićima Interferencija na tankom listiću debljine d može nastati ili u reflektiranoj ili u transmitiranoj svjetlosti (slika 3.) Slika 3. Interferencija na tankim listićima Za interferenciju je važna koherentnost svjetlosnih zraka. Pri refleksiji na tankim listićima interferiraju zrake 1 i 2. Nalazi li se naše oko na mjestu konstruktivne interferencije tih dvaju svjetlosnih valova vidjet će boje tankih listića. Takav je primjer razlivena nafta na asfaltu. Transmitirane zrake 3 i 4 također su koherentne i zato dobivamo njihovu interferenciju. Optička razlika hoda dvaju koherentnih snopova računa se prema δ=n ( r2-r1) ako zrake prolaze istom tvari indeksa loma n. U našem slučaju optička razlika hoda jest δ=2 n d. Konstruktivna interferencija u reflektiranoj svjetlosti nastaje ako je δ=(2k+1) (λ/2) dok destruktivna interferencija u reflektiranoj svjetlosti nastaje za δ=k λ
Difrakcija svjetlosti na pukotini jest valna pojava koja nije osobina samo za svjetlost, već ju imamo i kod valova na vodi ili zvuka. Kažemo da val može skrenuti iza prepreke. Pojava je uočljivija sa suženjem prepreke (slika 4.) Slika 4. Difrakcija svjetlosti uočljivija je sa suženjem pukotine (slučajevi a., b., c.) Prolaz svjetlosti kroz pukotinu prikazan je na slici 5. Slika 5. Difrakcija svjetlosti na pukotini Iza pukotine imamo široku svjetlu prugu (područje C), zatim područje tame i potom opet svjetla područja (B i D) itd. Relativni intenzitet svjetlosti vidi se na slici 6. Slika 6. Razdioba svjetlosti na zastoru
Optička rešetka Čini ju niz jednako razmaknutih i paralelnih pukotina, vrlo gusto raspoređenih. Kada svjetlost prođe kroz optičku rešetku dolazi do ogiba na svakoj pukotini rešetke. Tako nastaje niz koherentnih svjetlosnih snopova koji na zastoru interferiraju, konstruktivno i destruktivno, a što vidimo kao pojavu svijetlih i tamnih pruga. Razmak između susjednih pukotina naziva se konstanta rešetke d i određuje se prema d=b/n, gdje b znači širinu optičke rešetke, a N broj pukotina na rešetki (slika 7.). Svijetla pruga (maksimum) nastaje ako je zadovoljen uvjet k λ=d sinα gdje je α kut koji svjetlosni snopovi zatvaraju s okomicom optičke rešetke, a k je redni broj pruge (k=1,2,3,...). Slika 7. Optička rešetka
Polarizacija svjetlosti Interferencija i difrakcija dokazuju valnu prirodu svjetlosti. Je li svjetlost transverzalni ili longitudinalni val? Polarizacija dokazuje da je svjetlost transverzalni val. Slika 8. upućuje o čemu je riječ. Slika 8. Promatranje svjetlosti iz lampice preko polaroida Zakretanjem polaroida kakav nalazimo u boljim sunčanim naočalama moguće je promatrati svjetlost iz lampe. Uočava se velika promjena u kontrastu. Istaknimo i analogiju ove pojave s otprije poznatim transverzalnim valom na užetu (slika 9.). Slika 9. Analogija mehaničkog vala na užetu i polarizacije kao pojave Rukom možemo zatitravati uže u svim smjerovima ali vrata B (polarizator) propuštaju jedino vertikalni mod gibanja užeta. Za takav val kažemo da je ravninski polariziran u vertikalnoj ravnini i kao takav neće proći kroz vrata C. U ovom slučaju vrata B i C zatvaraju pravi kut. Da je u pitanju longitudinalni val (npr. val na opruzi), takav val bi mogao proći kroz vrata B i C. Longitudinalni val nije moguće polarizirati. Svjetlost sa Sunca i mnogih drugih izvora je nepolarizirana i sadrži vibracije u svim ravninama okomitim na smjer širenja. Slika 10. prikazuje simbole koje koristimo kad govorimo o polariziranim i nepolariziranim valovima. Slika 10. Simboli za nepolarizirane i polarizirane valove
Prisjetimo se da je svjetlost elektromagnetski val koji zamišljamo na način kako prikazuje slika 11. U tom smislu smatramo da je val vertikalno polariziran ukoliko je vektor električnog polja vala (E) u tzv. ravnini polarizacije. Slika 11. Elektromagnetski val Kako dobiti polarizirani svjetlosni val? Jedan od načina je refleksijom nepolarizirane svjetlosti na reflektirajućoj površini (slika 12.). Dio upadnog snopa se reflektira, a dio se lomi. Ukoliko je kut između reflektiranog i lomljenog vala pravi (90 o ) tada je reflektirani snop potpuno reflektiran. Slika 12. Polarizacija refleksijom Brewster-ov zakon Upadni kut snopa svjetlosti pri kojemu će se reflektirana zraka potpuno polarizirati zove se Brewsterov kut - ub. Vrijedi Brewsterov zakon: tgub= n 2 n 1 gdje je n1 indeks loma optički rjeđeg sredstva, a n2 indeks loma optički gušćeg sredstva.