Įvadas
Šviesa - tai reiškinys, kuris mus lydi kasdien. Be jos neįsivaizduojama gyvybė Žemėje. Nors šviesa atrodo paprastas ir suprantamas dalykas, iš tiesų ji yra sudėtingas fizinis reiškinys, kurio prigimtis buvo atskleista tik XIX amžiaus pabaigoje. Šiame straipsnyje panagrinėsime šviesos bangų savybes, šviesos šaltinius, atspindį, lūžimą, interferenciją, difrakciją ir poliarizaciją, taip pat aptarsime lūžio rodiklio priklausomybę nuo bangos ilgio.
Šviesos bangos ir šaltiniai
Fizikoje šviesos sąvoka apima ne tik regimąją šviesą, bet ir infraraudonąją bei ultravioletinę spektro sritis. Šviesa sklinda siauru pluoštu tiesiai ir visomis kryptimis 300 000 km/s greičiu. Šviesos banga yra tam tikro dažnio kintančių elektrinio ir magnetinio laukų sklidimas erdvėje. Mūsų akys mato įvairius kūnus, kai jie skleidžia arba atspindi šviesą. Kūnai, kurie patys spinduliuoja šviesą, vadinami šviesos šaltiniais.
Šviesos šaltiniai skirstomi į gamtinius ir dirbtinius. Svarbiausias gamtinis šviesos šaltinis yra Saulė, nes jos spinduliuojama šviesa yra pirminis energijos šaltinis. Dirbtiniai šviesos šaltiniai, tokie kaip laužai, žvakės, žibalinės ir elektrinės lempos, taip pat yra šiluminiai šviesos šaltiniai, nes skleidžia šviesą būdami įkaitę. Be šiluminių šaltinių, naudojami ir „šaltosios šviesos“ šaltiniai, kuriuose švyti dujos, tekant pro jas elektros srovei.
Praktikoje dažniausiai susiduriame su tam tikrų matmenų šviesos šaltiniais, kuriuos galime laikyti šviečiančių taškų visuma. Kaip šviesos šaltinis dažnai naudojama tam tikro dydžio ir formos skylė.
Mokslo apie šviesą raida
Optika, arba mokslas apie šviesą, yra antroji seniausia fizikos šaka po mechanikos. Senovės mokslininkai dar neskyrė šviesos nuo jos fiziologinio suvokimo ir nesuprato, kaip veikia akis. Senovės Graikijos mąstytojai siūlė įvairias šviesos hipotezes. Pavyzdžiui, pitagoriečiai teigė, kad šviesa yra akių spinduliai, kurie atsispindi nuo daiktų ir grįžta atgal į akis.
Taip pat skaitykite: Sužinokite apie Streso Sukeltus Lūžius
Viduramžių mokslininkus domino optinės iliuzijos ir regėjimo ypatybės. XIII amžiuje buvo išrastas lęšis. XVII amžiuje Snelas eksperimentiškai, o Dekartas teoriškai atrado spindulių lūžio dėsnį. Kepleris paaiškino, kodėl daiktų atvaizdai veidrodyje matomi ten, kur nėra pačių daiktų. Grimaldis (1618-1663) atrado šviesos difrakcijos reiškinį, o Hukas (1635-1703) teigė, kad šviesa sklinda skersinėmis bangomis. 1675 m. Remeris nustatė šviesos sklidimo greitį.
XVIII amžiuje optika buvo vystoma silpniau. Šiame amžiuje vyravo šviesos korpuskulų teorija, nors buvo ir šviesos bangų teorijos šalininkų. Fizikai tyrė liuminescencijos reiškinius.
Šviesos atspindys ir lūžimas
Atspindys - tai atšokančios nuo sandūros bangos krypties keitimas. Šviesos atspindys demonstruojamas veidrodžiais. Braižant daiktą ir jo atvaizdą veidrodyje, tariama, jog pats daiktas spinduliuoja šviesą. Iš tikrųjų spinduliai dažniausiai ateina iš šviesos šaltinio ir yra daikto išsklaidomi.
Šviesos atspindžio dėsniai:
- Krintantysis spindulys, atsispindėjęs spindulys bei iš kritimo taško iškeltas statmuo yra toje pačioje plokštumoje.
- Kritimo kampas (α) lygus atspindžio kampui (β).
Reikia skirti veidrodinį ir sklaidųjį atspindį. Veidrodinis atspindys - tai lygiagrečių krintančiųjų spindulių atspindys nuo plokščio paviršiaus, kai atsispindėję spinduliai taip pat lygiagretūs. Sklaidusis, arba difuzinis, atspindys - tai lygiagrečių spindulių atspindys nuo nelygių paviršių, kai atsispindėję spinduliai sklinda įvairiomis kryptimis.
Taip pat skaitykite: Dvasinio atsparumo ugdymas per luzą
Lūžimas - tai iš vienos terpės į kitą sklindančios bangos krypties pasikeitimas dėl jos greičio pakitimo. Patekusios į naują terpę, šviesos bangos lūžta pagal šviesos lūžimo dėsnius. Jų lūžimo kryptis priklauso nuo to, ar šviesa sklinda į tankesnę terpę, ar retesnę terpę.
Šviesos lūžio dėsniai:
- Krintantysis spindulys, lūžęs spindulys bei statmuo, iškeltas iš kritinio taško, yra toje pačioje plokštumoje.
- (Snelijaus dėsnis). Kritimo kampo sinuso ir lūžio kampo sinuso santykis dviem duotoms terpėms yra pastovus. Ši konstanta yra lūžio rodiklis.
Lęšiai būna dviejų rūšių: iškilieji ir įgaubtieji. Jie gali veikti kaip glaudžiamieji arba sklaidomieji lęšiai priklausomai nuo jų lūžio rodiklio supančios terpės atžvilgiu.
Interferencija
Nekintamas interferencinis vaizdas susidaro tada, kai bangos yra suderintos: jų ilgiai vienodi, o fazių skirtumas bet kuriame erdvės taške laikui bėgant nekinta (koherentinės bangos). Atskirų šaltinių bangos nekoherentinės būtent dėl to, kad bangų fazių skirtumas nėra pastovus. Todėl maksimumų ir minimumų padėtis erdvėje kinta.
Plonų plėvelių spalvas galima paaiškinti sudėtimi bangų, iš kurių viena atspindi nuo išorinio, o kita - nuo vidinio paviršiaus. Čia vyksta šviesos bangų interferencija - tokia dviejų bangų sudėtis, kai atstojamasis šviesos intensyvumas įvairiuose erdvės taškuose yra nevienodas. Šviesa sustiprėja tada, kai lūžus 2 banga nuo atsispindėjusios 1 bangos atsilieka sveiku bangų ilgių skaičiumi. Jeigu antroji banga atilieka nuo pirmosios pusbangiu arba nelyginiu pusbangių skaičiumi, tai šviesa susilpnėja.
Taip pat skaitykite: Sužinokite apie ribinį kampą
Spalvos priklauso nuo šviesos bangų ilgio (arba dažnio). Skirtingų spalvų šviesos srautus atitinka skirtingo ilgio bangos. Jeigu tarp stiklinės plokštelės ir ant jos padėto plokščiai iškilo lęšio (kurio didelis kreivumo spindulys) yra plonas oro sluoksnis, susidaro interferencinis vaizdas - koncentriniai žiedai, vadinami Niutono žiedais. Šviesos, pereinančios iš vienos aplinkos į kitą, bangos ilgis pakinta.
Interferometrai naudojami tiksliai matuoti šviesos bangų ilgius, dujų ar kitų medžiagų lūžio rodiklius. Interferencijos dėka galima įvertinti gaminio paviršiaus nušlifavimo kokybę. Kad šviesa mažiau atsispindėtų nuo optinių stiklų, sumažinamas atpindžio koeficientas (optinės sistemos skaidrinimas).
Poliarizacija
Šviesa, kurioje elektrinio lauko virpesiai vyksta vienoje plokštumoje, vadinama poliarizuota šviesa. O tokios šviesos išskyrimas iš natūralios šviesos vadinamas šviesos poliarizacija. Šviesą poliarizuoja ne vien Islandijos špato ir Turmalino kristalai, bet ir daugelis kitų medžiagų. Labai stipria poliarizacija pasižymi Herapatito kristalai. Poloroidiniai akiniai saugo nuo saulės akinimo, pro juos žiūrint stereofilmai ir stereoskopinės fotografijos. Įvairūs poliarizaciniai prietaisai naudojami plačiai moksliniuose tyrimuose ir technikoje.
Difrakcija
Bangų užlinkimas už kliūties vadinamas difrakcija. Bangos labiau užlinksta praėjusios tokias kliūtis, kurių matmenys mažai skiriasi nuo šviesos bangos ilgio. Kadangi šviesos bangos ilgis labai mažas, spinduliai nukrypsta nuo tiesaus sklidimo kelio nedideliu kampu. Tiktai banginė šviesos teorija gali paaiškinti, kodėl optinių prietaisų skiriamoji geba ribota. Dėl difrakcijos smulkių daiktų atvaizdai neryškūs, nes šviesa sklinda ne visiškai tiesiai, bet užlinksta už kliūčių.
Difrakcinė gardelė - tai daugybė labai siaurų plyšių, atskirtų neskaidriais tarpais. Kadangi maximumų padėtys priklauso nuo bangos ilgio, tai gardelė išsklaido baltą šviesą į spektrą. Difrakcine gardele galima labai tiksliai išmatuoti bangos ilgį.
Lūžio rodiklis ir dispersija
Lūžio rodiklis yra bematis dydis, nusakantis terpės gebėjimą laužti šviesos bangas. Absoliutusis lūžio rodiklis lygus šviesos greičio vakuume ir šviesos fazinio greičio terpėje santykiui. Vienos terpės santykinis lūžio rodiklis kitos terpės atžvilgiu lygus skirtingų terpių absoliučiųjų lūžio rodiklių dalmeniui arba šviesos kritimo kampo ir jos lūžio kampo sinusų dalmeniui. Didesnio lūžio rodiklio medžiagos vadinamos optiškai tankesnėmis.
Dispersija - tai šviesos lūžio rodiklio priklausomybė nuo jos spindulių bangos ilgio. Balta šviesa yra sudaryta iš septynių spektro spalvų, kurių kiekvienai būdinga kitokia lūžio rodiklio vertė. Lūžio rodiklis priklauso nuo šviesos greičio medžiagoje. Bandymais įrodyta, kad lūžtančių raudonų spindulių greitis didžiausias, o violetinių - mažiausias. Dėl šios priežasties stiklinė prizmė išskaido baltą šviesą į spektrą.
Šviesos dispersija būdinga visoms medžiagoms. Kai tam tikrų spektro ruožų bangoms optiškai skaidrios medžiagos lūžio rodiklis didėjant šviesos dažniui didėja - vyksta normalioji šviesos dispersija.
Šviesos spektras ir spektrinė analizė
Siauras baltos šviesos spindulių pluoštas, eidamas pro stiklinę prizmę, išsiskaido į įvairių spalvų šviesos pluoštus. Spalvota juostelė ekrane vadinama ištisiniu spektru. Šviesos išskaidymas vadinamas šviesos dispersija. Ištisinis spektras gaunamas išskaidžius šviesą, kurią spinduliuoja įkaitę kietieji kūnai ir skysčiai.
Stebint įkaitintų praretintų atominių dujų sklaidžiamos šviesos spektrus, nustatyta, kad jie sudaryti iš siaurų spalvotų linijų. Toks spektras vadinamas linijiniu emisijos (spinduliavimo) spektru. Baltos šviesos pluošto, praėjusio pro dujinę medžiagą ir suskaidyto spektroskopu, ištisiniame emisijos spektre matomos tamsios linijos. Jos vadinamos linijiniu absorbcijos spektru. Molekulinių dujų skleidžiamų spindulių spektras yra juostinis.
Tiriant medžiagos linijinį spektrą, galima sužinoti, iš kurių cheminių elementų ji sudaryta ir koks kiekvieno elemento kiekis. Spektrinė analizė plačiai taikoma nustatant rūdų cheminę sudėtį, ieškant naudingųjų iškasenų. Spektrinės analizės privalumai yra didelis jautrumas ir greitai gaunami rezultatai. Spektrine analize galima nustatyti cheminę sudėtį dangaus kūnų, nutolusių nuo Žemės milijardus šviesmečių.