5. Optika - 5.1. Svetlo ako vlnenie

Vlastnosti svetla

Svetlo má vlastnosti elektromagnetického vlnenia aj častice.

Rýchlosť šírenia svetla vo vákuu je c = 3.108 m/s = 300 000 km/s. Vo vzduchu je rýchlosť svetla skoro rovnaká v = c. V opticky hustejších prostrediach je rýchlosť menšia, napríklad voda, sklo, olej.

Vlnová dĺžka λ svetla je vzdialenosť, ktorú prejde svetlo v prostredí počas jednej periódy. Viditeľné svetlo odbsahuje vlnenia s dĺžkami vo vzduchu od 400 nm - 800 nm.

Frekvencia elektromagnetického vlnenia: f = c / λ .

Príklad 1: Akú je frekvencia svetla s vlnovou dĺžkou 700 nm (zelené svetlo)?

λ = 700 nm = 7.10-7 m
f = c / λ = 3.108 m/s : 7.10-7 m = 0,429.1015 Hz = 429 THz

Spektrum

Spektrum je obsah vlnových dĺžok žiarenia. Podľa vlnových dĺžok rozdeľujeme spektrum:

Infračervené žiarenie = tepelné žiarenie, je EM vlnenie s λ > 800 nm. Zdrojom tepelného žiarenia sú všetky objekty na zemi. Vlnová dĺžka závisí od teploty telesa. Pomocou infračervených kamier možno vidieť objekty v noci.

Ultrafialové žiarenie (UV) je EM vlnenie s λ < 400 nm. UVA je vlnenie s väčšími vlnovými dĺžkami. Spôsobuje opálenie kože. UVB má kratšie vlnové dĺžky a vytvára v koži alebo v hubách vitamín D. Zdrojom UV je slnko, alebo UV žiarivky. UV žiarenie rozkladá uhlíkaté zlúčeniny a poškodzuje kožu. Ochrana je hnedé farbivo v opálenej koži, oblečenie, UV krémy.

Rontgenove žiarenie - je EM vlnenie s dĺžkami 0,01 nm - 4 nm. Vyrába sa umelo pomocou rongenových trubíc. Frekvenciu vyžarovaného Rongenoveho žiarenia možno meniť zmenou napätia na trubici.

  • tvrdé Rongenové žiarenie má kratšie vlnové dĺžky, energia 100-ky keV. Je veľmi prenikavé, málo sa pohlcuje v materiáloch. Preniká aj kovmi, preto sa používa v defektoskopii (kontrola súčiastok, zvarov) a pri lekárskom snímkovaní.
  • mäkké Rontgenove žiarenie má dlhšie vlnové dĺžky. Pohlcuje sa v materiáloch a preto sa používa v lekárstve pri ničení nádorov (ožarovanie), alebo na snímkovanie tenších objektov.

Veľká dávka rongenového žiarenia poškodzuje bunky, môže spôsobiť chorobu z ožiarenia, a až smrť. Pri práci s Rontgenovými prístrojmi sa treba chrániť, napríklad odstúpiť ďalej alebo sa skryť za betónovú stenu.

Gama žiarenie je EM žiarenie s veľmi krátkymi vlnovými dĺžkami, energie sú nad 500 MeV. Je súčasťou kozmického žiarenia a vzniká pri jadrových reakciách (jadrové elektrárne, jadrové výbuchy). Gama žiarenie je veľmi prenikavé a veľmi škodlivé. Dá sa pohltiť niekoľkometrovou vrstvou hliny alebo betónu. Atmosféra pohlcuje vesmírne gama žiarenie.

Šírenie svetla

Svetlo sa šíri priamočiaro. Lúč svetla je úzky zväzok vychádzajúci zo zdroja svetla. Optické prostredie je materiál, v ktorom sa môže šíriť svetlo. Napríklad vzduch, sklo, voda, vákuum. Svetlo sa šíri v rôznych prostrediach rôznou rýchlosťou. Absolútny index lomu n0 je pomer rýchlosti šírenia svetla vo vákuu a v danom prostredí: n0 = c / v

Keďže v < c, tak je vždy n0 > 1. Napríklad: voda 1,33, oleje 1,47 - 1,50, sklá 1,51 - 1,76, diamant 2,42.

Prostredia s mešou rýchlosťou svetla sa označujú ako opticky hustejšie, majú väčší index lomu.

Príklad: Aká je rýchlosť šírenia svetla vo vode a v skle?
a) voda . n0 = 1,33 . n0 = c / v . v = c / n0 = 300 000 km/s / 1,33 = 226 000 km/s
b) sklo . n0 = 1,6 . n0 = c / v . v = c / n0 = 300 000 km/s / 1,6 = 188 000 km/s

Odraz svetla

Kolmica dopadu je priamka kolmá na plochu prechodu dvoch prostredí a prechádza miestom dopadu svetelného lúča. Uhol dopadu a uhol odrazu je rovnaký.

Príklad: Na spätné zdrkadlo v automobile hľadíme pod uhlom 30°. Pod akým uhlom voči bočnej časti auta musí byť nastavené spätné zrkadlo, aby sme videli priamo za seba ?

Lom svetla

Snelow zákon: pomer sínusu uhla dopadu a sínusu uhla lomu sa rovná pomeru rýchlosti šírenia svetla v oboch prostrediach. Tento pomer sa nazýva relatívny index lomu n dvoch prostredí.
n = sin φ1 / sin φ2 = v1 / v2 = n2 / n1 .

Pri prechode svetla z opticky hustejšieho do opticky redšieho nastáva lom ku kolmici a > b. Pri prechode svetla z opticky redšieho do opticky hustejšieho nastáva lom od kolmice a < b.

Medzný uhol je taký, pri ktorom uhol lome je 90°. Závisí od indexu lomu n.
n = sin φ / sin 90° = sin φm
sin φm = n02 / n01 . pre vzduch n02 = 1 a určitý materiál je sin φm = 1 / n0

Príklad: Pod akým uhlom by sa leskli dopravné značky, keby mali sklenený povrch s n0 = 1,6?
sin φ = 1 / n0
sin φ = 1 / 1,6
φ = arcsin 0,625
φ = 39° od kolmice

Rozklad svetla hranolom, spektrum

Index lomu závisí od frekvencie svetla. To sa prejavuje ako rozklad svetla na hranole:

Spektrum bieleho svetla:

Farby hranolového svetla majú vždy rovnaké poradie: červená, oranžová, žltá, zelená, modrá, indigová, fialová. Biele svetlo je zložené zo svetiel jednoduchých farieb. Zdrojom bieleho svetla je napr. Slnko, alebo žiarovka. Monochromatické svetlo obsahuje jednu farbu svetla. Jej zdrojom je napr. sodíková výbojka so žltým svetlom. Číry (bezfarebný) predmet prepúšťa všetky farby. Farebný priehľadný predmet má farbu svetla, ktoré prepúšťa. Farebný nepriehľadný predmet má farbu svetla, ktoré odráža. V odrazenom svetle sa predmet javí ako biely ak odráža všetky farby, ako čierny ak neodráža žiadne farby. Červený sa javí ak odráža červené svetlo, modrý ak odráža modré svetlo, atď.

Interferencia a ohyb svetla.

Pri dopade svetla na rozhranie prostredí sa svetlo čiastočne odrazí a čiastočne prenikne do prostredia. Pri dopade na tenkú vrstvu porovnateľnú s vlnovou dĺžkou svetla (100-ky nm) sa odrazená vlna skladá s pôvodonou. Takto môže dôjsť k zosilneniu určitej farby. Takáto tenká vrstva sa javí ako farebná pod učitým uhlom. V praxi sa tenké vrstvy používajú ako ochranný prvok na doklady alebo bankovky.
PrílohaVeľkosť
em_vlnenie.gif2.97 KB
lom.gif476 bajtov
odraz.gif450 bajtov
rozklad_svetla_hranolom.gif929 bajtov
spektrum.gif1.75 KB
spektrum_bieleho_svetla.gif2.99 KB