Optika

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

Az optika a fizikának, a fény és általában az elektromágneses hullámok terjedésével foglalkozó tudományága. Az optika magyarul nem más mint a fénytan. A fénytan (optika) a fény tulajdonságait, a fényjelenségeket (fénytörés, fényvisszaverődés stb.) vizsgálja.

Főbb megközelítési módjai:

  • a geometriai optika, amely a fényt mint egy sugarat tekinti, mely egyenes vonalban halad az egyes közegekben, közeghatárokon pedig visszaverődik vagy megtörik
  • a hullámoptika, amely a fényt hullámként modellezi. Így magyarázható a fényelhajlás, az interferencia és a polarizáció jelensége;
  • a kvantumoptika, amely vékony rétegek és határjelenségek magyarázatára szolgál

Mindegyik magában foglalja az előző lépcsőfokot.

Tartalomjegyzék

[szerkesztés] A fény színe

Olyan fiziológiai érzet, amelyet a látható fény kelt, méghozzá a hullámhosszától függő minőségben.

Színek Hullámhossz vákuumban (m) Frekvencia (Hz)
3 \cdot 10^{ - 4} 1 \cdot 10^{12}
Infravörös 7 \cdot 10^{ - 7} 4,3 \cdot 10^{14}
Vörös 6,2 \cdot 10^{ - 7} 4,8 \cdot 10^{14}
Narancs 6,1 \cdot 10^{ - 7} 4,9 \cdot 10^{14}
Sárga 5,9 \cdot 10^{ - 7} 5,1 \cdot 10^{14}
Zöld 5,1 \cdot 10^{ - 7} 5,9 \cdot 10^{14}
Kék 4,3 \cdot 10^{ - 7} 6,9 \cdot 10^{14}
Ibolya 4,0 \cdot 10^{ - 7} 7,5 \cdot 10^{14}
Ultraibolya 6 \cdot 10^{ - 8} 5 \cdot 10^{15}


[szerkesztés] Színkép vagy Spektrum

Valamely fényforrás hullámhossz szerint felbontott fényébena színekhez tartozó intenzitás frekvenciára való eloszlását leíró függvény, illetve a fényspektrográfok által térben hullámhossz szerint szétbontott képe.

[szerkesztés] Emissziós színkép

A gerjesztett atomi vagy molekuláris rendszer által kibocsátott elektromágneses hullámok hullámhossz szerinti rendszere.

[szerkesztés] Folytonos színkép

Olyan emissziós színkép, aemlynek intenzitása a frekvencia folytonos függvénye, és széles tartományban különbözik 0-tól.

[szerkesztés] Fényforrások

Meg kell említenünk a fényforrásokat is, mert fényforrás nélkül nincs fény. Két fajta fényforrást különböztetünk meg, az elsődleges, és a másodlagos fényforrásokat.

[szerkesztés] Elsődleges fényforrás

Elsődleges vagy valódi fényforrásnak tekintjük azokat a tárgyakat, amelyek fényt sugároznak, bocsátanak ki. Elsődleges fényforrások: a Nap, a csillagok, a gyertya lángja stb.

[szerkesztés] Másodlagos fényforrások

Minden test, ami csak a rá sugárzott fény miatt látható másodlagos fényforrás, mert ha nem verné vissza a fényt, azaz nem bocsátana ki fényt nem látnánk, tehát akkor látunk valamit, ha megáról a tárgyról jut a szemünkbe a fény.

[szerkesztés] Fényjelenségek

A bal oldalon található az optikai korong, és látszik a fénysugár is
Nagyít
A bal oldalon található az optikai korong, és látszik a fénysugár is

A közegek és a határfelület tulajdonságaitól függ, hogy a fény csak visszaverődik, vagy egy része behatol az új közegbe, s ilyenkor a visszaverődés és a fénytörés közül melyik az erőteljesebb.

[szerkesztés] A Huygens-elv

Hullámtörés a Huygens-elv alapján
Nagyít
Hullámtörés a Huygens-elv alapján

Christian Huygens holland fizikus és csillagász (1629-1695) dolgozta ki az optikai rendszerek elemzésének hasznos módszerét.

A hullámfront minden pontja elemi gömbhullámok kiindulópontja. Az elemi hullámok a fény sebességével terjednek. Egy későbbi "t" időpontban a hullámfront új helyzetét az elemi hullámok burkolója adja meg.

(Megjegyzés: Ha a hullámfronton valamennyi pont valóban elemi hullámok kiindulópontjának lenne tekinthető, akkor az elemi hullámoknak nem csak a hullámfront haladásának irányába, hanem hátrafelé is kellene terjedniük. Ez utóbbit Huygens figyelmen kívül hagyta. Később, egy bonyolultabb leírásból, amelyet Kirchhoff adott meg, kiderült, hogy a hátrafelé irányuló hullámok az interferencia jelensége miatt kioltódnak.)

[szerkesztés] Fényvisszaverődés

Hogyha a közegek és a határfelület tulajdonságai úgy hozzák, hogy a visszaverődés erőteljesebb, bármily furcsa a jelenséget visszaverődésnek nevezzük.

[szerkesztés] Teljes visszaverődés

Ha egy fénysugár az optikailag sűrűbb közeg felől a ritkább közeg felé halad, akkor a határfelületen nem törik meg, hanem azon - mint tökéletes tükrön - visszaverődik. Ilyenkor teljes visszaverődésről vagy másnéven totálreflexióról beszélünk, mivel a határfelület a ráeső fény 100%-át visszaveri. A határszöget a törési törvényből könnyedén meghatározhatjuk:

\frac{{\sin \alpha }}{{\sin 90^\circ }} = \frac{1}{n}

ebből:

\sin \alpha _h  = \frac{1}{n}

[szerkesztés] Brewster törvénye

A visszavert sugár teljesen poláros lesz, ha a visszavert, valamint a közegbe behatoló megtört sugár egymásra merőleges. A teljes polarizációhoz tartozó αb beesési szög és a törésmutató kapcsolata:

n = \frac{{\sin \alpha _b }}{{\sin \beta }} = \frac{{\sin \alpha _b }}{{\sin (90^\circ  - \alpha _b )}} = \frac{{\sin \alpha _b }}{{\cos \alpha _b }} = tg\alpha _b

[szerkesztés] Kísérlet

Hogy a törvényt ki tudjuk mondani egy kísérletet kell elvégeznünk, amihez optikai korongot használunk. Az optikai vagy Hartl-korong három részből áll:

      • Egy beosztásos korongból
      • egy szűrőből, ami kiszűri a nem megfelelő irányba haladó fénysugarakat
      • és egy "tartó bigyóból", amire tükröket, illetve lencséket rakhatunk
Elvileg ezt látjuk
Nagyít
Elvileg ezt látjuk

Jelen esetben a "tartó bigyóra" egy síktükröt raktunk. A képen látszik, hogy merre halad a fénysugár, és elvileg azt látjuk, ami a mellékelt képen látható.

[szerkesztés] Törvény

A törvény meghatározásához értelmeznünk kell a képet. Az alábbi elnevezéseket használjuk:

  • beeső fénysugár (s): a felülethez tartó fénysugár
  • visszavert fénysugár (s’): a felülettől távolodó fénysugár
  • beesési pont (O): ahol a beeső fénysugár a felületet éri
  • beesési merőleges (n): a beesési pontban a felületre állított merőleges
  • beesési szög (α): a beeső fénysugárnak a beesési merőlegessel bezárt szöge
  • visszaverődési szög (β=α’): a visszavert fénysugárnak a beesési merőlegessel bezárt szöge

A kísérletből megállapíthatjuk a törvényt:

  1. A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van.
  2. A visszaverődési szög egyenlő a beesési szöggel.

Ezt Euklidesz Kr. e. 300 körül már bebizonyította.

[szerkesztés] Fénytörés

Prizma fénytörése

[szerkesztés] A fény fázissebességének nagysága

Vákuumban:

c_0  = \frac{1}{{\sqrt {\varepsilon _0 \mu _0 } }} = 299792458\frac{m}{s}

Szigetelőben:

c = \frac{1}{{\sqrt {\varepsilon _0 \mu _0 \varepsilon _r } \mu _r }} = \frac{1}{{\sqrt {\varepsilon \mu } }} \approx \frac{1}{{\sqrt {\varepsilon _0 \mu _0 \varepsilon _r } }} = \frac{{c_0 }}{{\sqrt {\varepsilon _r } }} < c_0

(ugyanis \mu _r  \approx 1)

[szerkesztés] A közeg abszolút törésmutatója

n = \frac{{c_0 }}{c} = \sqrt {\varepsilon _r \mu _r }  \approx \sqrt {\varepsilon _r }

[szerkesztés] Relatív törésmutató

A második közeg első közegre viszonyított relatív törésmutatója:

n_{21}  = \frac{{c_1 }}{{c_2 }} = \frac{{n_2 }}{{n_1 }}

Az első közeg optikailag akkor sűrűbb a második közegnél, ha n_{21}  \succ 1, ellenkező esetben a közeg optikailag ritkább. (Az optikai sűrűség nem esik egybe a mechanikai sűrűséggel)

[szerkesztés] Diszperzió (színszórás)

\varepsilon _r frekvenciafüggése miatt különböző hullámhosszú fénysugarak ugyanabban a közegben különböző sebességgel terjednek. Az új közegben a fényhullámok különböző frekvenciájú komponensei különböző mértékben térnek el a becslési irányhoz képest, azaz szóródnak.

[szerkesztés] Snellius-Descartes fénytörési törvénye

Ugyanazon közegben a beesési és törési szög szinuszának aránya állandó és egyenlő az első-, ill. második közegben mért terjedési sebességek hányadosával.

\frac{{\sin \alpha }}{{\sin \beta }} = \frac{{c_1 }}{{c_2 }} = n_{21}  = \frac{{n_2 }}{{n_1 }}

Az α beesési szög növelésével a fény energiájának egyre kisebb hányada jut be az új közegbe.

[szerkesztés] Optikai eszközök

  • a szem
  • szemüveg és kontaktlencse
  • az optikai távcsövek
    • Galilei - távcső
    • Kepler - távcső
    • Newton - távcső
    • Cassegrain - távcső
    • Ritchey - Chrétien - távcső
  • a mikroszkóp
  • a fényképezőgép és őse, a camera obscura
  • a kamera