Wykonał: Paweł Szustak
Wykonał: Paweł Szustak
Zadziwiająca natura światła:
1. Rozwój poglądów na naturę światła
2. Odbicie, prawo odbicia światła
3. Załamanie światła
4. Rozszczepienie światła
5. Zjawisko tęczy
6. Miraż
7. Dyfrakcja światła
8. Interferencja fal świetlnych
9. Doświadczenie Younga
10. Polaryzacja światła
11. Zjawisko fotoelektryczne
12. Złudzenia optyczne
Rozwój poglądów na naturę światła.
Nauka o świetle jest bardzo stara, ale spór o jego
naturę trwał aż od początku naszego stulecia. Spór ten
wśród uczonych rozpoczął się w XVII wieku, a dotyczył
odpowiedzi na pytanie:
czy światło to fala czy cząstka?
czy światło to fala czy cząstka?
Newton był twórcą tzw. korpuskularnej teorii
światła (korpuskuła znaczy cząstka). Według niej światło
jest strumieniem bardzo szybko pędzących cząstek -
korpuskuł wylatujących ze źródła. Cząstki te wpadając do
oka, wywołują wrażenie światła.
Współczesny Newtonowi Huygens w roku 1690
ogłosił swoją falową teorię światła, według której
światło polega na ruchu fal rozchodzących się podobnie
jak fale w ciałach sprężystych, niosąc ze sobą energię.
Pewien problem stanowił ośrodek, który według teorii
Huygensa miał służyć do transportu energii. Nazwano go
eterem kosmicznym i założono, że cała przestrzeń jest
nim wypełniona. Chociaż falowa teoria światła tłumaczyła
szereg zjawisk optycznych to jednak nie miała początkowo
zbyt wielu zwolenników. Być może wpływał na to autorytet
Newtona, występującego przeciwko teorii Huygensa. Poza
tym teoria Newtona tłumaczyła wszystkie znane wówczas
zjawiska optyczne, tak więc o teorii Huygensa
zapomniano.
Isaac Newton
Christiaan Huygens
Teoria korpuskularna Newtona panowała aż do początku XIX wieku, kiedy to
zaobserwowano dyfrakcję i interferencję światła. Oba te zjawiska świadczą o
falowej naturze światła. Do łask wróciła więc teoria falowa światła Huygensa,
chociaż problem eteru kosmicznego nadal pozostał.
Po ogłoszeniu w roku 1867 przez Maxwella teorii fal
elektromagnetycznych stało się jasne, że światło to też fala
elektromagnetyczna, która nie potrzebuje do rozchodzenia się w przestrzeni
żadnego ośrodka materialnego. Problem eteru kosmicznego zniknął.
Elektromagnetyczna teoria światła przeżywała swój triumf po doświadczeniach
Hertza.
Było tak do końca XIX wieku, kiedy to odkryto nowe zjawiska (np.
zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne), których nie udało się wytłumaczyć za
pomocą falowej teorii światła. Wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego
w roku 1905 podał Einstein zakładając, że światło rozchodzi się w postaci
określonych porcji energii, zwanych kwantami. Powstała w ten sposób nowa
teoria kwantowa światła, w której można znaleźć nawiązanie do dawnej teorii
korpuskularnej Newtona.
Znowu można zadać pytanie
, czym naprawdę jest światło?
, czym naprawdę jest światło? Na
pierwszy rzut oka wydaje się bowiem, że oba punkty widzenia na naturę światła
- falowy (elektromagnetyczny) i kwantowy (korpuskularny) wzajemnie się
wykluczają. Okazuje się jednak, że falowe i korpuskularne właściwości światła są
ze sobą ściśle związane -
światło ma dwoistą naturę.
światło ma dwoistą naturę. Dualizm korpuskularno-
falowy światła wyjaśniła dopiero na początku naszego stulecia mechanika
kwantowa.
Odbicie światła
Światło padające na granicę dwóch ośrodków może ulec odbiciu. Dzieje się tak
bardzo często.
Prawo odbicia światła
β = α
Kąt odbicia równy jest kątowi padania.
Kąty - padania i odbicia leżą w jednej płaszczyźnie.
Typowe odbicie zachodzi wtedy, gdy drugi ośrodek jest w ogóle nieprzepuszczalny dla
światła. Jeżeli dodatkowo w tym drugim ośrodku światło nie jest pochłaniane, to cała
wiązka ulega odbiciu. W ten sposób otrzymujemy zwierciadło.
Uwaga!
Warto zwrócić uwagę na fakt, że zarówno kąt padania, jaki i odbicia liczone są od normalnej, a nie od powierzchni rozgraniczającej
ośrodki
Zjawisko odbicia światła w przyrodzie.
Załamanie światła
Załamanie różni się zdecydowanie od odbicia, ponieważ w jego wyniku światło zmienia
ośrodek w jakim się rozchodzi. Wraz ze zmianą ośrodka dochodzi najczęściej do zmiany
kierunku rozchodzenia się światła.
Załamanie światła powoduje szereg ciekawych efektów - m.in. złudzenie "złamania"
łyżeczki od herbaty umieszczonej w szklance, nieprawidłowej lokalizacji dna jeziora,
gdy patrzymy na nie z brzegu. Załamanie światła jest wykorzystywane do budowy
soczewek stosowanych w okularach, obiektywach aparatów, lunetach i innych
przyrządach optycznych.
Ogólnie - światło będzie się załamywać prawie zawsze gdy zmienia się ośrodek.
Warto dość mocno skojarzyć sobie załamanie ze zmianą ośrodka, bo istnieje podobne w nazwie zjawisko optyczne
– ugięcie, które może się pomylić z załamaniem. Ugięcie ma inną naturę (zachodzi w jednym ośrodku) i inaczej
przebiega, tak więc pomylenie tych zjawisk byłoby poważnym błędem.
Załamanie światła jest podstawowym zjawiskiem na którym opiera się funkcjonowanie soczewek i pryzmatów
.
Efekt wynikający ze załamania światła
Rozszczepienie światła
Rozszczepienie światła inaczej zwane jest dyspersją. Zjawisko jest spowodowane
różną prędkością rozchodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Różna
prędkość rozchodzenia się światła owocuje oczywiście różnym współczynnikiem
załamania światła i różnym katem załamania . Ponieważ zaś światło białe jest
mieszaniną świateł o wielu barwach, to przepuszczenie go przez pryzmat spowoduje
rozdzielenie poszczególnych składowych na piękną tęczę.
Np. promienie czerwone rozchodzą się w szkle szybciej niż promienie fioletowe.
Dlatego też promienie czerwone załamują się słabiej niż fioletowe. Załamanie i
rozszczepienie światła występuje dla większości materiałów przezroczystych. Ono
nadaje piękny poblask brylantom i kryształom, ono powoduje powstawanie tęczy
(światło jest wtedy załamywane i rozszczepiane przez miniaturowe kropelki wody).
Rozszczepienie najłatwiej jest zaobserwować w pryzmacie, ponieważ załamuje on i
rozszczepia światło dwukrotnie dzięki czemu barwne promienie są silniej rozbieżne niż
w przypadku załamania jednokrotnego.
Tęcza
Tęcza- zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci
charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego gdy Słońce oświetla krople wody
w ziemskiej atmosferze. Tęcza powstaje w wyniku dyspersji (rozszczepienia światła)
oraz przez załamanie i odbicie światła przez niemal kuliste krople wody.
Tęcza jako przykład rozszczepienia światła
U góry po lewej
(8) bieg
promieni w
kropli (1)
tworzących tęczę
wtórną (5), po
prawej (7)
tworzących tęczę
pierwotną (3).
(2) –
wewnętrzne
odbicie światła.
(4) –
rozszczepienie
światła. (6) -
promienie
światła białego.
(9) – obserwator.
Rejon
powstawania
tęczy pierwotnej
(10) i wtórnej
(11). (12) –
strefa kropel
Miraż
Miraż, fatamorgana – zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w
wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej
temperaturze, a co za tym idzie, gęstości.
Miraże dolne są to obrazy pojedynczych przedmiotów, oaz na pustyni, a także miast,
sprawiających wrażenie odbitych w wodzie. W tym przypadku warstwy powietrza w pobliżu
powierzchni ziemi są silniej nagrzane niż warstwy powietrza znajdujące się wyżej i światło
słoneczne odbite od przedmiotu ulega wielokrotnemu załamaniu, dając obraz odległego przedmiotu
poniżej linii horyzontu. (ryc. 2)
Miraż górny to zjawisko załamania występujące wielokrotnie w kolejnych warstwach powietrza,
powodujące że światło rozchodzi się po linii krzywej. Jeżeli obserwator znajdzie się w miejscu, gdzie
dochodzi światło odbite od statku, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka, zobaczy
prosty obraz statku na tle nieba. (ryc. 1)
ryc. 1
ryc.2
Typowy miraż
dolny
Miraż można zauważyć jadąc w lecie samochodem po rozgrzanej szosie. Odnosimy
wówczas wrażenie, że daleko przed nami drogę pokrywają kałuże. Powierzchnia drogi
wydaje nam się mokra jedynie wtedy gdy jest silnie nagrzana przez słońce, oraz gdy
horyzont w dali jest pusty. Od nagrzanej nawierzchni nagrzewa się stykające się z nią
powietrze, w wyniku czego gęstość powietrza tuż przy nawierzchni jest najmniejsza (bo
powietrze jest najcieplejsze) i rośnie z wysokości (temperatura powietrza maleje). Z
tego wynika, że współczynnik załamania jest również mniejszy w niższych warstwach
powietrza. Promień świetlny pada skośnie od góry napotykając warstwy powietrza, których
gęstość stopniowo maleje, wówczas następuje załamanie w przeciwnym kierunku i
zakrzywienie promienia ku górze. Gdy biegnie już prawie stycznie ulega całkowitemu
wewnętrznemu odbiciu i biegnąc dalej przechodzi do obszarów o coraz większej gęstości i
znowu się zagina.
Dyfrakcja światła.
Jest to zjawisko związane z odstępstwami od praw optyki geometrycznej. Występuje
na brzegach nieprzezroczystych przesłon oraz na niejednorodnościach ośrodka -
szczególnie widoczna po przejściu światła przez małe otwory tym bardziej im ich
wielkość jest zbliżona do długości fali. Dyfrakcja światła przejawia się brakiem wyraźnej
granicy cienia, powstaniem prążków o różnym natężeniu. Podobne zjawisko można
zaobserwować w przypadku rozchodzenia się fal na wodzie.
Najprostszym sposobem tłumaczenia dyfrakcji światła jest zasada Huygenesa,
zgodnie z którą dzieli się otwór, na którym zachodzi dyfrakcja, na małe elementy, z
których każdy staje się źródłem nowej fali kulistej. Po zsumowaniu wszystkich tych fal
otrzymuje się nową falę za otworem (rysunek poniżej) - zaszła dyfrakcja. W przypadku
dyfrakcji światła na wielu otworach interferencja fal pochodzących z tych źródeł
prowadzi do powstania obrazów dyfrakcyjno-interferencyjnych - układu prążków bądź
plamek.
Interferencja fal świetlnych.
Ze zjawiskiem interferencji światła spotykamy się, wbrew pozorom, dość często. To właśnie wskutek tego zjawiska
mienią się różnymi barwami bańki mydlane i plamy oleju na zmoczonej deszczem ulicy. To dzięki temu zjawisku
obserwujemy fioletowe zabarwienie obiektywów aparatów fotograficznych.
Interferencję fal świetlnych najlepiej ilustruje doświadczenie Younga, przedstawione na rysunku poniżej. Silnym
źródłem światła oświetlamy, poprzez czerwony filtr, szczelinę o szerokości około 0,2 - 0,3 mm. W tak otrzymanej
wiązce światła umieszczamy układ dwu szczelin. Odległość szczelin nie powinna być większa niż 0,2 - 0,3 mm.
Szczeliny te służą do wytworzenia dwu identycznych fal (fal spójnych). Efekt interferencji (nakładania się) fal
obserwujemy za pomocą lupy lub okularu mikroskopu (15x).
Interferencja światła jest wynikiem dodawania dwóch promieni świetlnych. Energia elektryczna promienia świetlnego
rośnie i maleje na przemian, podobnie jak energia potencjalna w ruchu falowym. Jeśli drgania w dwóch falach są
zgodne mówimy, że fale są w fazie. Promienie świetlne są w fazie, gdy w każdym punkcie ich energia elektryczna
jednocześnie rośnie albo maleje. Następuje wtedy dodawanie energii i w rezultacie powstaje jeden, jasny promień. O
takiej interferencji mówimy, że jest konstruktywna. Jeśli jednak promienie spotykają się w taki sposób, że energia
elektryczna jednego z nich rośnie, a drugiego maleje, czyli są w przeciwfazie, wtedy odejmują się wzajemnie.
Wynikiem tego odejmowania jest brak światła, czyli ciemne miejsce. Taką interferencję nazywamy destruktywną.
Doświadczenie Younga
Doświadczenie Younga - eksperyment polegający na przepuszczeniu światła
poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzutowaniu na ekran. Na ekranie wskutek
interferencji tworzą się charakterystyczne prążki potwierdzające falową naturę
światła. Po raz pierwszy eksperyment ten wykonał około roku 1805 Thomas Young,
fizyk angielski. Bardziej widowiskowy i łatwiejszy sposób wykonania tego
doświadczenia, polega na użyciu siatki dyfrakcyjnej, czyli płytki ze szkła, na której
gęsto zarysowane są rysy. Obraz interferencyjny widoczny w tym przypadku na
ekranie jest znacznie wyraźniejszy i jaśniejszy niż przy użyciu jedynie
dwóch szczelin.
Young użył w swoim eksperymencie nieprzezroczystego
materiału, w którym wyciął dwie bardzo małe dziurki.
Jednakowe światło interferowało na szczelinach i tworzyło
na ekranie umieszczonym po drugiej stronie
nieprzezroczystego materiału obraz interferencyjny w
postaci kolorowych prążków. Doświadczenie w swojej
pierwotnej formie nie budziło wielkich kontrowersji w
świecie fizyki, jednak późniejsze jego modyfikacje
postawiły przed fizykami znaki zapytania. Okazało się
bowiem, że nawet pojedyncze fotony wysyłane przez
szczeliny w znacznych odstępach czasu, które nie miały
prawa wzajemnie ze sobą interferować, tworzyły za
szczelinami na światłoczułym materiale wzór
interferencyjny (pionowych prążków). Efekt ten będąc
jedną z manifestacji kwantowej natury światła jest często
używany do objaśniania podstaw mechaniki kwantowej. W
kwantowo-mechanicznym podejściu efekt interferecji
spowodowany jest nakładaniem się funkcji falowej
opisującej stan fotonu.
Polaryzacja światła
Polaryzacja światła
Zjawiska dyfrakcji i interferencji światła świadczą o
falowej naturze światła. Na podstawie tych zjawisk nie
możemy jednak stwierdzić, czy fale świetlne są falami
poprzecznym czy podłużnymi. Odpowiedzi na to pytanie
dostarcza nam doświadczenie polaryzacji światła
odkryte w roku 1808 przez E. Malusa, a opracowane
teoretycznie w roku 1820 przez A. Fresnela.
Słońce lub żarówka, emituje wiele promieni świetlnych. Każdy promień składa się z drgających pól,
elektrycznego i magnetycznego. W zwykłym świetle drgania te zachodzą we wszystkich kierunkach.
W świetle spolaryzowanym wszystkie promienie drgają w jednej płaszczyźnie. Polaryzację światła
można uzyskać przepuszczając światło przez polaryzujący materiał. Przepuszcza on tylko promienie
drgające w określonej płaszczyźnie. Odbite światło od gładkiej powierzchni jest częściowo
spolaryzowane. Polaryzujące okulary przeciwsłoneczne są zrobione z materiału polaryzującego, co
pozwala wyeliminować światło spolaryzowane, a zatem również połyskujące refleksy.
Zjawisko fotoelektryczne
Za falową naturą światła przemawiała zarówno dyfrakcja, jak i interferencja światła. Istnieją jednak zjawiska,
które pozornie przeczą tym faktom. Takim zjawiskiem jest m.in. odkryte przez Heinricha Hertza w 1887 roku
zjawisko fotoelektryczne.
Elektroskop oświetlony promieniowaniem ultrafioletowym
traci ładunek ujemny. Elektrony uwalniane z powierzchni
substancji przez światło (promieniowanie
elektromagnetyczne) nazywamy fotoelektronami, a
zjawisko - zjawiskiem fotoelektrycznym lub fotoemisją.
Energia elektronów emitowanych podczas naświetlania
płytki metalowej nie zależy od natężenia promieniowania a
jedynie od długości fal tego promieniowania. Liczba
elektronów emitowanych z płytki jest proporcjonalna do
natężenia padającego na nią promieniowania. Wnioski te
wskazują na to, że w zjawisku fotoelektrycznym światło
zachowuje się jak strumień cząstek a nie jak fala.
Właściwą interpretację zjawiska fotoelektrycznego podał
Einstein w 1905 roku. Według niego światło to strumień
cząstek - fotonów, z których każdy niesie ściśle określoną
porcję energii - kwant energii: E=hν=hc/λ
Foton oddziałując z elektronem znajdującym się na
powierzchni płytki metalowej, przekazuje mu całą swą
energię. Jeżeli energia wiązania elektronu W równa pracy,
jaką należy wykonać, by wyrwać elektron z powierzchni
płytki, jest większa od energii fotonu - zjawisko nie zajdzie.
W przypadku kiedy energia fotonu stanie się większa niż
praca wyjścia W, elektron zostaje wyrwany z powierzchni
płytki, a nadmiar energii zamieniony na jego energię
kinetyczną: hν=E
k
+W, gdzie E
k
- energia kinetyczna
elektronu, hν - energia fotonu, W - praca wyjścia. Kiedy
energia fotonu wystarcza zaledwie na wyrwanie elektronu
(E
k
=0), mówimy o częstotliwości granicznej lub o
długofalowej granicy (λ
max
) zjawiska fotoelektrycznego.
Złudzenia optyczne są z nami na każdym kroku... Czasem wydaje
nam się, że widzimy coś innego, niż jest faktycznie... A wszystko
związane jest z niedoskonałością naszego oka - proszę, jak łatwo jest
je oszukać...
Czy figury te są przestrzenne?
Czy wewnętrzny kwadrat ma proste
krawędzie?
Czy te linie są faktycznie proste?
Don Kichot
Złudzenie optyczne
Bibliografia:
http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/kwazar/rokfizyki2005/14646
0/strona2.html
http://fizyka.ckumm.edu.pl/naturaswiatla/naturaswiatla.
htm
http://pl.wikipedia.org [haslo: tęcza, miraż]
http://library.thinkquest.org/19662/high/pol/diffraction.h
tml
http://www.oko.info.pl/index.php?body=16&mp=
http://www.faleelektromagnetyczne.republika.pl/zjawisk
a.html