Optika

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

Az optika, vagy magyarosan fénytan, a fizikának a fény és általában az elektromágneses hullámok terjedésével foglalkozó tudományága. A fénytan (optika) a fény tulajdonságait, a fényjelenségeket (fénytörés, fényvisszaverődés stb.) vizsgálja.

Főbb megközelítési módjai:

Mindegyik magában foglalja az előző lépcsőfokot.

A fény színe[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Olyan fiziológiai érzet, amelyet a látható optikai sugárzás kelt, méghozzá a hullámhosszától függő minőségben.

Színek Hullámhossz vákuumban (nm) Frekvencia (Hz)
Infravörös 700 4,3 \cdot 10^{14}
Vörös 620 4,8 \cdot 10^{14}
Narancs 610 4,9 \cdot 10^{14}
Sárga 590 5,1 \cdot 10^{14}
Zöld 510 5,9 \cdot 10^{14}
Kék 430 6,9 \cdot 10^{14}
Ibolya 400 7,5 \cdot 10^{14}
Ultraibolya 300 5 \cdot 10^{15}

Színkép vagy spektrum[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Valamely fényforrás hullámhossz szerint felbontott fényében a színekhez tartozó intenzitás frekvenciára való eloszlását leíró függvény, illetve a fényspektrográfok által térben hullámhossz szerint szétbontott képe.

Emissziós színkép[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A gerjesztett atomi vagy molekuláris rendszer által kibocsátott elektromágneses hullámok hullámhossz szerinti rendszere.

Folytonos színkép[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Olyan emissziós színkép, amelynek az intenzitása a frekvencia folytonos függvénye, és széles tartományban különbözik nullától.

Fényforrások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Meg kell említenünk a fényforrásokat is, mert fényforrás nélkül nincs fény. Két fajta fényforrást különböztetünk meg, az elsődleges és a másodlagos fényforrásokat.

Elsődleges fényforrás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Elsődleges vagy valódi fényforrásnak tekintjük azokat a tárgyakat, amelyek fényt sugároznak, bocsátanak ki. Elsődleges fényforrások: a Nap, a csillagok, a gyertya lángja stb.

Másodlagos fényforrások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Minden test, ami csak a rá sugárzott és róla visszaverődő fény miatt látható, másodlagos fényforrás, mert ha nem verné vissza a fényt, nem látnánk. Tehát akkor látunk valamit, ha a tárgyról a szemünkbe jut a fény.

Fényjelenségek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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-elv[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Hullámtörés a Huygens-elv alapján

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 burkolója adja meg.

A Huygens-Fresnel-elv[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 | forrásszöveg szerkesztése]

Hogyha a közegek és a határfelület tulajdonságai úgy hozzák, hogy a visszaverődés erőteljesebb, a jelenséget fényvisszaverődésnek nevezzük.

Teljes visszaverődés (totálreflexió)[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Teljes visszaverődés

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:

\frac{{\sin \alpha }}{{\sin 90^\circ }} = \frac{1}{n}

ebből:

\sin \alpha _h  = \frac{1}{n}

Brewster törvénye[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A visszavert sugár teljesen poláros lesz, ha a visszavert, valamint a közegbe behatoló megtört sugár egymásra merőleges. A teljes polarizációhoz tartozó \alpha_b beesési szög és a törésmutató kapcsolata:

n = \frac{{\sin \alpha _b }}{{\sin \beta }} = \frac{{\sin \alpha _b }}{{\sin (90^\circ  - \alpha _b )}} = \frac{{\sin \alpha _b }}{{\cos \alpha _b }} = tg\alpha _b

Kísérlet[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fényvisszaverődés sík felületről

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 | forrásszöveg szerkesztése]

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:

  1. A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van.
  2. A visszaverődési szög egyenlő a beesési szöggel.

Ezt Euklidesz Kr. e. 300 körül már bebizonyította.

Fénytörés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fénytörés
Fénytörés

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 | forrásszöveg szerkesztése]

Vákuumban:

c_0  = \frac{1}{{\sqrt {\varepsilon _0 \mu _0 } }} = 299792458\frac{m}{s}

Szigetelőben:

c = \frac{1}{{\sqrt {\varepsilon _0 \mu _0 \varepsilon _r  \mu _r }}} = \frac{1}{{\sqrt {\varepsilon \mu } }} \approx \frac{1}{{\sqrt {\varepsilon _0 \mu _0 \varepsilon _r } }} = \frac{{c_0 }}{{\sqrt {\varepsilon _r } }} < c_0

(ugyanis \mu _r  \approx 1)

A közeg abszolút törésmutatója[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

n = \frac{{c_0 }}{c} = \sqrt {\varepsilon _r \mu _r }  \approx \sqrt {\varepsilon _r }

Diszperzió (színszórás)[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A prizma fénytörése az eltérő hullámhosszok miatt alakul ki

\varepsilon _r 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 | forrásszöveg szerkesztése]

A második közeg első közegre viszonyított relatív törésmutatója:

n_{21}  = \frac{{c_1 }}{{c_2 }} = \frac{{n_2 }}{{n_1 }}

Az első közeg optikailag akkor sűrűbb a második közegnél, ha n_{21}\!<\!1, ellenkező esetben a közeg optikailag ritkább. (Az optikai sűrűség nem azonos a mechanikai sűrűséggel).

Snellius-Descartes fénytörési törvénye[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ugyanazon közegben a beesési és törési szög szinuszának aránya állandó és egyenlő az első, ill. második közegben mért terjedési sebességek hányadosával.

\frac{{\sin \alpha }}{{\sin \beta }} = \frac{{c_1 }}{{c_2 }} = n_{21}  = \frac{{n_2 }}{{n_1 }}

Az \alpha beesési szög növelésével a fény energiájának egyre kisebb hányada jut be az új közegbe.

Optikai eszközök[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Optika témájú médiaállományokat.

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]