Optika
Ez a szócikk vagy szakasz lektorálásra, tartalmi javításokra szorul. |
Az optika vagy fénytan a fizikának a fény és általában az elektromágneses sugárzás terjedésével foglalkozó tudományága. A fény tulajdonságait, a fényjelenségeket – fénytörés, fényvisszaverődés, visszatükrözés – vizsgálja.
Az optika szó a görög optikosz (ὀπτικός = látás) szóból származik.[1]
Részterületei szerkesztés
- A geometriai optika a fényt mint egy sugarat tekinti, mely egyenes vonalban halad az egyes közegekben, a közeghatárokon pedig visszaverődik vagy megtörik.
- A hullámoptika a fényt hullámként modellezi, és a fény terjedésével kapcsolatos jelenségekkel foglalkozik. Így magyarázható a diffrakció, az interferencia és a polarizáció jelensége.
- A kvantumoptika a fény anyaggal való kölcsönhatását írja le, amely során fény keletkezik vagy megsemmisül, ezért vékony rétegek és határjelenségek magyarázatául szolgál.
Színkép vagy spektrum szerkesztés
A színeket a fény frekvenciája határozza meg. A különböző színeknek megfelelő hullámhosszak a fázissebesség és a frekvencia értékének a hányadosa.
Színkép vagy spektrum valamely fényforrástól kibocsátott fény hullámhossz szerinti felbontásánál a színekhez tartozó intenzitás frekvenciára való eloszlását leíró függvény által adható meg, illetve a fényspektrográfok által a hullámhossz szerint felbontással a térben.
Emissziós színkép szerkesztés
A gerjesztett atomi vagy molekuláris rendszer által kibocsátott elektromágneses hullámok hullámhossz szerinti rendszere.
Folytonos színkép szerkesztés
Olyan emissziós színkép, amelynek az intenzitása a frekvencia folytonos függvénye, és széles tartományban különbözik nullától.
Fényforrások szerkesztés
Meg kell említenünk a fényforrásokat is, mert fényforrás nélkül nincs fény. Két fajta fényforrást különböztetünk meg:
- az elsődleges
- a másodlagos fényforrásokat.
Elsődleges fényforrás szerkesztés
Elsődleges (valódi) fényforrásnak tekintjük azokat a tárgyakat, amelyek fényt bocsátanak ki. Elsődleges fényforrások: a Nap, a csillagok, a gyertya lángja, a lámpa stb.
Másodlagos fényforrások szerkesztés
Minden test, ami csak a rá sugárzott és róla visszaverődő fény miatt látható azt másodlagos fényforrásnak nevezzük.
Ez alapján vehetjük úgy is, hogy minden test másodlagos fényforrás, mint például az asztal, tábla, ember stb.
Fényjelenségek szerkesztés
Ha a fény két eltérő optikai sűrűségű közeg határára érkezik, akkor egy része visszaverődik, másik része pedig belép az új közegbe. Az új közegben haladó fénysugár általában megtörik. A közegek és a határfelület tulajdonságaitól, valamint a beesés szögétől függ, hogy a fényvisszaverődés vagy a fénytörés az erőteljesebb.
A Huygens–Fresnel-elv szerkesztés
Christiaan 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 interferenciájának burkolója adja meg.
(Megjegyzés: A hátrafele terjedő elemi hullámok az interferencia miatt kioltódnak.)
Fényvisszaverődés szerkesztés
Hogyha a közegek és a határfelület tulajdonságai úgy hozzák, hogy a visszaverődés erőteljesebb, a jelenséget fényvisszaverődésnek nevezzük.
Teljes visszaverődés (totálreflexió) szerkesztés
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 fényvisszaverődésről vagy más néven totális reflexióról beszélünk, mivel a határfelület a ráeső fény 100%-át visszaveri. A határszöget a törési törvényből könnyedén meghatározhatjuk:
ebből:
Brewster törvénye szerkesztés
A visszavert sugár teljesen poláros lesz, ha a visszavert, valamint a közegbe behatoló megtört sugár egymásra merőleges. A teljes polarizációhoz tartozó beesési szög és a törésmutató kapcsolata:
Kísérlet szerkesztés
Hogy a törvényt ki tudjuk mondani, egy kísérletet kell elvégeznünk, amihez optikai korongot használunk. Az optikai vagy Hartl-korong három részből áll:
- beosztásos korong
- szűrő, ami kiszűri a nem megfelelő irányba haladó fénysugarakat
- tartószerkezet, amire tükröket, illetve lencséket rakhatunk
Jelen esetben a tartószerkezetre egy síktükröt raktunk. A képen látszik, hogy merre halad a fénysugár, és elvileg azt látjuk, ami a mellékelt képen látható.
Törvény szerkesztés
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:
- A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van.
- A visszaverődési szög egyenlő a beesési szöggel.
Ezt Eukleidész Kr. e. 300 körül már bebizonyította.
Fénytörés szerkesztés
Ha egy üvegpohárba vizet öntünk, s rajta átnézve vizsgáljuk a hozzá közel lévő tárgyakat, eltorzult képet látunk. A vízbe helyezett szívószál például megtörtnek látszik, pedig ha kivesszük a vízből, látható, hogy változatlan az alakja. Nem a szívószál törik meg, hanem a fény, amely a vízből érkezik a szemünkbe.
Ha a fénysugár eltérő fénytani sűrűségű anyagok határán átlép, iránya megváltozik. A víz és a levegő határán mindig megtörik a fény, kivéve, ha éppen merőlegesen esik a vízfelületre.
A fény fázissebességének nagysága szerkesztés
Vákuumban:
Szigetelőben:
(ugyanis )
A közeg abszolút törésmutatója szerkesztés
Diszperzió (színszórás) szerkesztés
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. Emiatt bontja színeire a különböző frekvenciájú (színű) fények keverékét a prizma.
Relatív törésmutató szerkesztés
A második közeg első közegre viszonyított relatív törésmutatója:
Az első közeg optikailag akkor sűrűbb a második közegnél, ha , ellenkező esetben a közeg optikailag ritkább. (Az optikai sűrűség nem azonos a mechanikai sűrűséggel.)
Snellius–Descartes fénytörési törvénye szerkesztés
Ugyanazon közegben a beesési és törési szög szinuszának aránya állandó, és egyenlő az első, illetve második közegben mért terjedési sebességek hányadosával.
Az beesési szög növelésével a fény energiájának egyre kisebb hányada jut be az új közegbe.
Optikai eszközök szerkesztés
- Optikai lencse (domború, homorú)
- Tükör (sík, homorú, domború)
- Prizma
- Szem
- Szemüveg és kontaktlencse
- Optikai távcsövek
- Galilei-távcső (hollandi távcső)
- Kepler-távcső (csillagászati távcső)
- Newton-távcső
- Cassegrain-távcső
- Ritchey–Chrétien-távcső
- Mikroszkóp
- Fényképezőgép és őse, a camera obscura
- Kamera
- Diavetítő
- Optikai szál
Jegyzetek szerkesztés
- ↑ Fülöp József: Rövid kémiai értelmező és etimológiai szótár. Celldömölk: Pauz–Westermann Könyvkiadó Kft. 1998. 107. o. ISBN 963 8334 96 7
Források szerkesztés
- Csákány Antal; Flórik György; Gnädig Péter; Holics László; Juhász András; Sükösd Csaba; Tasnádi Péter. Fizika. Akadémia Kiadó (2009). ISBN 978 963 05 8487 6
További információk szerkesztés
- Optika.lap.hu - linkgyűjtemény
- Fizkapu portál FizFotó rovatának optika tárgyú fotói
- Hétköznapi fénytani jelenségek