Розділ 5. ОПТИКА
Оптика (від грец. optos – видимий), це розділ фізики в якому вивчається все різноманіття тих явищ які пов’язані з випромінюванням, розповсюджуванням та різноманітними проявами світла. Іншими словами, оптика – це наука про світло.
Природа влаштована таким дивним чином, що її найпростіші об’єкти є найскладнішими. Найскладнішими в тому сенсі, що надзвичайно складно, а іноді й просто неможливо, наочно пояснити на що схожі ці об’єкти. Одним з таких елементарно простих і в той же час надскладних об’єктів є світло.
Вже факт того, що вивченню властивостей та проявів світла присвячено один з найбільших розділів сучасної фізики, безумовно вказує на важливість та складність цього об’єкту. На цю складність вказує і те, що в різних розділах оптики, на запитання “що таке світло?” відповідають по різному. Наприклад, в геометричній оптиці стверджується, що світло – це потік світлових променів. В фотометрії, говориться про те, що світло – це потік світлової енергії. В хвильовій оптиці доводиться, що світло – це потік світлових хвиль. А в квантовій оптиці, що світло – це потік світлових частинок.
Тема 5.1. Геометрична оптика.
Геометрична оптика – це розділ оптики, в якому світло представляють як потік світлових променів і в якому вивчають ті явища які пояснюються виходячи з того, що світло це потік променів. Світловий промінь (промінь) – це умовна лінія, яка вказує на напрям розповсюдження тієї світлової енергії що випромінюється певним джерелом світла.
Джерелом світла (в геометричній оптиці) називають будь який об’єкт що є джерелом генерованого або відбитого світла.
Оптично прозорим називають таке середовище, в якому процес розповсюдження світла не супроводжується значним перетворенням світлової енергії в енергію теплового руху частинок середовища.
Оптично не прозорим називають таке середовище, яке повністю поглинає ту світлову енергію що потрапляє в це середовище, або повністю відбиває цю енергію.
Оптично рівною називають таку поверхню, розміри мікронерівностей якої не перевищують довжини світлової хвилі. Зазвачай оптично рівні відбивні поверхні називають дзеркальними.
Оптично не рівною називають таку поверхню, розміри мікронерівностей якої суттєво більші за довжину світлової хвилі. Зазвичай, оптично не рівні відбивні поверхні називають дифузійними або розсіювальними.
Закон прямолінійності розповсюдження світла – це закон, в якому стверджується: в оптично однорідному середовищі, світлові промені розповсюджуються прямолінійно.
Оптично однорідним, називають таке оптично прозоре середовище, оптичні властивості якого в усіх точках одлнакові.
Закон відбивання світла – це закон, в якому стверджується: на межі двох оптично різних середовищ світлові промені відбиваються, при цьому: 1) проміннь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні в точці падіння променя, лежать в одній площині; 2) кут відбивання променя (β) дорівнює куту його подіння (α): ∠β = ∠α.
Закон заломлення світла – це закон, в якому стверджується: на межі двох оптично різних та оптично прозорих середовищ, світлові промені заломлюються, тобто проникаючи в нове середовище змінюють напрям свого розповсюдження. При цьому: 1) промінь падаючий, промінь заломлений та перпиндикуляр до поверхні в точці падіння променя, лежать в одній площині; 2) відношення синуса кута падіння променя (sinα) до синусу кута його заломлення (sinγ) для даної пари середовищ є постійною величиною: sinα/sinγ = n12, де n12 – показник заломлення світла першого середовища відносно другого.
Абсолютний показник заломлення світла, це фізична величина, яка характеризує оптичні властивості даного оптично прозорого середовища і яка з одного боку дорівнює відношенню синусу кута падіння променя до синусу кута його заломлення (sinα/sinγ), а з іншого – показує, у скільки разів швидкість світла в даному середовищі (v) менша за швидкість світла в вакуумі (с=3·108м/с).
Позначається: n
Визначальне рівняння: n =sinα/sinγ=c/v
Одиниця вимірювання: [n] = – , безрозмірна величина (рази).
Порівнюючи оптичні властивості двох прозорих середовищ говорять, що те з них яке має більше значення абсолютного показника заломлення є оптично більш густим, а те, яке має менше значення абсолютного показника заломлення – оптично менш густим. Наприклад скло (n=1,52) оптично густіше за воду (n=1,33), а алмаз (n=2,42) оптично густіший за скло.
Дзеркало – це оптичний прилад, який представляє собою оптично рівну, відбивну (дзеркальну) поверхню, що має певну, геометрично правильну форму. Цією геометрично правильною формою може бути фрагмент площини (плоске дззеркало), або частина сфери, циліндра, тора, еліпсоїда, параболоїда, тощо (криве дзеркало).
Уявним, називають таке зображення яке є результатом уявного перетинання відбитих або заломлених променів.
Дійсним, називають таке зображення яке є результатом дійсного перетинання відбитих або заломлених променів.
Фокусом дзеркала (головним фокусом дзеркала) називають ту точку в якій дійсно або уявно перетинаються ті відбиті промені, які до відбивання були паралельними головній оптичній осі дзеркала.
Повне відбивання світла, це явище, суть якого полягає в тому, що при певних кутах падіння (α ≥ αгр) те світло яке розповсюджується в оптично більш густому середовищі, повністю відбивається від межі з оптично менш густим середовищем. Той найменший кут падіння при якоку відбувається повне відбивання світла, називають граничним кутом повного відбивання (позначається αгр).
Оптичними волокнами називають тонкі оптично прозорі волокна, які дозволяють передавати світлові потоки та світлову інформацію криволінійними траєкторіями.
Оптична призма, це прилад, який представляє собою оптично прозоре тіло, робочі поверхні якого геометрично та оптично рівні.
Лінза (оптична лінза), це прилад, який представляє собою оптично прозоре тіло обмежене двома оптично рівними криволінійними або криволінійною та плоскою, поверхнями і який визначеним чином формує відповідне оптичне зображеня.
Збиральними (опуклими) називають такі лінзи, які будучи розташованими в оптично менш густому серидовищі, збирають початково паралельні промені в околицях певної точки, яку називають фокусом лінзи.
Розсіювальними (вгнутими) називають такі лінзи, які будучи розташованими в оптично менш густому середовищі, розсіюють початково паралельні промені, причому розсіюють таким чином, що їх уявні продовження перетинаються в околицях певної точки, яку називають фокусом розсіювальної лінзи.
Фокусом (головним фокусом) лінзи, називають ту точку, в якій дійсно або уявно перетинаються ті заломлені лінзою промені, які до проходження через лінзу були паралельними її головній оптичній осі. Відстань від фокусу лінзи до її оптичного центру називають фокусною відстанню лінзи (позн. ƒ).
Оптична сила лінзи, це фізична величина, яка характеризує заломлювальні властивості опричної лінзи і яка обернена до її фокусної відстані.
Позначається: D
Визначальне рівняння: D = 1/ƒ
Одиниця вимірювання: [D] = 1/м = дп , діоптрія.
Мікроскоп, це прилад, призначений для візуального спостереження за тими мікрооб’єктами, що є невидимими для “неозброєного” ока людини.
Телескоп, це прилад, призначений для візуального спостереження за далекими космічними об’єктами.
Бінокль, це прилад складений з двох паралельно з’єднаних зорових труб та призначений для візуального спостереження за віддаленими земними об’єктами.
Фотооб’єктив, це оптичний прилад, який є складовою частиною іншого, більш складного приладу і який призначений для того, щоб максимально чітко сфокусувати зображення об’єкту фотографування на світлочутливий елемент основного приладу.
Тема 5.2. Фотометрія.
Фотометрія, це розділ оптики, в якому світло представляють як потік світлової енергії і в якому вивчають енергетичні параметри світлових потоків та методи їх вимірювання.
Світловий потік – це фотометрична величина, яка характеризує світлову потужність джерела світла і яка показує скільки світлової енергії (Q) випромінює дане джерело за одиницю часу, за умови, що величина цієї енергії визначається за зоровими відчуттями людини.
Позначається: Ф
Визначальне рівняння: Ф = Q/t
Одиниця вимірювання: [Ф] = лм, (люмен).
Сила світла – це фізична величина, яка характеризує той світловий потік що розповсюджується в певному напрямку і яка дорівнює відношенню того світлового потоку ΔФ, що розповсюджується в межах певного об’ємного кута ΔΩ, до величини цього кута.
Позначається: J
Визначальне рівняння: J = ΔФ/ΔΩ,
Одиниця вимірювання: [J] = кд, (кандела).
Кандела, це одиниця вимірювання сили світла, яка дорівнює силі світла такого джерела, що випромінює монохроматичне світло з довжиною хвилі 555нм при силі випромінювання в даному напрямку (1/683)Вт/ср.
Об’ємний (тілесний) кут, це фізична величина, яка характеризує кутові параметри тієї частини простору що обмежена конічною поверхнею, вершина якої співпадає з вершиною відповідного об’ємного кута, і яка дорівнює відношенню площі (ΔS) тієї частини сфери що обмежена відповідним кутовим конусом, до квадрату радіусу цієї сфери (R2).
Позначається: Ω (омега)
Визначальне рівняння: Ω = ΔS/R2
Одиниця вимірювання: [Ω] = ср, (стерадіан).
Стерадіан (від грец. stereos – об’єм та лат. radius – промінь, радіус), це одиниця вимірювання об’ємних кутів, яка чисельно дорівнює такому центральному об’ємному куту, який будучи проведеним з центру сфери радіусом R обмежує на її поверхні площу величиною R2.
Освітленість – це фотометрична величина, яка характеризує ту кількість світлового потоку що потрапляє на одиницю площі поверхні і величина якої визначається за зоровими відчуттями людини.
Позначається: Е
Визначальне рівняння: Е = ΔФ/ΔS
Одиниця вимірювання: [Е] = лм/м2 =лк, (люкс).
Узагальнений закон освітленості – це закон, в якому стверджується: та освітленість яку створює точкове джерело світла на будь якому малому фрагменті поверхні, визначається за формулою E = Jcosα/l2,
де J – сила світла даного точкового джерела світла;
l – відстань від джерела світла до даного фрагменту поверхні;
α – кут падіння променів на відповідний фрагмент поверхні.
Тема 5.3. Хвильова оптика.
Хвильова оптика, це розділ оптики, в якому світло представляють як потік світлових (електромагнітних) хвиль і в якому вивчають та пояснюють ті явища, що підтверджують цей факт.
Видиме світло – це потік електромагнітних хвиль, які викликають у людини зорові відчуття і довжини яких знаходяться в межах від 380нм до 760нм. При цьому кожній довжині хвилі видимого світла відповідає певний колір зорових відчуттів людини. Спектр цих кольорів умовно розділяють на сім основних кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, голубий, синій, фіолетовий. Зазвичай, видиме світло є результатом інтенсивного теплового руху заряджених частинок, або тих процесів які відбуваються в енергетично збуджених атомах та молекулах.
Принцип суперпозиції хвиль, це закон в якому стверджується: хвилі розповсюджуються незалежно одна від одної, тобто таким чином що при їх взаємодії, індивідуальні властивості та параметри кожної хвилі зберігаються. При цьому, результуюча дія системи багатьох хвиль, визначається як сума відповідних дій кожної окремої хвилі.
Інтерференція хвиль – це явище, суть якого полягає в тому, що при накладанні когерентних хвиль, спостерігається стійка хвильова картинка в якій підсилення хвиль в одних місцях, певним чином чергується з їх послабленням в інших місцях.
Когерентними (узгодженими) називають такі хвилі, які мають однакові параметри періодичності (Т, ν, λ), однакову площину коливань та незмінну різницю фаз.
Монохроматичним (від грец. monos – один та chroma – колір) називають таке світло, яке складається з електромагнітних хвиль певної, строго визначеної довжини хвилі (певного кольору).
Інтерферометр це прилад, який з надзвичайно високою точністю вимірює довжину і принцип дії якого базується на кількісному аналізі тієї інтерференційної картинки яка певним чином пов’язана з предметом вимірювань.
Дифракція хвиль, це явище, суть якого полягає в тому, що в процесі свого розповсюдження хвилі заходять в область геометричної тіні тієї перешкоди що зустрічається на їх шляху (огинають перешкоди).
Дифракційна решітка, це прилад, який дозволяє отримувати потоки когерентних світлових хвиль і який представляє собою систему періодично розташованих паралельних, надзвичайно вузьких прозорих та непрозорих, або дзеркальних та дифузійних смужок. В світловому потоці, дифракційна решітка стає джерелом великої кількості когерентних світлових хвиль, які в процесі інтерференції створюють відповідну інтерференційну картинку. Аналіз цієї картинки дозволяє вирішувати багато практично важливих задач, зокрема визначати довжину світлової хвилі.
Явища інтерференції та дифракції доводять, що світло це потік хвиль. Однак ці явища жодним чином не вказують на те, які це хвилі – поздовжні чи поперечні. Одним з тих явищ, яке безумовно вказує на поперечність світлових хвиль є так звана поляризація світла.
Поляризація світла – це явище, суть якого полягає в тому, що при проходженні неполяризованого світла через деякі оптично прозорі кристали, зокрема кристали турмаліну, це світло стає поляризованим, тобто таким в якому коливання векторів Е і В відбуваються в строго визначених площинах.
Неполяризованим (природнім) світлом називають таке світло, в якому коливання векторів Е і В відбуваються у всіх можливих площинах.
Поляризованим світлом називають таке світло, в якому коливання векторів Е і В відбуваються в певній, строго визначеній площині.
Площиною поляризації кристалу називають ту умовну площину, яка співпадає з площиною коливань вектора Е того поляризованого світла, яке створює цей кристал. Поляризаторами називають ті прилади, які неполяризоване світло перетворюють на світло поляризоване.
Дослідження показують, що на межі двох оптично різних та оптично прозорих середовищ, світлові хвилі різних довжин (різних кольорів) заломлюються суттєво по різному. Це означає, що показник заломлення світла залежить не лише від оптичних властивостей відповідного середовища, а й від довжини хвилі того світла, що заломлюється. Цю залежність та пов’язану з нею сукупність оптичних явищ називають дисперсією світла.
Дисперсією світла називають сукупність тих оптичних явищ, які обумовлені залежністю абсолютного показника заломлення світла від довжини хвилі цього світла. Результатом дисперсії є факт того, що в процесі заломлення біле світло розкладається на його складові кольори. Ту картинку, яку отримують в результаті прогнозованого розкладання світла на його складові кольори називають спектром світла. Прилад, який дозволяє отримувати якісні спектри називають спектроскопом.
За способом отримання спектральної картинки, спектри поділяються на дисперсійні та дифракційні. Дисперсійний спектр – це такий спектр, який отримують за допомого дисперсійного (призматичного) спектроскопу. Дифракційний спектр – це такий спектр який отримують за допомого дифракційного спектроскопу.
За енергетичними параметрами того світла, яке дає відповідний спектр, спектри поділяються на спектри випромінювання та спектри поглинання. Спектром випромінювання називають такий спектр, який характеризує параметри того світла, що випромінюється відповідним об’єктом. Спектром поглинання називають такий спектр, який характеризує параметри того світла, що поглинається відповідним об’єктом.
За загальним виглядом спектральної картинки, а отже і за частотним складом тих електромагнітних хвиль, які утворюють цю картинку, спектри поділяються на суцільні, лінійчаті та смугасті (складні лінійчаті).
Суцільним спектром випромінювання називають такий спектр, який представляє собою суцільну спектральну картинку яка складається з усіх спектральних кольорів видимого світла і якій відповідає повний набір електормагнітних хвиль з діапазону від 380нм до 760нм. Суцільний спектр є результатом інтенсивного теплового (хаотичного) руху частинок речовини.
Лінійчатим спектром випромінювання називають такий спектр, який представляє собою певний набір тонких спектральних ліній. Лінійчаті спектри дають системи обособлених енергетично збуджених атомів, зокрема розріджені пари та гази атомарного складу. При цьому, кожна різновидність атомів, дає свій неповторний лінійчатий спектр. Даний факт пояснюється тим, що лінійчатий спектр є відображенням тих процесів які відбуваються в енергетично збудженому атомі.
Смугастим спектром випромінювання називають такий спектр, який представляє собою певний набір відносно широких спектральних смужок, кожна з яких в свою чегу, складається з великої кількості тонких, близько розташованих спектральних ліній. Іншими словами, смугастий спектр – це складна різновидність лінійчатого спектру. Смугасті спектри дають системи обособлених, енергетично збуджених молекул, зокрема розріджені газа молекулярного складу. При цьому, кожна різновидність молекул дає свій неповторний смугастий (складний лінійчатий) спектр.
Дослідження показують, що спектри випромінювання та спектри поглинання однієї і тієї ж речовини є абсолютно симетричними. Це означає, що коли, будучи нагрітою, речовина випромінює певний набір електромагнітних хвиль, то в холодному стані ця речовина поглинає точно такий же набір хвиль.
Факт того, що речовина має свій неповторний спектральний відбиток, лежить в основі так званого спектрального аналізу. Спектральний аналіз – це метод визначення хімічного складу речовини на основі аналізу її лінійчатих та смугастих спектрів випромінювання або поглинання.
Веселка (райдуга) – це атмосферне оптичне явище, суть якого полягає в тому, що сонячне світло заломлюючись та відбиваючись в краплинках неперервного потоку дощу, дисперсійно розкладається на його складові кольори і утворює відповідну кольорову дугу.
Тема 5.4 Квантова оптика.
Квантова оптика, це розділ оптики, в якому світло представляють як потік світлових частинок (фотонів), та вивчають ті явища які підтверджують цей факт.
Абсолютно чорне тіло – це таке умовне, ідеалізоване тіло, яке в залежності від ситуації, можна вважати як таким, що поглинає увесь спектр електромагнітних хвиль, так і таким, що випромінює аналогічний спектр.
Закон Стефана-Больцмана – це закон, в якому стверджується: інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла (R), пропорційна четвертій степені його абсолютної температури (T), тобто R = σT4, де σ = 5,67·10-7(Вт/м2К4) – постійна величина, яка називається сталою Стефана-Больцмана.
Закон Віна – це закон, в якому стверджується: максимальне значення спектральної інтенсивності випромінювання (rм) абсолютно чорного тіла, припадає на ті хвилі, довжина яких (λм) визначається за формулою λм = b/T, де Т – абсолютна температура тіла; b=2,90·10-3м·К – постійна величина яка називається сталою Віна.
Інтенсивність випромінювання – це фізична величина, яка характеризує питому потужність джерела електромагнітного випромінювання і яка показує скільки електромагнітної енергії випромінюється одиницею площі поверхні даного джерела за одиницю часу.
Позначається: R
Визначальне рівняння: R = ΔE/SΔt
Одиниця вимірювання: [R] = Вт/м2 .
Спектральна інтенсивність випромінювання – це фізична величина, яка характеризує величину тієї інтенсивності випромінювання, що припадає на певний інтервал довжин хвиль (Δλ)
Позначається: r
Визначальне рівняння: r = ΔR/Δλ
Одиниця вимірювання: [r] = Вт/м3.
Стала Планка – це фундаментальна фізична стала, що є визначальною для широкого кола тих явищ в яких проявляються квантові властивості матерії. За сучасними даними h=6,626176·10-34Дж·с.
Фотон, це елементарна частинка, яка представляє собою неподільний квант електромагнітного випромінювання, з наступним набором властивостей
1.Фотон – частинка не заряджена (q=0) з нулевою масою спокою (m0=0).
2. За будь яких обставин і в будь якому середовищі, фотони рухаються з швидкістю с=3,0·108м/с=const.
3. Фотон має енергію, величина якої визначається за формулою Е = hc/λ,
де h=6,63·10-34Дж·с – стала Планка; с=3·108м/с – швидкість фотона; λ – довжина хвилі фотона.
4. Фотон має масу, величина якої визначається за формулою m=E/c2=h/cλ.
5. Фотон має імпульс, величина якого визначається за формулою р=mc=h/λ.
Зовнішній фотоефект (фотоефект) – це явище, суть якого полягає в тому, що при взаємодії світла з речовиною (зазвичай з металами), енергія фотонів дискретним чином передається електронам речовини. При цьому відповідні електрони вилітають за межі речовини.
Рівнянням Ейнштейна для фотоефекту, це закон в якому стверджується: при зовнішньому фотоефекті, енергія фотона частково йде на виконання роботи виходу електрона, а частково – на надання цьому електрону певної кінетичної енергії, при цьому виконується співвідношення
hc/λ = Aв + mevм2/2.
Червоною межею фотоефекту (позн λгр) називають ту гранично велику довжину хвилі, при якій ще відбувається зовнішній фотоефект і при якій виконується співвідношення hc/λгр=Ав.
Внутрішній фотоефект, це явище, суть якого полягає в тому що при взаємодії світла з речовиною (зазвичай з напівпровідниками), енергія фотонів дискретним чином передається електронам речовини. При цьому відповідні електрони відриваються від своїх атомів, але не вилітають за межі речовини.
Фотоіонізація газу, це явище, суть якого полягає в тому, що при взаємодії світла з обособленими молекулами (атомами) газу, енергія фотонів дискретним чином передається електронам цих молекул. При цьому молекули газу іонізуються.
Фотохімічними реакціями називають такі хімічні реакції, які відбуваються за активної участі видимого або ультрафіолетового світла.
Закон фотохімічної еквівалентності, це закон, в якому стверджується: поглинання одного світлового фотона спричиняє один акт первинної фотохімічної реакції.
Фотосинтез, це сукупність складних фотохімічних процесів які відбуваються в клітинах рослин та фотосинтезуючих бактерій. Узагальнюючий результат цих процесів, можна представити у вигляді наступної формули: 6Н2О + 6СО2 + n(hc/λ) → C6H12O6 + 6O2.
Люмінесценція, це таке випромінювання, яке відбувається за рахунок будь якого виду енергії окрім теплової і яке не є результатом відбивання, заломлення чи розсіювання іншого світла. Люмінесцентне випромінювання характеризується трьома визначальними ознаками: 1)це випромінювання не є тепловим; 2) це випромінювання має певне післясвітіння; 3) це випромінювання має лінійчатий спектр. В залежності від виду тієї енергії, яка перетворюється в енергію люмінесцентного випромінювання (Елюм) виділяють наступні різновидності люмінесценції :
– фотолюмінесценція ( Есв → Елюм)
– радіолюмінесценція ( Ерад → Елюм)
– електролюмінісценція ( Еел → Елюм)
– хемілюмінесценція (Ехім → Елюм)
– біолюмінесценція (Ебіо → Елюм)
– триболюмінесценція (Е мех → Елюм)
Оптичний квантовий генератор (лазер), це прилад, який представляє собою джерело монохроматичного, когерентного, поляризованого, вузько направленого електромагнітного випромінювання (світла) з високою концентрацією енергії в ньому.
Ефект Компотна – це явище суть якого полягає в тому, що при взаємодії з вільними або слабко зв’язаними електронами речовини, фотони рентгенівського та гамма випромінювання ведуть себе як пружні кульки, які при взаємодії з електронами втрачають частину своєї енергії, а відповідно змінюють довжину своєї хвилі.
Тиск світла – це явище, суть якого полягає в тому, що світловий потік створює певний механічний тиск на ті об’єкти які зустрічаються на його шляху.