Optyka

Optyka to dział fizyki zajmujący się badaniem natury światła i jego oddziaływaniem z materią.

Najstarszym działem optyki jest optyka geometryczna. Nie uwzględnia ona dyfrakcji ani interferencji światła. Zajmuje się układami, w których światło przechodzi przez duże otwory, napotyka na swej drodze duże przeszkody (o rozmiarach dużo większych niż długość fali).

pryzmat

Światło rozchodzi się prostoliniowo w ośrodku jednorodnym, tzn. w ośrodku, który w całej swej objętości ma stałe właściwości fizykochemiczne. W fizyce geometrycznej zachodzi odwracalność biegu promieni świetlnych: promień świetlny po przebyciu pewnej drogi przez ośrodki optyczne skierowany przeciwnie wróci tą samą drogą aż do punktu wyjścia.

Podstawowym prawem optyki geometrycznej jest prawo odbicia i załamania światła.

Gdy na płaską granicę dwóch ośrodków (np. powietrze – szkło) pada promień świetlny, ulega on odbiciu, przy czym kąt pomiędzy promieniem padającym i normalną do granicy ośrodków nazywamy kątem padania, a kąt pomiędzy promieniem odbitym i normalnym kątem odbicia.

Kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

Jeżeli granice ośrodków nie są gładkie, światło ulega rozproszeniu – odbija się w różnych kierunkach, np. gdy pada na kartkę papieru.

Załamanie światła polega na zmianie kierunku rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego. Kierunek załamania określamy przez podanie kąta załamania, czyli kąta pomiędzy promieniem załamanym i normalną. Kierunek załamania zależy od tego, czy promienie świetlne dochodzą do gęstszego czy rzadszego ośrodka i czy w rezultacie zwalniają czy przyspieszają.

Promień padający na granicę dwóch ośrodków, prosta prostopadła do tej granicy w miejscu padania oraz promień załamany leżą w jednej płaszczyźnie. Zależność kąta załamania od kąta padania jest związana z wartościami prędkości rozchodzenia się światła w obu ośrodkach.

Prędkość rozchodzenia się światła w próżni wynosi c=299792,45 km/s.
W zjawisku załamania światła określa się współczynnik załamania ośrodka drugiego względem pierwszego,
Współczynnik n załamania światła na granicy dowolnego ośrodka i próżni.
Współczynnik załamania próżni jest równy 1.
Ośrodki, w których światło rozchodzi się z prędkością znacznie mniejszą niż prędkość światła c, mają duży współczynnik załamania.

Gdy światło białe pada na pryzmat, w wyniku podwójnego załamania następuje jego rozszczepienie na pojedyncze barwy monochromatyczne. Oznacza to, że światło białe jest mieszaniną światła o różnych długościach (częstotliwościach). Każdej barwie odpowiada inny współczynnik załamania. Światło fioletowe załamuje się najbardziej, najsłabiej światło czerwone.

W optyce falowej przyjęto, że światło rozchodzi się w postaci fal elektromagnetycznych, a więc ulega dyfrakcji i interferencji.

Zjawisko dyfrakcji (ugięcia) polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fali świetlnej gdy napotyka ona przeszkody lub przechodzi przez szczeliny o bardzo małych rozmiarach – porównywalnych z długością fali.

Wiązka światła rozszerza się, przechodząc obok krawędzi, dzieli się na szereg wąskich wiązek.

Interferencją nazywamy nakładanie się fal. Interferencji ulegają tylko fale spójne: o stałej długości, częstotliwości i stałej różnicy faz. Tam, gdzie spotykają się fale o zgodnych fazach następuje wzmocnienie – jasny obszar interferencyjny, tam, gdzie spotykają się fale w przeciwnych fazach następuje wygaszanie – ciemny obszar interferencyjny.

Optyka kwantowa opisuje światło jako wiązkę fotonów (kwantów) – cząstek o masie równej zeru, określonej energii i pędzie, poruszających się z szybkością światła.

Przykładem zjawiska opisywanego przy pomocy fizyki kwantowej jest zjawisko fotoelektryczne. Polega ono na emisji elektronów z powierzchni metalu pod wpływem padającego na metal promieniowania elektromagnetycznego o odpowiedniej częstotliwości.

W przypadku zjawiska fotoelektrycznego czy fotochemicznego ujawnia się korpuskularna natura światła, natomiast interferencja czy dyfrakcja ujawnia jego naturę falową (dualna natura światła).

Dzisiaj wiadomo, że światło może być opisane w każdym zjawisku jako wiązka fotonów.