Světlo jako elektromagnetické vlnění

optika – věda zkoumající podstatu světla, zákonitostí světelných efektů (vznik šíření)

zdroj světla – těleso vysílající světlo (přírodní, umělé)

bílé světlo – složené světlo, ze všech základních barev

optické prostředí – prostor šíření světla (průhledné, průsvitné, neprůhledné)

Přehled teorií na podstatu světla

1. Newtonova korpuskulární teorie (17. století)

• představa světla drobných mechanických částic, které se šíří přímočaře

2. Huygensova vlnová teorie

• světlo je mechanické vlnění, které se šíří prostorem (éterem), je vysíláno zdrojem

3. Maxwellova elektromagnetická teorie

• světlo je elektromagnetické vlnění o krátké vlnové délce

4. Kvantová teorie

• Max Planck, Albert Einstein – 1900
• hypotéza, že světlo se šíří nespojitě po kvantech (fotony) ,h = 6,625.10–34 J.s

Světlo jako elektromagnetické vlnění

• nepotřebuje hmotné prostředí, šíří se ve vakuu
• rychlost světla ve vakuu je
• v látkovém prostředí je rychlost vždy menší než ve vakuu
• světlo odpovídá elektromagnetickému vlnění, na které je citlivé lidské oko
• fyziologický vjem vidění způsobuje elektromagnetické vlnění o frekvencích 7,7 . 104 Hz až 3,9 . 104 Hz, této frekvenci odpovídají ve vakuu vlnové délky 390 nm až 760 nm
• světlo o různých frekvencích vyvolává různý zrakový vjem (barva světla) – světelný interval je vymezen fialovou barvou (390 nm) a červenou barvou (760nm) mezi nimi jsou barva zelená, žlutá modrá, nejcitlivější je světlo žlutozelené (550 nm)

Šíření světla

• ovlivněno vlastnostmi optického prostředí
• optické prostředí dělíme na:

1. průhledné – nedochází k rozptylu světla
2. průsvitné – světlo prostředím prochází, ale zčásti se rozptyluje
3. neprůhledné – světlo se silně pohlcuje (absorbuje) nebo se na povrchu odráží

• opticky homogenní prostředí – v celém svém objemu má stejné optické vlastnosti
• opticky izotropní (sklo)– rychlost světla v tomto prostředí nezávisí na směru pohybu světla, opak je opticky anizotropní prostředí (krystaly)
• Huygensův princip – světlo se v homogenním izotropním prostředí šíří od zdroje světla ve vlnoplochách – vlnoplochy tvar soustředných koulí ve velké vzdálenosti lze části vlnoploch považovat za rovinné vlnoplochy
• pokud můžeme rozměry zdroje zanedbat mluvíme o bodovém zdroji světla

Směr šíření světla udávají přímky kolmé na vlnoplochy, nazývají se světelné paprsky. V homogenním izotropním optickém prostředí se světlo šíří přímočaře.

• v praxi zdroje světla nejsou bodové, představujeme si, že s každý bod zdroje vysílá do všech směru paprsky, které se protínají s ostatními, ale neovlivňují se – tento poznatek se nazývá princip nezávislosti chodu světelných paprsků
• na tomto principu je založena paprsková optika, zanedbává vlnovou podstatu světla

Odraz a lom světla

• platí stejné zákony jako u mechanického vlnění
• světlo při dopadu na rozhraní se částečně odráží a částečně láme, nastává odraz a lom světla
• platí zákon odrazu – úhel dopadu se rovná úhlu odrazu od kolmice
• kolmice je kolmá na rovinu rozhraní (rovinná plocha) nebo je to komice na tečnu zakřivené plochy, odražený paprsek, dopadový paprsek a kolmice dopadu leží ve stejné rovině – rovině dopadu
• pro lom světla platí , podíl rychlostí je pro dané prostředí konstantní a nazývá se index lomu n pro dané prostředí, udávají se indexy lomu prostředí vůči vakuu a platí: , tento zákon objevil W. Snell nazývá se Snellův zákon
• při lomu na rozhraní dvou prostředí je zde prostředí opticky řidší (menší index lomu) a prostředí opticky hustší (větší index lomu)
• poznatek o záměnnosti chodu paprsků dopadající a odrážející (dopadající a lomený) můžeme zaměnit a zákon bude platit
• lom ke kolmici z opticky řidšího do opticky hustšího, lom od kolmice je naopak

Úplný odraz světla

• při určitém mezním úhlu je úhel lomu pravý úhel a při vyšších úhlech již lom nenastává, mezní úhle zjistíme pokud jako opticky řidší prostředí vezmeme vakuum (vzduch)
• refraktometr – přístroj na měření indexu lomu prostředí, založen na měření mezního úhlu
• úplný odraz se využívá v optických soustavách, kdy hranolu mění směr paprsků
• rozhraní sklo vzduch , takže již při 45o nastává úplný odraz
• využití: vláknové vlnovody (základem skleněné vlákno, jehož střední část má větší index lomu než obvodová a paprsek se úplně odráží

Disperze světla

• při lomu bílého světla, není lomený paprsek již bílý, ale jeho okraje jsou zbarveny, okraj vzdálenější od kolmice je červený a okraj blíže ke kolmici je fialový
• bílé světlo se rozložilo na barevné složky – příčinnou je závislost rychlosti světla na frekvenci = disperze světla
• rychlost světla se s rostoucí frekvencí zmenšuje (normální disperze)
• ve vakuu k disperzi nedochází
• index lomu optického prostředí závisí na frekvenci světla a s rostoucí frekvencí se zvětšuje (normální disperze)
• světelné vlnění určité frekvence – monofrekvenční (monochromatické), vlivem disperze se paprsky monofrekvenčního světla lámou pod různými úhly (fialové nejvíce – vyšší frekvence, červené nejméně – nižší frekvence)
• disperze je důkazem, že bílé světlo je složené z jednoduchých světel, která již nelze rozložit
• při jednom lomu není rozložení tak patrné, proto se používá vícenásobný lom (optický hranol), tento hranol je vyrobený ze skla, hladké roviny hranolu svírají lámavý úhel , paprsek se lomí dvakrát a odchylka různých barev je větší, na stínítku se jev zobrazí jako řada na sebe navazujících barevných proužků – hranolové spektrum
• bílé světlo se v hranolu rozloží na spektrum, ve kterém jsou zastoupeny všechny barvy odpovídající monofrekvenkčním paprskům v posloupnosti – červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová
• jednotlivé barvy nejsou zastoupeny rovnoměrně, na červeném konci spektra jsou barvy více nahuštěny než na fialovém konci
• při průchodu rozhraním se frekvence světla nemění , kde je vlnová délka ve vakuu , v optickém prostředí o indexu lomu n je vlnová délka n-krát menší než ve vakuu

Hranolový spektroskop

• přístroj užívaný při spektrální analýze
• světlo ze zdroje Z se přivádí na kolimátor K, ze kterého vychází svazek paprsků směrem k hranolu
• v optickém hranolu nastane rozklad světla a paprsky různých barev se odchylují
• rozlišujeme spektroskop (pozorování okem) a spektrograf (záznam na fotografickou­ desku)