Dodaj do listy

Optyka

Spis treści:

  1. Wstęp
  2. Fale elektromagnetyczne
  3. Odbicie fali na granicy dwóch ośrodków
  4. Soczewki i zwierciadła
  5. Rozszczepienie światła
  6. Interferencja i dyfrakcja
  7. Polaryzacja światła

Wstęp

Optyka jest dziedziną fizyki, która zajmuje się zjawiskami związanymi ze światłem. Stara się wyjaśnić, czym jest światło, jaka jest jego natura, oraz jakie prawa rządzą zachowaniem światła. Bada także wpływ świtała na otaczającą materię, oraz sposób jego propagacji w tejże materii. Pierwotnie optyka zajmowała się wyłącznie badaniem światła białego, jednak stworzyła ona narzędzia, dzięki którym możliwe jest także pozostałych rodzajów promieniowania: podczerwieni, czy ultrafioletu. Optyka zajmuje się także wykorzystaniem światła w technice.

Optykę podzielono na kilka działów:

Optyka geometryczna - jest najstarszym działem optyki. Dziś stanowi pewnego rodzaju podstawę zrozumienia głębszej natury światła. W optyce geometrycznej światło jest postrzegane jako zbiór promieni świetlnych, będących swoistego rodzaju strużkami światła. Promienie te rozchodzą się w przestrzeni po liniach prostych. Optyka geometryczna nie wyjaśnia czym tak naprawdę jest światło, a jedynie mówi o tym, że w materii rozchodzi się ono po liniach prostych, ulega odbiciu gdy natrafi na inny ośrodek, oraz załamaniu, gdy przejdzie do tego ośrodka.

Optyka falowa - zajmuje się badaniem zjawisk, w których ujawnia się falowa natura światła. Zjawiskami tymi są interferencja, dyfrakcja, czy polaryzacja. Według optyki falowej światło jest falą elektromagnetyczną i podstawowymi prawami, które opisują jego propagacje w przestrzeni są równania Maxwella.

Spektroskopia - jest to dział optyki, który zajmuje się badaniem widm światła, jakie emitują różnego rodzaju pierwiastki. Dzięki badaniom jakie prowadzono nad widami absorpcyjnymi i emisyjnymi gazów, w początkach XX wieku stworzono wiele nowych teorii opisujących strukturę światła i materii. Zaczęto także postrzegać światło jako strumień cząstek - fotonów, a z kolei poznano falową naturę materii. W owym czasie także narodziła się mechanika kwantowa.

Optyka kwantowa - powstała wraz z pojawieniem się mechaniki kwantowej. Ten dział optyki zajmuje się opisem światła, jako strumienia fotonów - cząstek bezmasowych. W związku z tym światło zyskuje nowe parametry fizyczne, takie jak pęd, ciśnienie, czy energia. Oddziaływanie fotonów z materią można porównywać do zderzeń małych kulek. Optyka kwantowa w połączeniu z fizyką atomową i spektroskopią stanowią bardzo ważne narzędzie do badań astronomicznych. Dzięki nim możliwe jest określanie jakie pierwiastki, gdzie znajdują się we Wszechświecie, a także z jakich składników złożone są określone gwiazdy, planety, czy galaktyki.

Głównym założeniem optyki jest to że przechodząca wiązka światła przez materię nie wpływa na propagację innej wiązki. Jest to w przybliżeniu prawdą w przypadku wiązek o stosunkowo niskich natężeniach. Jednak w przypadku dużych natężeń, przepływ jednej wiązki światła wpływa na drugą, a także na siebie. Tymi problemami zajmuje się optyka nieliniowa.

Fale

Z fizycznego punktu widzenia, fala to pewne zaburzenie, które rozchodzi się w danym ośrodku, są to okresowe zmiany pewnej wielkości. Fala powstaje dzięki temu, że punkty danego ośrodka są ze sobą powiązane, dzięki czemu możliwe jest przenoszenie się zaburzenia. Fali nie towarzyszy żaden transport materii - punkty ośrodka nie są przesuwane wraz z falą. To co fala transportuje to energia.

Rozróżniamy różnego rodzaju fale, które podzielone z kilku względów:

Jeśli chodzi o kierunek drgań punktów ośrodka w którym fala się rozchodzi to rozróżniamy:

- fale podłużne - punkty ośrodka drgają równolegle do kierunku rozchodzenia się fali.

- fale poprzeczne - punkty ośrodka drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

Natomiast jeśli chodzi o sam kierunek propagacji fali to rozróżniamy:

- fale płaskie - kierunek propagacji fali jest jeden ustalony

- fale koliste - fala rozchodzi się we wszystkich kierunkach na określonej płaszczyźnie

- fale kuliste - fala rozchodzi się we wszystkich kierunkach w całej przestrzeni.

Rozróżniamy także fale ze względu na ich fizyczne właściwości, oraz ośrodki w jakich się one propaguję. W przypadku światła, przejawia ono także naturę falową. W tym wypadku mamy do czynienia z falą elektromagnetyczną.

Fale elektromagnetyczne.

Przez długi czas uważano że zjawiska elektryczne i magnetyczne, są zupełnie ze sobą nie związane. Jednak w XIX wieku, odkryto iż są to zjawiska, które można opisać jedną teorią - teorią elektromagnetyzmu. Zgodnie z tą teorią pole elektryczne i magnetyczne, są ze sobą ściśle związane i tworzą jedno pole - pole elektromagnetyczne. Oddziaływania elektromagnetyczne, są jednymi z 4 fundamentalnych oddziaływań obserwowanych w przyrodzie. Najsłynniejszymi prawami opisującymi zjawiska elektromagnetyczne, są 4 równania Maxwella. Ogólna postać tych równań może wydać się trochę skomplikowana dla kogoś kto nie zna definicji całki, czy pochodnej, jednak ich treść można łatwo objaśnić. Otóż pierwsze równanie Maxwella mówi o tym, że zmienne pole elektryczne wytwarza wirowe pole magnetyczne, natomiast drugie równanie mówi, że zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne. Co więcej z równań tych także wynika, że maksymalna prędkość z jaką może poruszać się pole elektromagnetyczne w przestrzeni, to prędkość światła. Takie pole jest wówczas falą elektromagnetyczną. Czyli fala ta to tak naprawdę takie sprzężone pole elektryczne i magnetyczne. Pole elektryczne opisuje wektor pola elektrycznego E, a pole magnetyczne wektor indukcji magnetycznej B. Oba te pola są zmienne, a wektory je opisujące są prostopadłe do siebie, a także do kierunku, wzdłuż którego fala elektromagnetyczna rozchodzi się w przestrzeni.

Każdą falę można scharakteryzować podając kilka parametrów. Jednym z takich parametrów jest częstotliwość. Częstotliwość określa liczbę okresów drgań fali w czasie jednej sekundy. W przypadku fali elektromagnetycznej mamy do czynienie z liczbą pełnych zmian pola elektrycznego i magnetyczne w ciągu jednej sekundy. Częstotliwość wyraża się w jednostkach - Herzach. Kolejnym parametrem charakteryzującym falę, jest jej długość, czyli odległość zawarta w jednym okresie drgania fali, a mówiąc inaczej najmniejsza odległość pomiędzy punktami, w których amplituda fali przyjmuje tą samą wartość (patrz rysunek obok). Jak łatwo się domyślić, to jaka jest długość fali, ściśle zależy od jej częstotliwości. Im częstotliwość jest wyższa, tym mniejsza jest długość fali. Częstotliwość jest wielkością stałą dla danej fali i nie zmienia się wraz z rodzajem ośrodka w którym fala elektromagnetyczna się rozchodzi. Jednak długość fali zmienia się wraz z rodzajem ośrodka w którym się ona propaguje. Związane jest to z tym, że długość fali, oprócz tego, że zależy od częstotliwości fali, to zależy także od jej prędkości rozchodzenia się. A ta z kolei jak wiemy, zmienia się wraz z rodzajem ośrodka.

Oto wzory opisujące wspomniane parametry:

Częstotliwość:

 gdzie T - okres fali

Długość fali:

Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej jest największa w przypadku propagacji w próżni, wynosi ona 299792 km/s. W przypadku pozostałych ośrodków które wypełnia materia, prędkość ta jest zawsze mniejsza. Jej wartość zależy od rodzaju ośrodka, a także od samej częstotliwości fali. Przejściu fali elektromagnetycznej przez ośrodki materialne towarzyszy utrata energii. Energia ta jest przekazywana ośrodkowi, dzięki czemu wzrasta jego energia wewnętrzna. Zjawisko to jest nazywane absorpcją światła. W wyniku absorpcji, czyli pochłaniania światła przez ośrodek wiązka jest stopniowo osłabiana. To jak szybko traci ona swoją pierwotną energię, zależy bezpośrednio od właściwości ośrodka, ale także od częstotliwości fali, oraz od drogi jaką pokonuje. W ośrodku mogą także występować różnego rodzaju niejednorodności, które dodatkowo wpływają na rozpraszanie wiązki światła.

Istnieją także zjawiska charakterystyczne dla fal, takie jak dyfrakcja czy interferencja. Dyfrakcja jest zjawiskiem polegającym na ugięciu się fali, natomiast interferencja jest procesem nakładania się wielu fal na siebie. W pewnych sytuacjach jest jednak bardziej wygodnie traktować światło jako strumień cząstek - fotonów. Jest to opis o tyle wygodny, że każdy foton niesie ze sobą określoną energię i możemy go przedstawić jako pewnego rodzaju paczkę falową o określonej częstotliwości. Tą podwójną naturę światła określa się mianem dualizmu korpuskularno-falowego. W niektórych sytuacjach światło zachowuje się tak jakby było falą, natomiast w innych tak jakby było strumieniem cząstek. Do poprawnego opisu tej podwójnej natury stosuje się mechanikę kwantową. Z im bardziej krótszymi falami mamy do czynienie, tym bardziej widoczne stają się własności korpuskularne i mówi wtedy o fotonach.

Fale elektromagnetyczne podzielono także ze względu na ich długość fali. Podział ten nazwano widmem fal elektromagnetycznych. Fale o różnych długościach fal przejawiają niekiedy bardzo ciekawe odmienne właściwości od pozostałych fal, mimo tego, że to nadal są fizycznie te same fale elektromagnetyczne. To że dane ośrodki różnie reaguję na dany typ fali elektromagnetycznej wynika głównie z różnic częstotliwościowych pomiędzy nimi. Poniżej przedstawimy najważniejsze rodzaje fal elektromagnetycznych od fal o najkrótszych długościach do tych o największych.

Promieniowanie gamma.

Promieniowanie gamma jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długościach fal mniejszych niż 10-10m. Promieniowanie gamma jest emitowane w różnego rodzaju rozpadach promieniotwórczych, np. rozpadach pierwiastków które znajdują się w naszej planecie, lub w reakcjach jądrowych. Źródłem promieniowania gamma jest także promieniowanie kosmiczne, którego istnienie wynika z nieustannie zachodzących procesów jądrowych w gwiazdach i galaktykach. Bardzo silnymi źródłami promieniowania gamma dochodzącymi z kosmosu są tzw. błyski gamma. Widmo promieniowania gamma, które emitują pierwiastki promieniotwórcze ma charakter dyskretny, czyli możliwe jest oddzielenie poszczególnych linii widma od siebie. Analizując takie widmo można określić energię odpowiadającą danej linii widmowej, a co za tym idzie także substancję która emitowała dane promieniowanie. Promieniowanie gamma bywa także określane jako promieniowanie przenikliwe, ponieważ stosunkowo łatwo przechodzi ono przez materię i trzeba grubych ołowianych osłon aby je zatrzymać. Oprócz ołowiu także beton dobrze pochłania promieniowanie gamma. Dlatego też w przypadku budowy schronów przeciw atomowych buduje się tworząc ściany jako warstwy na przemian ołowiu i betonu. Taka ochrona jest niezbędna dla człowieka, gdyż promieniowanie gamma jest promieniowaniem bardzo szkodliwym. W wyniku swej wysokiej przenikliwości jest w stanie zniszczyć komórki w każdym miejscu naszego ciała, a także doprowadzić do uszkodzenia materiału genetycznego w tych komórkach, co może doprowadzić do powstania choroby nowotworowej. Jednak istnieje także druga strona medalu. Tą niszczycielską siłę promieniowania gamma człowiek wykorzystał w medycynie do niszczenia chorych i zarażonych komórek, zapobiegając w ten sposób dalszemu rozwojowi choroby. Promieniowanie gamma wykorzystywane jest także w innych aspektach, takich jak sterylizacja Sterylizacja wyjaławianie. Usuwanie wszelkich drobnoustrojów, także ich form przetrwalnych czynnikami fizycznymi, np. poprzez gotowanie, parę wodną pod ciśnieniem (w autoklawach) lub promieniowanie jonizujące. Sterylizacji... Czytaj dalej Słownik biologiczny narzędzi medycznych, czy konserwacja żywności. Wykorzystuje się je także do określania wad różnego rodzaju urządzeń.

Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal z zakresu od 10-13 m do ok. 5*10-8 m. Jako pierwszy odkrył je W.C. Roentgen w 1895 roku. Za swoje odkrycie dostał on Nagrodę Nobla, która to była pierwszą przyznaną Nagrodą Nobla. Zakres długości fal promieniowanie rentgenowskiego po części pokrywa się z zakresem promieniowania gamma (tzw. miękkiego promieniowania gamma). Różnice wynikają z różnych mechanizmów powstawania promieniowania. Otóż promieniowanie gamma jest emitowane w wyniku przejść energetycznych w jądrach atomów. Natomiast promieniowanie rentgenowskie jest inaczej wytwarzane. Wytwarza się je w specjalnych urządzeniach tzw. lampach rentgenowskich, które składają się głównie z elektrod wytwarzających pole elektryczne. Elektrony uwalniane z jednej elektrody pędzą w kierunku drugiej, a gdy do niej docierają wyhamowują. Energia, którą wtedy tracą jest emitowana w postaci fotonów - tzw. promieniowanie hamowania. Widmo tego promieniowania jest ograniczone napięciem doprowadzonym do elektrod. Jednak na tym nie koniec. Elektron po dotarciu do anody może wybić z niej inny elektron (jonizacja), w wyniku, czego w atomie powstaje wolne miejsce, które natychmiast jest zajmowane przez elektron z zewnętrznej powłoki. Energia powstała przy takim przejściu jest emitowana w postaci fotonu o ściśle określonej długości fali - jest to tzw. promieniowanie charakterystyczne. Oba te promieniowanie - promieniowanie hamowania i promieniowanie charakterystyczne składają się na promieniowanie rentgenowskie. Obecnie promieniowanie rentgenowskie oprócz tego, że jest szeroko wykorzystywane w medycynie, to także znalazło zastosowanie w badaniach nad strukturą materii - tzw. rentgenowska analiza strukturalna, oraz w badaniach dotyczących pierwiastkowego składu chemicznego substancji - tzw. rentgenowska analiza widmowa. Wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego w medycynie opiera się na fakcie, że tkanka Tkanka zespół komórek o podobnej budowie, wspólnym pochodzeniu, pełniących te same określone funkcje w organizmie. Tkanki są materiałem budulcowym organów lub narządów.
Czytaj dalej Słownik biologiczny
kostna znacznie lepiej pochłania promieniowanie rentgenowskie niż pozostałe tkanki człowiek, przez co na kliszy fotograficznej w miejscach gdzie dotarła mniejsza ilość promieniowania widoczne są białe ślady odwzorowujące strukturę kości człowieka.

Promieniowanie ultrafioletowe.

Promieniowanie ultrafioletowe, które bywa także określane jako nadfioletowe, czy ultrafiolet to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal z zakresu od 400 nm. do 10 nm. Promieniowanie to dzieli się z kolei na ultrafiolet bliski o długościach fal z zakresu od 400 nm. do 190 nm i na ultrafiolet daleki - 190 nm. - 10 nm. Jest ono emitowane przez ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Już ciała o temperaturze 3000 K wysyłają pewne niewielkie ilości tego promieniowania, a im temperatura wyższa tym natężenie wzrasta. Głównym źródłem promieniowania ultrafioletowego jakie znamy jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000 K. Jednak w dzisiejszych czasach znamy już wiele urządzeń technicznych które także są w stanie emitować promieniowanie nadfioletowe. Przykładami takich urządzeń są różnego rodzaju lampy - lampy wyładowcze i tzw. kwarcówki. Ultrafiolet ma szeroki wpływ na organizmy żywe, ponieważ charakteryzuje się silnymi właściwościami fotochemicznymi. W przypadku promieniowania ultrafioletowego bliskiego o długości fal poniżej 300 nm., jest ono już zabójcze dla organizmów żywych ponieważ wywołuje jonizację w komórkach. Przed wpływem tego rodzaju promieniowania chroni nas naturalna warstwa ozonowa która pochłania ultrafiolet poniżej długości fali 290nm. Reszta zakresu ultrafioletu bliskiego, a także ultrafiolet daleki jest pochłaniana przez powietrze w atmosferze. Promieniowanie ultrafioletowe można także podzielić na 3 rodzaje ze względu na to jaki ma ono wpływ na skórę człowieka. Rozróżnia się tutaj ultrafiolet:

UV-A - 320-400 nm.

UV-B - 290-320 nm.

UV-C - 230-290 nm.

Jeśli chodzi o ultrafiolet o największych długościach fali, czyli UV-A, to nie jest on szkodliwy dla człowieka, jeśli jego dawki nie są przesadni duże. Co więcej wykorzystuje się ten zakres promieniowania w celach klinicznych w leczeniu różnych dolegliwości skóry jak np. łuszczycy. Jest on także wykorzystywany do pobudzania produkcji witaminy D u pacjentów którzy nie mogą jej normalnie przyjmować do organizmu. Ultrafiolet o nieco krótszych długościach fali, czyli UV-B, może już powodować zaczerwienie skóry i to on jest odpowiedzialny za opalanie się naszych ciał. Nie jest on groźny jeśli stosowany jest z umiarem, ale zbyt długie wystawianie się na jego działanie może doprowadzić do powstania pęcherzy na naszej skórze. Ultrafiolet o najmniejszej długości fali, czyli UV-C, jest już bardzo szkodliwy dla człowieka. Może on doprowadzić do powstania raka skóry. Normalnie to jest on zatrzymywany przez warstwę ozonową, jednak w miejscach gdzie warstwa ta w wyniku zanieczyszczenia powietrza została uszkodzona może on przenikać i dochodzić do powierzchni Ziemi. Poza tym promieniowanie ultrafioletowe jest oprócz tego, że jak już wspomniano wykorzystywane w medycynie, to także stosuje się je w farmacji, w badaniach chemicznych, czy przemyśle spożywczym. W ogólności to promieniowanie które dociera do powierzchni naszej planety nie jest raczej szkodliwe, w wywołuje tak pożądaną przez nas opaleniznę.

Promieniowanie widzialne.

Promieniowanie widzialne, określane też jako po prostu światło widzialne, to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fal z zakresu do 400 nm. do 700 nm. Promieniowanie w tych granicach rejestruje oko ludzkie, jednak niektóre organizmy żywe mogą rejestrować inny zakres, np. pszczoły rejestrują promieniowanie ultrafioletowe. Oko ludzkie najlepiej radzi sobie z środkiem zakresu długości fal, czyli ok., 550 nm, co odpowiada barwie żółto-zielonej. Najgorzej odbiera barwy pochodzące z granic tego zakresu. Nasze oko wyposażone jest w specjalne receptory, które położone są na siatkówce. Receptory te to tzw. pręciki, których jest 125 milionów i czopki Czopki komórki receptorowe siatkówki oka wrażliwe na światło barwne oraz światło białe o dużym natężeniu. Zawierają barwnik wzrokowy - jodopsynę. Jest ich około 7 milionów (np. w oku człowieka),... Czytaj dalej Słownik biologiczny - 6,5 miliona. Czopki odpowiedzialne są za rozróżnianie barw, gdy znajduje się w dobrze oświetlonym pomieszczeniu. Wyposażone są one w 3 rodzaje barwników, które charakteryzują się maksymalną czułością dla barw z obszaru czerwieni, oranżu i błękitu. W wyniku oddziaływania światła z tymi barwnikami, wysyłają one impulsy do mózgu gdzie następuje identyfikacja barwy. Dodatkowo czopki także są w stanie rejestrować natężenie światła - jego intensywność. Jak już wspomniano czopki rozróżniają barwy tylko w przypadku gdy otoczenie jest dobrze oświetlone. Gdy oświetlenie to jest niedostateczne, czopki przestają pracować, a uaktywniają się pręciki. Zadaniem pręcików jest rejestrowanie obiektów przy słabym natężeniu światła. Odbierają one wówczas obiekty jako jednobarwne. W skład pręcików wchodzi barwnik - radopsyna, która jest wysoce czuła na kolory niebieski i zielony, a w niewielkim stopniu na kolor czerwony. Dlatego też kolor czerwony w nocy odbieramy zupełnie podobnie jak kolor czarny. Tak więc jak widać czułość pręcików jest bardziej ukierunkowana na fale od długościach bliższych barwie fioletowej (patrz wykres poniżej).

Źródłami promieniowania widzialnego są ciała, których temperatura przewyższa 7000C. Promieniowanie jest wówczas emitowane na skutek wzbudzeń termicznych elektronów w atomach. Elektrony w wyniku przejść pomiędzy poziomami energetycznymi emitują fotony, które to są odbierane przez nasze oko ludzkie jako światło widzialne. Na tej zasadzie opiera się świecenie zwykłej żarówki. Istnieją także inne sposoby pobudzania substancji do świecenia. Jednym z takich sposobów jest zastosowanie prądu elektrycznego, który to przepuszcza się przez gaz, powodując jego świecenie. Na tej zasadzie opiera się działanie świetlówek. Są jeszcze inne źródła światła takie jak laser, czy luminoscencja, jednak w chwili obecnej nie będziemy się o tym więcej rozpisywać.

Promieniowanie podczerwone.

Promieniowanie podczerwone, określane także w skrócie jako podczerwień jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długościach fal z zakresu od 7*10-7m do 2*10-3m. Jest to promieniowanie które jest emitowane przez wszystkie ciała obdarzone temperaturą. Jego źródłem są wzbudzenia cieplne elektronów znajdujących się wewnątrz danej substancji. Im dana substancja ma niższą temperaturę, tym natężenie emitowanego promieniowania jest mniejsze i większa jest jego długość fali. Ciała, które mają temperaturę pokojową emitują promieniowanie o długości ok. 19 mm. Ciała które mają temperaturę ok. 4000C, praktycznie emitują tylko promieniowanie podczerwone. Nasza planeta Planeta ciało niebieskie, wirujące wokół własnej osi. Planeta świeci światłem odbitym od Słońca, wokół którego jednocześnie wykonuje ruch obiegowy w Układzie Słonecznym. Ostatnio przyjmuje się prawdopodobieństwo... Czytaj dalej Słownik geograficzny także emituje promieniowanie podczerwone, które jest zatrzymywane przez gazy znajdujące się w atmosferze. Zapobiega to nadmiernemu ochładzaniu się naszej planety. Jednak w chwili obecnej w wyniku nadmiernej emisji dwutlenku węgla do atmosfery, który silnie pochłania promieniowanie podczerwone, zbyt duża ilość tego promieniowania jest zatrzymywana, co przyczynia się do wzmocnienia efektu cieplarnianego. Promieniowanie podczerwone jest szeroko wykorzystywane w lecznictwie, w spektroskopii nad badaniami struktury żywych organizmów, a także do możliwości obserwacji otoczenia w ciemności - noktowizory. Używa się go także w diagnostyce medycznej, gdzie fotografując pacjenta w zakresie podczerwieni można określić miejsca, gdzie występują stany zapalne. Także podczerwień znalazła zastosowanie w kryminalistyce, czy w ekspertyzie dzieł sztuki. Dodatkowo promieniowanie podczerwone jest w znacznie mniejszym stopniu rozpraszane niż światło widzialne, przez co stosuje się je przy obserwacji obiektów przez mgłę, czy dym. Zdjęcia satelitarne, także głównie są wykonywane w zakresie podczerwieni.

Mikrofale.

Mikrofale to fale elektromagnetyczne, których długości fal należą do zakresu od 1 mm. do 30 cm. Jeśli chodzi o górną granicę tego zakresu, to takie fale można wytwarzać poprzez drgające obwody elektryczne, podobnie jak fale radiowe. Dlatego też fale o takich długościach zalicza się raczej do fal radiowych. Jednak istnieją także inne sposoby wytwarzania mikrofal. Jednym z nich jest użycie tzw. lamp mikrofalowych. Lampy takie składają się z 2 elektrod, które dodatkowo znajdują się w polu magnetycznym. W ten sposób elektrony znajdujące się pomiędzy elektrodami krążą po spiralach i w wyniku strat energii emitują promieniowanie mikrofalowe. Wraz z rozwojem techniki powstawały coraz to nowsze źródła promieniowania mikrofalowego. W dzisiejszych czasach powszechnie do tego celu wykorzystuje się półprzewodniki. Urządzeniami które wykorzystują je do produkcji mikrofal są: diody lawinowe, generator Gunna, czy zwykłe tranzystory bipolarne i polowe. Promieniowanie mikrofalowe znalazło także ogromne zastosowanie w różnego rodzaju gałęziach przemysłu i techniki. Jest ono wykorzystywane do radiolokacji, tak jak to dzieje się w przypadku radarów. Bardziej powszechnym zastosowaniem są kuchenki mikrofalowe. Obecnie wykorzystuje się je nawet w zagadnieniach związanych z monitorowaniem stanu zapór wodnych, czy wykrywaniem trzęsień Ziemi.

Fale radiowe.

Fale radiowe to promieniowanie elektromagnetyczne, którego długości fal są większe niż 0,1 mm. Dzieli się je na kilka rodzajów ze względu na zakres częstotliwości. Fale radiowe powstają w wyniku działania elektrycznych obwodów drgających, które to swoją energię przekazują antenie, która z kolei wysyła fale radiowe w przestrzeń. Fale radiowe można także podzielić na kilka rodzajów, ze względu na to w jakim środowisku się one rozchodzą. I tak mamy do czynienia z falami przyziemnymi, falami troposferycznymi, falami jonosferycznymi i falami kosmicznymi. Jak wiemy, fale podlegają także działaniu wszelkich zjawisk dla nich charakterystycznych. I w zależności od tego jaka jest długość danej fali, może ona podlegać działaniu dyfrakcji, interferencji, odbiciu, czy załamaniu na granicy dwóch ośrodków. Bardzo duży wpływ na propagację i rejestrację fal radiowy Radiowy odnoszący się do radia, związany z radiem; nadawany przez radio, przekazywany za pomocą fal radiowych; fale r. - fale elektromagnetyczne o długości od 0,1 mm do 100 km, wykorzystywane w radiofonii;... Czytaj dalej Słownik wyrazów obcych ma jonosfera, czyli górna warstwa atmosfery. Warstwa ta jak sama nazwa wskazuje jest poddawana nieustannemu procesowi jonizacji, które wywołuje w niej przychodzące z przestrzeni kosmicznej promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie. Dodatkowo jonosferę można także podzielić na kilka innych warstw (patrz rysunek obok). Jak widać na rysunku mamy do czynienia z 4 warstwami jonosfery: D, E, F1, F2. Różnego rodzaju fale, czyli fale o różnych częstotliwościach, będą inaczej zachowywały się po dotarciu do granic określonych warstw. Poszczególne rodzaje fal oznaczono na rysunku w następujący sposób:

2, 3 - fale długie

4 - fale średnie

1, 5 - fale krótkie

6 - fale ultrakrótkie i mikrofale.

Jak widać z rysunku jedynie fale ultrakrótkie i mikrofale są w stanie opuścić atmosferę naszej planety i to właśnie one są rejestrowane przez wszelkiego rodzaju satelity komunikacyjne.

Fale mechaniczne

W odróżnieniu od fal elektromagnetycznych, które mogły się propagować nawet w próżni, fale mechaniczne wymagają ośrodka do rozprzestrzeniania się. W gruncie rzeczy, są to właśnie zaburzenia tego ośrodka, polegające na okresowych zmianach położenia punktów tego ośrodka. I tak, przykładami fal mechanicznych mogą być fale akustyczne, morskie, czy sejsmiczne.

Fale akustyczne

Fale te propagują się we wszystkich ośrodkach materialnych i są falami podłużnymi. Fale te są okresowymi zmianami ciśnienia tego ośrodka. Prędkość fali akustycznej zależy bezpośrednio od rodzaju ośrodka, w jakim się one rozchodzą, a w przypadku ośrodków anizotropowych także od kierunku ich propagacji. W przypadku powietrza o temperaturze 200C, prędkość ta wynosi 340 m/s i jest krótko nazywana prędkością dźwięku. W przypadku wody prędkość ta jest większa i wynosi 1500 m/s, a jeśli chodzi o ciała stałe to wynosi ona nawet kilka tysięcy m/s. Fale akustyczne można także podzielić na kilka rodzajów ze względu na wartość częstotliwości. I tak rozróżniamy tzw. ultradźwięki, infradźwięki, hiperdźwięki i zwykłe dźwięki.

Fale sejsmiczne

Są to fale, które rozchodzą się w Ziemi. Jest to rodzaj Rodzaj jednostka systematyczna - jedna z kategorii w systemie klasyfikacji roślin i zwierząt, wyższa od gatunku, a niższa od rodziny, np. rodzaj szczur obejmuje gatunki: szczur śniady, szczur wędrowny; rodzaj... Czytaj dalej Słownik biologiczny fal sprężystych, które powstają jako skutek aktywności sejsmicznej naszej planety, ale także jako wynik przeprowadzanych przez człowieka eksplozji. Fale sejsmiczne dzielimy na fale objętościowe i powierzchniowe. Fale objętościowe, jak sama nazwa wskazuje rozchodzą się we wnętrzu Ziemi. Natomiast fale powierzchniowe, jak nie trudno się domyślić, rozchodzą się na powierzchni naszej planety. Z kolei fale objętościowe możemy podzielić na fale objętościowe podłużne P - primae i poprzeczne S - secundae. W czasie trzęsienia Ziemi, kiedy dokonywany jest pomiar jego siły, to do urządzeń pomiarów zawsze najpierw dociera fala objętościowa poprzeczna P, a dopiero po niej podłużna S. Tak jak wszystkie fale także i te doznają odbicia i załamania na granicy dwóch ośrodków. Ich prędkości propagacji ściśle zależą od własności ośrodka, od tego jak bardzo jest ono sprężysty. Dlatego też prędkość fal P i S, zmienia się wraz z głębokością, na której się rozchodzą. W kierunku poziomym te zmiany raczej są niewielkie. Fale S, jako że są to fale poprzeczne, nie są one w stanie rozchodzić się w płynnym jądrze Ziemi. Jeśli chodzi o fale powierzchniowe to charakteryzują się one znacznie większymi amplitudami niż fale objętościowe. Jednak nie mogą one wnikać na duże głębokości, ponieważ amplituda ich drgań maleje w sposób wykładniczy wraz ze wzrostem głębokości. W przypadku wystąpienia trzęsienia Ziemi, największe zniszczenia powodują fale powierzchniowe oraz fale objętościowe S. W czasie trzęsienia za pomocą odpowiednich sejsmografów i akcelerografów dokonuje się analizy powstałych fal sejsmicznych, co z kolei dostarcza naukowcom wielu cennych informacji na temat budowy wewnętrznej naszej planety.

Fale morskie.

Fale morskie są to fale jakie powstają w morzach i oceanach. Fale te także możemy podzielić na dwa rodzaje, fale powierzchniowe i fale objętościowe. Falowanie Falowanie złożone, rytmiczne ruchy wody w zbiornikach wodnych (jeziorach, morzach, oceanach). Wywołane działaniem wiatru (tarciem wiatru o powierzchnię wody), zmianami ciśnienia atmosferycznego, trzęsieniem Ziemi,... Czytaj dalej Słownik geograficzny wody wynika z oscylacyjnego ruchu cząstek wody. Fale powierzchniowe można podzielić na kilka rodzajów ze względu na to jaka siła wywołuje ich powstanie. Rozróżniamy fale:

- wiatrowe

- pływowe

- baryczne

- sejsmiczne

- okrętowe

Fale morskie, wiatrowe powstają w wyniku działania wiatru na powierzchnię wody. Gdy wiatr zaczyna wiać, początkowo na powierzchni wody tworzą się niewielkie fale, przypominające raczej zmarszczki, określa się je mianem fal kapilarnych. W miarę upływu czasu fale te zaczynają wzrastać i powstają tzw. fale grawitacyjne. Gdy wiatr wieje z prędkością 6 - 7 m/s na grzbietach fal zaczyna pojawiać się piana. W miarę jak wzrasta prędkość wiatru fale wzrastają i szybciej się poruszają. Gdy wiatr dochodzi do prędkości 20 m/s na morzu powstaje sztorm, w czasie którego fale przelewają się przez siebie, a ich wysokość może osiągać kilka metrów (znane są przypadki fal wiatrowych o wysokościach 16-17 m.). Gdy po okresie działania tak silnego wiatru przychodzi czas gdy wiatr się uspokaja, także fale zaczynają opadać i przechodzą do spokojnego kołysającego ruchu.

Fale morskie pływowe są związane z grawitacyjnym oddziaływaniem wód i Księżyca, oraz Słońca.

Fale morskie baryczne powstają w wyniku zmian ciśnienia powietrza atmosferycznego, które znajduje się na powierzchnią danego zbiornika wodnego.

Fale morskie sejsmiczne powstają w wyniku wystąpienia trzęsienia ziemi, lub wybuchu wulkanu. Fale tak powstałe mogą przyjmować olbrzymie rozmiary i być bardzo niebezpieczne dla człowieka.

Fale morskie okrętowe powstają gdy po powierzchni wody przepływa określone ciało.

Bez względu na to w jaki sposób fala powstała, zawsze zachowuje się ona tak samo, gdy dochodzi do brzegu. Gdy dociera ona do miejsc płytki ulega pewnym deformacjom. W czasie zbliżania się fali do brzegu wzrasta tarcie cząstek wody o dno, co prowadzi do zmniejszenia jej prędkości i długości fali. Jednocześnie temu towarzyszy wzrost wysokości fali, co może prowadzić do tzw. łamania fali.

Jeśli chodzi o fale morskie wewnętrzne to powstają one wewnątrz masy wodnej mórz i oceanów i występują w miejscach rozdzielających dwie warstwy wody o różnej temperaturze, czy gęstości.

Odbicie fali na granicy dwóch ośrodków

Do opisu odbicia fal świetnie nadają się prawa optyki geometrycznej które to określają kierunek w jakim będzie się fala poruszała po odbiciu na granicy dwóch ośrodków. I tak definiuje się tzw. kąt odbicia:

Kąt odbicia - jest to kąt jaki tworzy kierunek rozchodzenia się fali padającej z prostą prostopadłą do powierzchni od której fala się odbiła.

Podstawowe prawo odbicia mówi o tym, że kąt padania jest równy kątowi odbicia. (patrz rysunek obok).

Aby wytłumaczyć skąd się to prawo bierze i jak można w prosty sposób opisać odbicie się fali stosuje się zasadę Huyghensa - Fresnela. Zasada ta mówi, że każdy punkt do którego dotarła dana fala, staje się źródłem nowej fali. Jeśli tak powstałe fale obrysujemy teraz odpowiednio obwiednią to dostaniemy wypadkowy kierunek wzdłuż którego fala będzie się rozchodzić po odbiciu. Oczywiście w tym przypadku nie rozpatruje się obwiedni wstecznej. Zasadę tą także wykorzystuje się do wyjaśnienia i opisu wszelkich zjawisk związanych z dyfrakcją fali.

Odbicie światła.

O odbiciu światła mówi gdy promienie świetlne zmieniają swój kierunek rozchodzenia się na skutek trafienia na granicę dwóch ośrodków. Ilość odbitego światła zależy przede wszystkim od rodzaju tych ośrodków.

W przypadku gdy powierzchnia na którą pada światła jest w przybliżeniu pozbawiona większych nierówności, odbicie światła opisuje prawo Sneliusa: kąt odbicia jest równy kątowi padania. Po odbiciu światło nadal pozostaje w tym samym ośrodku w którym padało na powierzchnię. Najlepszym przykładem odbicia światła jest odbijanie się obrazu w lustrze. Lustro działa w ten sposób, tylko dlatego, że prawie cała ilość światła na nie padające jest od niego odbijana. Odbicie światła może prowadzić do zmiany jego fazy padającej fali elektromagnetycznej, amplitudy a nawet do jej polaryzacji.

Załamanie światła

W przypadku załamania światła mamy do czynienia z przejściem światła z jednego ośrodka do drugiego. W tym wypadku także następuje zmiana kierunku rozchodzenia się promieni świetlnych. (patrz rysunek obok). To pod jakim kątem załamie się padająca fala na granicy dwóch ośrodków zależy od ich współczynników załamania. Kąt załamania określa prawo Sneliusa:

, gdzie n2 i n1 oznaczają współczynniki załamania odpowiednio w ośrodku drugim i pierwszym. Współczynnik załamania jest wielkością charakteryzująca dany ośrodek.

Określa on między innymi z jaką prędkością będzie poruszać się światło w tymże ośrodku. Załamanie światła prowadzi często do różnych efektów optycznych, na poniższym rysunku przedstawiono jeden z nich:

Załamanie światła to podstawowe zjawisko w optyce. Jest ono wykorzystywane w wszelkiego rodzaju urządzeniach optycznych, takich jak lupa, mikroskop, czy proste okulary. W przypadku lupy, jest ona zbudowana z soczewki, która ma tą zdolność, że w wyniku załamania promieni świetlnych przez nią przechodzących, skupia je w jednym punkcie, tzw. ognisku.

Możemy rozróżnić dwa typy załamania, w zależność od tego czy padająca fala znajduje się w ośrodku optycznie gęstszym od ośrodka w którym propagować się będzie fala załamana, czy też na odwrót. Sytuację tą ilustrują poniższe rysunki:

Załamanie do normalnej

W tym przypadku mamy do czynienia z taką sytuacją, że załamanie następuje przy przejściu światła z ośrodka optycznie rzadszego do ośrodka optycznie gęstszego (np. z powietrza do wody)

n12

a że:

to z tego wynika:

α>β

Załamanie od normalnej

W tym przypadku mamy do czynienia z taką sytuacją, że załamanie następuje przy przejściu światła z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego (np. ze szkła do powietrza)

n1>n2

a że:

to z tego wynika:

α<β

Soczewki i zwierciadła

Soczewki

Soczewki to bryły szkła ograniczone z dwóch stron powierzchniami o kształcie kulistym (wklęsłym albo wypukłym) lub płaskim. Soczewki można podzielić na kilka rodzajów ze

względu na to jakie powierzchnie je ograniczające:

A. Soczewka dwuwypukła

B. Soczewka płasko - wypukła

C. Soczewka wklęsło - wypukła

D. Soczewka dwuwklęsła

E. Soczewka płasko - wklęsła

F. Soczewka wypukło - wklęsła

Ogólnie przyjmuje się że to soczewka jest takiego typu, jaki jest drugi człon jej nazwy. Tak więc w tej konwencji soczewki A, B, C są soczewkami wypukłymi, natomiast soczewki D, E i F soczewkami wklęsłymi. Innymi rodzajem podziału soczewek jest ten który rozróżnia to w jaki sposób światło przechodzi przez takie soczewki. I tak rozróżniamy dwa typy: soczewki skupiające i soczewki rozpraszające. W przypadku soczewki skupiającej promienie świetlne po przejściu przez nią ulegają skupieniu w jednym punkcie za soczewką, w tzw. ognisku. Jeśli chodzi o soczewki rozpraszające to jak sama nazwa wskazuje, nie skupiają one wiązki światła, a prowadzą do odwrotnego efektu. Wiązka światła która przechodzi przez taką soczewkę ulega rozproszeniu, z tym że przedłużenia promieni rozproszonych zbiegają się w jednym punkcie, także w ognisku.

Soczewka skupiająca

O tym czy dana soczewka jest soczewką rozpraszającą, czy skupiająca decyduje głównie kształt powierzchni ją ograniczających. Ale niekiedy ważnym tutaj czynnikiem jest także materiał z którego wykonana jest soczewka.

Jak już wspomnieliśmy ognisko jest punktem w którym zbierają się wszystkie promienie po przejściu przez soczewkę, lub przedłużenia tych promieni. Istnieją jeszcze inne parametry które wykorzystuje się do opisu soczewki. Wyróżniamy min. oś optyczną soczewki, która to jest linią łączącą środek soczewki z ogniskiem. A natomiast odległość ogniska od środka soczewki to tzw. ogniskowa. Obok, na rysunku przedstawiono bieg promieni słonecznych po przejściu przez soczewkę. Gdy światło wychodzi z ogniska, promienie świetlne po przejściu przez soczewkę stają się do siebie równoległe - powstają wiązka światła. Gdy natomiast taka wiązka równoległych promieni świetlnych pada na soczewkę zostaje ona skupiona w ognisku.

Daną soczewkę można także scharakteryzować podając jej równania - tzw. równanie soczewki, które wyraża się w następujący sposób:

gdzie f oznacza ogniskową soczewki, x odległość przedmiotu od środka soczewki, a y oznacza odległość od soczewki w jakiej powstał obraz.

Przyjrzyjmy się teraz w jaki sposób powstają obrazy tworzone przez soczewki. Soczewki mogą tworzyć obrazy zarówno rzeczywiste, jak i pozorne. Ogólnie można powiedzieć, że obrazy rzeczywiste powstają gdy dany przedmiot znajduje się w odległości większej niż ogniskowa. W takich przypadkach obraz Obraz W najogólniejszym znaczeniu: świat przedstawiony w utworze literackim jako odzwierciedlenie jakiejś rzeczywistości zewnętrznej, np. obraz XIX-wiecznej Warszawy w Lalce B. Prusa. Takie pojmowanie kategorii... Czytaj dalej Słownik terminów literackich zawsze powstaje za soczewką (tzn. z przeciwnej strony niż znajduje się przedmiot), a można go zaobserwować ustawiają za soczewką ekran. Dodatkowo taki obraz jest zawsze odwrócony. Jeśli ekran umieścimy w odległości mniejszej niż ogniskowa, to zaobserwujemy pomniejszony obraz przedmiotu, jeśli jednak odległość ta będzie większa niż ogniskowa, obraz przedmiotu będzie powiększony.

Na skutek tego, że dzięki soczewkom można dokonać powiększenia obserwowanego przedmiotu, znalazły one szerokie zastosowanie we wszelkiego rodzaju urządzeniach obserwacyjnych. Wykorzystuje się je min. w:

- lupach

- mikroskopach

- lornetkach

- teleskopach

Natomiast dzięki temu, że potrafią one skupiać promienie słoneczne w określonym miejscu, stosuje się je w narzędziach poprawiających wzrok:

- okulary lecznicze

- szkła kontaktowe

A także w różnego rodzaju urządzeniach rejestrujących obrazy, czyli aparatach fotograficznych, czy kamerach.

Jednak soczewki nie są pozbawione wad. Pomijając już sam fakt niedoskonałości wynikających z produkcji danej soczewki istnieją różnego rodzaju problemy natury fizycznej. Jednym z nich jest to, że światło białe jest tak naprawdę zbiorem fal elektromagnetycznych o długościach od 400 nm do 700 nm., a jak już wiemy fale o różnych długościach fali rozchodzą się z różnymi prędkościami w danym ośrodku. Dlatego też nie każda składowa światła białego będzie się tak samo załamywała jak pozostałe. Ten oraz jeszcze inne problemy prowadzą do występowania następujących wad soczewek:

- aberracja chromatyczna (związana z różnymi długościami fal składowych światła białego)

- aberracja sferyczna (związana z różnym załamywaniem się promieni świetlnych w zależności od odległości od środka soczewki)

- koma

- astygmatyzm

- dystorsja

Wady te można eliminować poprzez stosowanie bardziej skomplikowanych układów soczewek.

Zwierciadła.

Zwierciadła to elementy optyczne, których zasada działania opiera się na zjawisku odbicia światła. Wykorzystywane są one obecnie jako ważne elementy składowe wielu urządzeń, min:

- teleskopy optyczne

- interferometry

- rezonatory optyczne

i wiele innych.

Zwierciadła są charakteryzowane przez ich właściwości optyczne, które z kolei ściśle zależą od ich parametrów fizycznych takich jak kształt powierzchni, jej gładkość, czy wielkość. Najbardziej doskonałe zwierciadła, czyli takie które charakteryzują się najwyższą gładkością, stosowane są w teleskopach optycznych.

Najprostszym zwierciadłem jest tafla wody. Jeśli spojrzymy na jezioro Jezioro śródlądowy zbiornik wody, niepodlegającej swobodnej wymianie z wodami mórz, wypełniający zagłębienie terenu zwane misą jeziorną. Klasyfikacje jezior analizuje się na podstawie cech hydrologicznych (j.... Czytaj dalej Słownik geograficzny przy bezwietrznej pogodzie to zauważymy iż doskonale odzwierciedla ono obraz otoczenia w jakim się znajduje. My sami jeśli spojrzymy na taką powierzchnię wody, dostrzeżemy własne odbicie. Praktycznie każdy człowiek codziennie spotyka się ze zwierciadłami, ponieważ są one wykorzystywane do oceny naszego wyglądu. Pierwsze takie zwierciadła - lustra pojawiły się 3000 lat p. n. e. w Egipcie i Mezopotami. Wówczas były one wytwarzane w wyniku polerowania srebra lub brązu. Dodatkowo były one wspaniale ozdabiane różnego rodzaju ramami, czy rączkami wykonanymi z kości słoniowej, lub innego kosztownego materiału.

Zwierciadła zasadniczo dzielimy na dwa rodzaje ze względu na to jaki mają one kształt. Wyróżniamy zwierciadła płaskie i kuliste.

Zwierciadła płaskie

Choć może to nie jest takie oczywiste to każde ciało odbija światło. Dzięki temu jesteśmy w stanie zobaczyć obiekty otaczające nas, ponieważ odbite fotony docierają do naszego oka i dają sygnał do naszego mózgu, o tym skąd dochodzą i jaką informację ze sobą niosą. Jednak większość ciał ma powierzchnie nieregularne, przez co rozprasza odbite światło. W ten sposób nie możemy przejrzeć się w kawałku deski. Aby doprowadzić do odbicia światła bez jego rozproszenia należy użyć powierzchni wystarczająco gładkiej, tak jak to jest w przypadku lustra. Lustro odbija światło, które z kolei zostało odbite od jakiegoś przedmiotu, w wyniku obserwujemy obraz tego przedmiotu w lustrze. Naszym oczom wydaje się, że źródło tego obrazu znajduje się za lustrem, dlatego też taki obraz nazywamy obrazem pozornym. Aby to dokładniej wyjaśnić, na rysunku obok został przedstawiony punktu S reprezentujący pewien przedmiot. Światło odbite od tego przedmiotu dociera do lustra (promienie A1, A2 i A3) a następnie zostaje od niego odbite w punktach p1, p2 i p3. W wyniku tego do naszego oka docierają promienie B1, B2 i B3. Jednak nasze oko nie może stwierdzić skąd dochodziło światło przed odbiciem, dlatego też lokalizuje reprezentuje ono przedmiot na przedłużeniu promieni odbitych - w punkcie S1. W wyniku tej operacji wydaje się nam, że oglądany obraz znajduje się za lustrem.

Zwierciadło płaskie charakteryzuje się następującymi cechami:

- obraz powstały znajduje się w tej samej odległości od zwierciadła, co przedmiot

- zarówno obraz jak i przedmiot są tej samej wielkości

- powstały obraz jest symetrycznym odzwierciedleniem przedmiotu

- powstały obraz jest obrazem pozornym

Zwierciadło kuliste

W przypadku zwierciadła kulistego mamy do czynienia z powierzchnią odbijającą o kształcie sferycznym. W tym wypadku promienie świetlne padające na powierzchnię zwierciadła są skupiane w jego ognisku. Tu, podobnie jak w przypadku soczewek możemy określić główną oś optyczną i ogniskową zwierciadła. Ze względu na kształt powierzchni, możemy podzielić zwierciadła na dwa rodzaje: zwierciadła kuliste wypukłe i zwierciadła kuliste wklęsłe.

Zwierciadło kuliste wypukłe

W przypadku takie zwierciadła powierzchnią odbijającą jest zewnętrzna powierzchnia kulista. Padająca wiązka równoległych promieni, zostaje rozproszona na takiej powierzchni. Natomiast przedłużenia tak odbitych promieni skupiają się w jednym punkcie, w tzw. pozornym ognisku zwierciadła. W związku z czym obraz powstały w takim zwierciadle jest obrazem prostym pomniejszonym i pozornym.

Zwierciadło kuliste wklęsłe

W tym wypadku powierzchnią odbijającą jest wewnętrzna strona kuli. Gdy na taką powierzchnię pada wiązka równoległych promieni, to zostają one skupione w jednym miejscu, w ognisku zwierciadła. W takim zwierciadle możemy uzyskać różne rodzaje obrazów w zależności od tego w jakiej odległości od ogniska znajduje się przedmiot.

Obrazy powstające w zwierciadłach kulistych

Podobnie jak to jest w przypadku soczewek także zwierciadła mogą tworzyć obrazy rzeczywiste i pozorne. Obraz rzeczywisty powstanie w przypadku gdy dany przedmiot umieścimy w odległości większej niż ogniskowa zwierciadła. Aby zaobserwować tak powstały obraz, na głównej osi optycznej musimy umieścić ekran. Powstały obraz rzeczywisty jest obrazem odwróconym.

Obraz rzeczywisty odwrócony, normalny

Obraz rzeczywisty odwrócony pomniejszony

Jeśli natomiast obraz zostanie umieszczony w odległości od zwierciadła mniejszej niż ogniskowa, to powstały obraz będzie obrazem pozornym. Do obserwacji takiego obrazu nie jest wymagany żaden ekran ponieważ można go zobaczyć patrząc bezpośrednio na zwierciadło. Tak powstały obraz jest prosty. Jeśli natomiast umieścimy przedmiot dokładnie w ognisku to nie powstanie żaden obraz.

Obraz pozorny, prosty, powiększony.

Także podobnie jak to było w przypadku soczewek, także zwierciadła możemy opisać za pomocą równania zwierciadła, które jest identyczne jak to dla soczewki:

gdzie f oznacza ogniskową soczewki, x odległość przedmiotu od środka soczewki, a y oznacza odległość od soczewki w jakiej powstał obraz. Jedyną różnicą tutaj jest to, że w przypadku zwierciadła kulistego wypukłego f<0, a w przypadku zwierciadła kulistego wklęsłego f>0.

Urządzenia wykorzystujące soczewki i zwierciadła.

Lupa - jest to nic innego jak soczewka, której ogniskowa jest stosunkowo krótka. Jeśli chodzi o komplikacje budowy, jest to najprostszy przyrząd optyczny jaki można sobie wyobrazić. Oprócz tego, że składa się z soczewki, to wyposażona jest jeszcze w uchwyt umożliwiający jej odpowiednie trzymanie. Soczewka zastosowana jest typu skupiającego, powoduje powstanie pozornego, powiększonego, prostego obrazu obserwowanego przedmiotu. Dla lepszego efektu oglądany przedmiot powinien znajdować się w bliskiej odległości od lupy. W praktyce największe powiększenie oferowane przez lupy jest 10 krotne.

Mikroskop - w przypadku lupy możliwości powiększenia obrazu są raczej niewielkie. Jeśli jednak potrzebujemy obejrzeć dokładnie bardzo małe przedmioty, czy substancje, to idealnym do tego narzędziem jest mikroskop. Dzięki niemu można dostrzec rzeczy, które gołym okiem są niewidoczne. Historia mikroskopu sięga roku 1600, kiedy to został on po raz pierwszy skonstruowany przez holenderskiego optyka van Jansena. Wówczas był to dosyć prosty przyrząd, a w zasadzie tak trochę lepsza lupa, pozwalająca na oglądanie bakterii, czy jaj owadów. Mikroskop Mikroskop przyrząd optyczny służący do oglądania przedmiotów o bardzo małych rozmiarach, niedostrzegalnych gołym okiem. Rodzaje mikroskopów: kontrastowo-fazowy, polaryzacyjny, interferencyjny, elektronowy... Czytaj dalej Słownik biologiczny o konstrukcji podobnej do dzisiejszych mikroskopów powstał w 1665 roku i skonstruowała go Robert Robert J. Andrzejewski Bramy raju, bohater drugoplanowy; syn młynarza z Cloyes, zakochany bez wzajemności w Maud
Wygląd: Był "silny i skupiony, cały był spokojem i to, co mówił, też było spokojem...
Czytaj dalej Słownik bohaterów literackich - liceum
Hook - angielski fizyk. Mikroskop ten składał się z dwóch systemów optycznych - okularu i obiektywu. Układ ten jako całość działał jak bardzo silna lupa. Dzięki tak skonstruowanemu urządzeniu Hook mógł prowadzić dokładne badania nad budową komórek roślinnych i ludzkich. W dzisiejszych czasach konstruowane mikroskopy optyczne pozwalają powiększać obrazy do 1800 razy. Obraz w mikroskopie powstaje w następujący sposób: preparat który jest obserwowany zostaje oświetlony przez światło odbite od lusterka; w pobliżu preparatu znajduje się obiektyw układ soczewek, który daje obraz preparatu w pobliżu okularu - kolejnego układu soczewek; okular dodatkowo powiększa powstały obraz preparatu.

Głównymi elementami mikroskopu są:

- obiektyw - jest to element zbudowany z soczewki, której ogniskowa wynosi kilka milimetrów. Soczewka ta powoduje powstanie we wnętrzu mikroskopu silnie powiększonego obrazu preparatu. Obecne mikroskopy najczęściej wyposażone są w wiele obiektywów.

- okular - jest to układ kilku soczewek, służy do obserwacji obrazu wytworzonego przez obiektyw. Obraz ten jest także powiększany, przez co obraz preparatu ulega jeszcze silniejszemu powiększeniu. Okulary najczęściej w obecnych mikroskopach można wymieniać.

- soczewka polowa - bardzo często w mikroskopach w miejscu powstania obrazu wytworzonego przez obiektyw wstawia się soczewkę polową. Jej zadaniem jest skupianie promieni biegnących od obiektywu, tak aby dawały odpowiedni obraz na okularze.

- lusterko - służy do dobrego oświetlenia preparatu, odbija światło pochodzące od lampy, lub okna.

- kondensator - układ soczewek, które mają na celu skupianie światła pochodzące od lusterka, w celu lepszego oświetlenia preparatu.

Aparat fotograficzny - urządzenie wykorzystywane do zapisywania obrazów w kolorze, lub odcieniach szarości. Obrazy te rejestrowane są na tzw. błonie fotograficznej. Historia aparatu fotograficznego sięga roku 1939, kiedy to 7 stycznia w czasie posiedzenia Akademii Francuskiej zaprezentowano pierwszą technikę fotograficzną - dagerotypię. Głównymi elementami z jakich zbudowany jest aparat fotograficzny Fotograficzny związany z fotografią, fotografowaniem, całkowicie zgodny z oryginałem, odtworzony dokładnie. Czytaj dalej Słownik wyrazów obcych są: obiektyw, przesłona, migawka, celownik, system wymiany materiału światłoczułego. W nowszych aparatach fotograficznych możemy dodatkowo spotkać dalmierz, światłomierz, licznik wykonanych fotografii, wizjer, czy lampę błyskową, oraz szereg innych usprawnień. Przyjrzyjmy się po kolei tym elementom:

- Obiektyw - jest to najważniejszy element aparatu fotograficznego. Jest on wbudowany w nieprzepuszczającą światło obudowę urządzenia. Zbudowany jest najczęściej z kilku soczewek, które jako całość działaj tak jak soczewka skupiająca. W wyniku działania obiektywu, obraz który chcemy uwiecznić jest skupiany na błonie fotograficznej. Obraz tak powstały jest pomniejszony i odwrócony.

- Przesłona - jest to element, który ma na celu regulację ilości światła jaka pada na obiektyw. Przesłona jest zbudowana z wielu metalowych blaszek, których układ umożliwia zmianę średnicy przesłony - wielkość apertury. Dzięki czemu można regulować ilość światła jaka przechodzi do obiektywu. Maksymalna wielkość apertury powoduje wpuszczenie maksymalnej ilości światła do wnętrza aparatu fotograficznego.

- Migawka - jest to mechaniczny, lub elektroniczny system określający jak długo powinna być otwarta droga na światło, czyli jak długo powinna być naświetlana klisza fotograficzna.

- Celownik - to element usprawniający wykonywanie zdjęć, bowiem umożliwia on obserwację obrazu który chcemy sfotografować.

Opisując działanie aparatu fotograficznego, można je przedstawić w ten sposób, że migawka otwiera drogę światłu na określony czas, światło to po przejściu przez przesłonę (która dodatkowo ogranicza jego ilość) pada na obiekty, gdzie następnie jest skupiana na materiale światłoczułym (klisza fotograficzna) powodując w ten sposób jego naświetlenia.

Luneta - w odróżnieniu od mikroskopu, który pozwalał na obserwację obiektów znajdujących się w bardzo bliskiej odległości, to luneta pozwala na obserwację obiektów znajdujących się w znacznej odległości. Luneta wygląda ja długa rurka, a jej głównymi jej elementami, podobnie jak w mikroskopie, są także obiektyw i okular. Umieszczone są one na wspólnej osi, biegnącej wzdłuż rurki i znajdują się na przeciwległych jej końcach. Długość rury, a także soczewki obiektywu i okularu są tak dobrane, aby obraz skupiany przez obiekty znajdował się w ognisku okularu. Tak więc luneta jest typem układu bezogniskowego, a to znaczy tyle, że w przypadku równoległej wiązki światła wchodzącej do obiektywu, to wychodzi ona z okularu, także jako równoległa wiązka. Luneta nie jest układem optycznym, który powoduje powstanie powiększonego obrazu obserwowanego przedmiotu. Jej działanie opiera się na zwiększeniu kąta pod jakim obserwujemy przedmiot. Efektem tego zabiegu jest to, że wydaje się nam, iż dany obiekt jest znacznie bliżej. Do końca nie wiadomo kto tak naprawdę jako pierwszy skonstruował lunetę. Sądzi się iż był to XII wynalazek angielskiego filozofa Rogera Bacona, ale bardziej prawdopodobnym jest fakt iż jako pierwsi dokonali tego arabscy uczeni.

Rozróżnia się dwa typy lunet

- luneta Keplera - określana także jako luneta astronomiczna, została po raz pierwszy opisana przez Keplerea w 1611 roku. Dzięki niej można prowadzić obserwacje gwiazd, planet, czy innych ciała niebieskich. Jest zbudowana z dwóch soczewek, które pełnią rolę obiektywu i okularu. Obiektyw skupia promienie świetlne pochodzące od odległego obiektu. Skupia je w miejscu ogniska soczewki okularu, przez co tak powstały obraz jest obserwowany przez okular. Pomiędzy obiektyw, a okular wstawia się także dodatkową soczewkę - soczewkę polową, której zadaniem jest kierowaniem promieni świetlnych na okular, przez co osiąga się jeszcze lepsze kątowe powiększenie obrazu. Jeśli zastosujemy obiektyw o większej ogniskowej to osiągniemy większe powiększenie kątowe obrazu, czyli im dłuższa luneta, tym bardziej odległe obiekty możemy oglądać. Luneta astronomiczna jest obecnie szeroko wykorzystywana do prostych obserwacji nieba.

- luneta Galileusza - jest to luneta, której konstrukcje wymyślił Galileusz. Skonstruował ją po to aby móc prowadzić dokładniejsze badania nieba. W tym typie lunety głównymi elementami są także dwie soczewki. Jednak jedna z nich jest soczewką skupiającą, a druga rozpraszającą. W wyniku takiego układu, powstały obraz obiektu, jest obrazem powiększonym i prostym. Dzięki swemu urządzeniu Galileusz dokonał wielu rewolucyjnych odkryć w astronomii, min. dostrzegł, iż Słońce podobnie jak Ziemia także obraca się wokół własnej osi. Zasada budowy lunety Galileusza znalazła obecnie zastosowanie w lornetkach operowych, gdzie wykorzystuje się dwie takie lunety.

Teleskop - jest to urządzenie, który wykorzystywane jest do dokładnych obserwacji ciał niebieskich. Służy do skupiania promieni świetlnych pochodzących od bardzo odległych obiektów, tak aby otrzymać ich rzeczywisty obraz. Są dwa rodzaje teleskopów: reflektory i refraktory. Reflektory to teleskopy tzw. zwierciadłowe, w których do skupiania wiązki promieni świetlnych wykorzystuje się zwierciadła wklęsłe. Refraktory to teleskopy tzw. soczewkowe, w których skupianie wiązki światła uzyskuje się dzięki zastosowaniu soczewki skupiającej. Budowa teleskopu soczewkowa jest identyczna jak lunety Galileusza. W teleskopie zwierciadlanym natomiast, wiązka promieni świetlnych jest kierowana na zwierciadło wklęsłe, a następnie skupiana w ognisku. W ognisku może znajdować się już układ rejestrujący obraz, ale także może się znajdować tam dodatkowe lusterko wyprowadzające światło poza obszar zwierciadła. Obecnie stosowane teleskopy zwierciadlane posiadają zwierciadła o średnicy kilku - kilkunastu metrów, których waga może wynosić kilkaset ton.

Projektoskop - jest to urządzenie którego zasada działania jest bardzo podobna do zwykłego projektora wyświetlającego na ekranie obraz z przeźroczy. Jednak w tym przypadku nie stosuje się małych slajdów a odpowiednie duże folie, które najczęściej są rozmiarów kartki A4. Wyposażony jest on także w lampę dającą bardzo mocne silne światło, które to podświetla informacje zawarte na folii. Głównym elementem takiego urządzenia jest soczewka tzw. schodkowa, której zadaniem jest odpowiednie oświetlenie folii i skierowanie wiązki światła na obiekty. W obiektywie światło to jest odbijane od zwierciadła płaskiego i kierowane na ekran.

Lornetka pryzmatyczna - jest to urządzenie, które pozwala na oglądnie odległych przedmiotów za pomocą obu naszych oczu. Urządzenie to tak naprawdę połączone ze sobą dwie lunety. W przypadku lornetki pryzmatycznej głównymi jej elementami są obiektyw i okular. Oba te układy mają dodatkową ogniskową. Pomiędzy nimi znajduje się jeszcze pryzmat którego zadaniem jest odwrócenie obrazu pochodzącego z obiektywu. Dzięki czemu obraz ten po przejściu przez okular jest obrazem prostym.

Układy optyczne i ich wady.

Układy optyczne nie są pozbawione pewnych wad, które wynikają albo z bezpośrednich niedoskonałości ich budowy, lub też po prostu wynikają z ograniczeń fizycznych.

Aberacja chromatyczna - jest to wada wynikająca z faktu, że współczynnik załamania danego ośrodka zależy od częstotliwości fali padającej, jest to tak zwana dyspersja światła. Jak wiadomo światło białe jest widmem fal elektromagnetycznych z zakresu od 400 do 700 nm. Poszczególne długości fal odpowiadają różnym składowym barwom światła. Dlatego też inaczej będzie załamywać się na soczewce barwa czerwona a inaczej zielona. Ilustruje to dokładniej poniższy rysunek:

Jak widać z rysunku w wyniku aberacji chromatycznej powstaje kilka obrazów tego samego przedmiotów w różnych ogniskach. Objawia się to w postaci kolorowej tęczy wokół krawędzi obrazu, a także tym, że w miejscu ogniska nie można idealnie skupić punktu świetlnego, zawsze będzie on miał określone rozmycie. Można znaleźć jednak punkt w którym na ekranie plamka świetlna będzie miała minimalny rozmiar i wtedy punkt ten uważać za właściwy obraz obiektu. Jednak aberację chromatyczną można zniwelować poprzez zastosowanie odpowiedniego korygującego układu soczewek. Jeśli zastosujemy dwa rodzaje pryzmatów: tzw. kron i flint to będziemy mogli stworzyć układ tzw. achromatyczny pozwalający na pozbycie się abberacji chromatycznej. Jeśli odpowiednio dobierzemy oba pryzmaty pod względem właściwości fizycznych, to okaże się, że ich zdolności rozszczepienia światła będą takie same, ale różne kąty odchylenia dla różnych długości fal światła białego. Dzięki temu powstanie układ który nie rozszczepia światła białego na barwy składowe. Co ważne można teraz stworzyć dwie soczewki z tego samego rodzaju szkła jak oba pryzmaty, skleić je ze sobą odpowiednim materiałem (najczęściej używa się balsamu jodłowego) i otrzymamy jedną soczewkę pozbawioną aberacji chromatycznej - tzw. soczewkę achromatyczną. W optyce określeniem achromatyczny określa się jakikolwiek układ optyczny pozbawiony aberacji chromatycznej.

Aberacja sferyczna - jest to wada związana bezpośrednio z tym, że w zależności od tego jak daleko znajdują się promienie świetlne od głównej osi optycznej soczewki, to pod różnymi kątami będą one załamywane. Ilustruje to dokładniej poniższy rysunek:

W wyniku tej wady na ekranie nie uzyskujemy dokładnie punktowego obrazu przedmiotu w ognisku, ale pewną kolistą plamkę. Powstaje w ten sposób pewne rozmazanie obrazu. Aberacji sferycznej można się pozbyć stosując odpowiednio wyprofilowane soczewki, lub stosując w układzie optycznym układy kilku soczewkowe. Problemem tutaj jest średnica soczewki, bo im większa ona jest tym trudniej jest pozbyć się aberacji sferycznej.

Koma - w tym wypadku mamy do czynienia z podobną wadą jak w przypadku aberacji sferycznej, jednak dotyczy ona obrazów punktów, które znajdują się poza główną osią optyczną. Objawia się to w ten sposób, iż promienie świetlne wychodzące z punktu, który nie leży na głównej osi optycznej, są ogniskowane w różnych punktach w zależności od ich miejsca załamania na soczewce. Dobrze ilustruje ten przykład poniższy rysunek:

W tym przypadku promienie które załamywane są w dolnej części soczewki ogniskowane są w innym punkcie niż promienie załamywane w górnej części soczewki. Objawia się to na ekranie tym, że punkt z którego wybiegają promienie świetlne po przejściu przez soczewkę zostaje zobrazowany jako przecinek. Stąd też bezpośrednio wzięła się nazwa tej wady: koma - przecinek. Wpływ komy także można zniwelować, a układy optyczne pozbawione tej wady nazywane są układami aplanatycznymi lub krótko aplanatami.

Astygmatyzm - wada ta polega na tym, iż różnie ogniskowane są wiązki promieni które leżą w "pionie", a inaczej te, które leżą w "poziomie". Najlepiej to ilustruje poniższy rysunek. Wiązka promieni padająca na soczewkę pod określonym kątem zostaje odwzorowana jako dwie wiązki, które mają różne ogniska. Uwidacznia się to patrząc na oba ekrany postawione za soczewką. Jeżeli przesunąć ekran do miejsca pośredniego pomiędzy tymi dwoma ogniskami to powstanie na nim kołowa plamka świetlna. Plamka ta jest nazywana kołowym obrazem przedmiotu.

Przekłamania obrazu wynikające z astygmatyzmu powstają w obszarach znajdujących się w pewnej odległości od głównej osi optycznej. Tej wady także można się pozbyć w odpowiedni sposób, a mianowicie poprzez skonstruowanie takiego układu, w którym obrazy przedstawiające pewne odcinki leżą jak najbliżej siebie. Można tego już dokonać stosując odpowiednie przesłony, lub dobierając odpowiedni kształt soczewki. Takie zabiegi stosuje się w przypadku okularów. Takie układy optyczne, pozbawiono astygmatyzmu są nazywane układami anastygmatycznymi, lub krótko anastygmatami.

Krzywizna pola - wada ta polega na tym, iż przedmiot ustawiony prostopadle do głównej osi optycznej nie daje także obrazu w tej samej płaszczyźnie. Jeśli spojrzymy na poniższy rysunek to zauważymy że obrazem punktów A i B, które leżą na prostej prostopadłej do głównej osi optycznej są punkty A' i B', które leżą nie na linii prostej, ale na pewnej krzywej. Wadę tą nazywamy krzywizną pola. Można ją zaobserwować jako rozmycie pewnych punktów obrazów na ekranie ustawionym za soczewką. Występuje ona w ogólności przy zastosowaniu pojedynczych soczewek.

Można ją usunąć przy zastosowaniu układów złożonych z kilku soczewek, dobranych także pod względem rodzaju szkła optycznego. Usunięcie tej wady jest bardzo ważne w zastosowaniach układów optycznych do precyzyjnego odwzorowania przedmiotu lub otoczenia.

Dystorsja - wada ta polega na tym, iż powiększenie danego przedmiotu przez soczewkę nie jest jednorodne. Powstający obraz jest w obszarze jego środkowym inaczej powiększony, niż na jego brzegach. Dlatego też linie proste należące do przedmiotu są odwzorowywane jako linie krzywe. Bardziej obrazowo ilustruje to poniższy rysunek:

Oczywiście można usunąć taką wadę, i wtedy takie układy nazywa się układami ortoskopowymi, które to tworzą obraz geometrycznie bardzo zbliżony do przedmiotu.

Robi się to poprzez zastosowanie układów optycznych złożonych z dwu jednakowych, lub ustawienie układów symetrycznie względem przesłony i wówczas układy takie nazywa się symetrycznymi.

Rozszczepienie światła

Ważnym przyrządem do badania rozszczepienia światła jest pryzmat. Pryzmat jest bryłą szkła, która powoduje iż promień świetlny po przejściu przez niego ulega podwójnemu załamaniu. Jeśli promień ten jest monochromatyczny, czyli jest światłem o jednej określonej długości fali to gdy pada na powierzchnie pryzmatu ulega załamaniu na powierzchni oddzielającej pryzmat od otoczenia (zgodnie z prawem załamania. Po przejściu przez warstwę szkła pryzmatu znowu ulega załamaniu na powierzchni oddzielającej pryzmat od otoczenia. Ilustruje to rysunek obok.

W wyniku takiego podwójnego załamania światła przechodzącego przez pryzmat, początkowy kierunek wiązki zostaje odchylony o pewien kąt. Wielkość tego kąta zależy przede wszystkim od początkowego kąta padania wiązki, ale także od kąta jaki jest pomiędzy ściankami pryzmatu. Inną wielkością która wpływa na stopień załamania światła jest współczynnik załamania materiału z którego wykonany jest pryzmat. Jednak jak wiemy współczynnik załamania światła jest różny dla różnych długości fal. Dlatego też inaczej będzie załamywać się fala o długości 400 nm, a inaczej ta o długości 700 nm. Zjawisko to jest nazywane dyspersją światła. Ponieważ istnieje taka zależność możliwe jest rozszczepienie światła białego za pomocą pryzmatu. Jak wiemy światło białe to fale elektromagnetyczne z zakresu od 400 do 700 nm. Każda taka fala to inna barwa światła. Dlatego też światło po przejściu przez pryzmat ulega rozszczepieniu na wiele promieni świetlnych o różnych barwach - każdy kolor światła uległ innemu załamaniu. Dodatkowo można to jeszcze inaczej sprawdzić. Jeżeli jako wiązkę padającą użyjemy światła tylko czerwonego i niebieskiego (np. poprzez nałożenie odpowiednich kolorowych filtrów na wiązkę białą) to zobaczymy iż po przejściu przez pryzmat każda z nich nie uległa rozszczepieniu ale obie początkowo padające równolegle na pryzmat po przejściu przez niego zostały załamane po różnymi kątami. Światło czerwone zostało mniej odchylone, a światło niebieskie bardziej.

Jeżeli na pryzmat będzie padać wiązka światła białego, to ustawiając za nim ekran zaobserwujemy powstanie pięknej tęczy - wynik rozszczepienia światła białego na składowe barwy, czyli fale elektromagnetyczne o różnej długości. Tak powstały obraz nazywamy też widmem światła białego. Jeśli przyjrzymy się dokładniej tej tęczy to zauważymy, że kolor czerwony najmniej odchylił się od początkowego kierunku padającej wiązki, a kolor niebieski najbardziej. Wiąże się to z tym, że współczynnik załamania, tak jak już powiedzieliśmy zależy od długości fali. Przyjmuje on tym większą wartość im większa jest długość fali. Dzięki wyznaczeniu różnic pomiędzy kątami załamania światła dla poszczególnych barw, możemy wyznaczyć także odpowiednie ich współczynniki załamania. Różnica pomiędzy współczynnikiem załamania dla barwy czerwonej, a tym dla barwy niebieskiej stanowi wyznacznik charakteryzujący dany pryzmat pod względem możliwości rozszczepienia światła - jest miarą dyspersji pryzmatu. Poniżej zaprezentowano widmo światła białego.

W poniższej tabeli zawarte są wartości współczynników załamania dla poszczególnych składowych barw światła białego:

barwa

wartość współczynnika załamania (szkło)

fioletowy

1,532

niebieski

1,528

zielony

1,519

żółty

1,517

pomarańczowy

1,514

czerwony

1,513

Można się jeszcze dodatkowo zastanowić, czy w pewien sposób nie można zebrać tak powstałego widma światła białego i z powrotem otrzymać wiązkę światła białego. Otóż można tego dokonać stosując jeszcze jeden pryzmat w sposób pokazany na poniższym rysunku.

Warunkiem tutaj jest jednak to, aby drugi pryzmat, którego używamy do połączenia wszystkich barw, miał kąt rozwarcia pomiędzy ściankami większy niż w przypadku pierwszego pryzmatu.

W optyce stosuje się różne rodzaje pryzmatów, nie tylko taki który pokazano wcześniej na ilustracjach, które służą często jako przyrządy odchylające wiązkę światła o określony kąt.

Pryzmat prostokątny - jest to pryzmat którego zasada działania opiera się na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia. W tym wypadku mamy do czynienia z bryłą szkła która przypomina trójkąt prostokątny. Wiązka światła padająca prostopadle do jednej ze ścianek pryzmatu przechodzi do niego nie ulegając załamaniu. Następnie pada na płaszczyznę wyznaczoną przez przeciwprostokątną i ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, w wyniku czego padająca wiązka zmienia swój kierunek o 900. Wiązka wychodzi z pryzmatu przez trzecią ściankę padając na nią prostopadle i nie ulegając w ten sposób załamaniu. Pryzmaty takie stosowane są w optyce jako rodzaj zwierciadła stosowany w celownikach i dalmierzach.

Pryzmat pięciokątny (pentagonalny) - jest to pryzmat, który posiada aż pięć ścianek. Jego schemat został przedstawiony na rysunku powyżej. Jest to także typ pryzmatu odbiciowego. Podobnie jak w przypadku pryzmatu prostokątnego, kierunek wiązki światła padającego zostaje odchylony o 900. Pryzmaty tego rodzaju także znalazły zastosowanie w optyce jako element składowy celowników i dalmierzy.

Interferencja i dyfrakcja.

INTERFERENCJA

Interferencja jest zjawiskiem nakładania się na siebie dwu lub więcej fal. W wyniku interferencji może dojść do ciekawych przypadków, fale nakładane na siebie mogą wzajemnie się wzmocnić lub osłabić. Wzmocnienie zachodzi w przypadku gdy jeden grzbiet fali napotka grzbiet innej fali. Osłabienie, czyli wygaszenie fali następuje gdy grzbiet pierwszej fali napotka dolinę drugiej fali.

Warunkiem wzmocnienia fali jest to, aby różnica długości dróg pomiędzy falami, była równa całkowitej wielokrotności długości fali.

1 - r2 = nλ, n = 0, 1, 2, 3,....

Natomiast jeśli chodzi o wygaszenie to warunkiem tutaj jest to, aby różnica długości dróg pomiędzy falami była równa nieparzystej wielokrotności długości fali.

1 - r2 = (2n+1)λ, n = 0, 1, 2, 3,....

Aby obserwować interferencję fal, najlepiej jest gdy fale mają tą samą długość fali i fazę. Interferencja objawia się w postaci miejsc ciemnych i jasnych. Jako że w przypadku fali jaką jest światło nie ma ona jednej określonej długości fali, interferencję w tym przypadku jest bardzo trudno zaobserwować. Najlepszym do tego źródłem jest światło lasera, które jest monochromatyczne i spójne. Aby zaobserwować zjawisko interferencji, należy skierować takie światło na układ dwóch lub więcej szczelin. Jeśli za szczeliną ustawimy w odpowiednio odległości ekran, to zaobserwujemy powstanie na nim prążków jasnych i ciemnych. Jest to tzw. doświadczenie Younga.

Wykorzystanie zjawiska interferencji.

Interferencja światła początkowo traktowana jako obiekt badań nad zachowaniem się fal, w tym także światła. Jednak w dobie współczesnej techniki i coraz powszechniejszego wykorzystani laserów stała się też bardzo ważnym narzędziem.

Zjawisko interferencji jest na przykład wykorzystywane przy obliczaniu odległości, od źródła do detektora światła. W tym przypadku wykorzystuje się wiązkę światła, którą dzieli się na pół. Jedna z tych wiązek jest wiązką odniesienia dla detektora, a druga jest badana pod względem zmian w natężeniu światła. Zmiany te są cykliczne, co na podstawie znanej długości światła laserowego (która stanowi wzorzec długości) stanowi informację o odległości źródła od detektora.

Interferencja jest także obecnie wykorzystywana w telefonii komórkowej. Tworzy się bowiem nowy rodzaj anteny, które przystosowane są do odbioru sygnałów interferencyjnych. Jeśli dany sygnał zostaje nadany z kilku źródeł, w wyniku nakładania się wytworzonych fal, powstaje zjawisko interferencji. Informacja która w starym systemie wysyłana była w postaci jednego sygnału, jest teraz przesyłana przez kilka niezależnych źródeł. Anteny tego typu określane są mianem anten adaptacyjnych.

Innym bardzo ważnym zastosowaniem zjawiska interferencji jest wyciszanie hałasu. Otóż jeśli uda się wytworzyć falę będącą w przeciw fazie do fali odbieranej przez nas jako hałas, to w wyniku nałożenia się ich obu może nastąpić całkowite wygaszenie, czyli wyciszenie hałasu. Obecnie system taki jest znany pod nazwą ATH - aktywne tłumienie hałasu.

DYFRAKCJA

Ze zjawiskiem dyfrakcji mamy do czynienia, gdy jakaś fala natrafia na przeszkodę. Gdy np. fala trafia na cienką szczelinę, lub niewielki punkt to ulega ona zjawisku ugięcia. Efekt ten opisuje doskonale zasada Huyghensa, która mówi, że w przypadku ugięcia się fali na przeszkodzie, każdy punkt należący do krawędzi przeszkody staje się źródłem nowej fali. Jeżeli dodatkowo uświadomimy sobie że powstałe fale mogą się nakładać na siebie, to możemy dojść do wniosku że dyfrakcja fali, może doprowadzić do powstania obrazu interferencyjnego. Dyfrakcja jest zjawiskiem charakterystycznym dla każdego typu fali, bez względu na to czy jest to fala elektromagnetyczna, akustyczna czy inna.

Zjawisko dyfrakcji można łatwo zaobserwować, jeśli przepuścimy światło laserowe przez wąską szczelinę. Zaobserwujemy wówczas na ekranie znajdującym się za szczeliną powstanie specyficznego obrazu dyfrakcyjnego. Przypomina on obraz jaki uzyskuje się w przypadku interferencji, jednak z tą różnicą, że poszczególne jasne prążki różnią się pomiędzy sobą natężeniem.

W wyniku dokładniejszej analizy tegoż zjawiska można wyznaczyć zależność natężenia światła I od kąta odchylenia θ od pierwotnego kierunku wiązki:

gdzie d - szerokość szczeliny, λ - długość fali światła padającego.

Jednak co ciekawe zjawisko dyfrakcji występuje nie tylko dla fal, takie jaki znamy i sobie wyobrażamy, ale także dla cząstek materii. Jest to związane z podwójną naturą materii, która określana jest jako dualizm korpuskularno - falowy. Otóż, jak to pierwszy zauważył de Broglie, każdej cząstce materialnej możemy przypisać falę o określonej długości. W eksperymentach z wiązkami elektronów i neutronów potwierdzono tą hipotezę.

Zjawisko dyfrakcji można obserwować nie tylko stosując pojedyncza szczelinę, ale także w przypadku układów wielu takich szczelin. Układ wielu szczelin blisko położonych obok siebie nazywany jest siatką dyfrakcyjną. W takim wypadku maksima obrazu dyfrakcyjnego wynikają z zależności:

gdzie d - szerokość szczeliny, λ - długość fali światła padającego, a m oznacza tak zwany kolejny rząd interferencji i przyjmuje całkowite wartości z przedziału od 1 do nieskończoności.

Jednak nie wszystkie przeszkody powodują zmiany w zachowaniu się fali. Jak wiemy fala charakteryzuje się określoną długością. Jeśli przeszkoda na którą fala natrafia będzie mniejsza od dwukrotnej długości fali, to dana fala w ogóle nie zareaguje na jej obecność. Dlatego też w przypadku badania za pomocą zjawiska dyfrakcji różnych małych obiektów, należy stosować fale elektromagnetyczne o odpowiednio krótkiej długości. Za pomocą zjawiska dyfrakcji bada się min. wewnętrzną strukturę materii. Aby dowiedzieć się o położeniu poszczególnych atomów w sieci krystalicznej danego ciała, stosuje się promieniowanie rentgenowskie. Dzięki takiej metodzie poznano budowę wielu skomplikowanych struktur w tym także spiralną budowę DNA. W nowowczesnej technologii budowania układów scalonych wykorzystuje się wiązkę światła do "rysowania" odpowiednich ścieżek elektronicznych. Jednak zjawisko dyfrakcji wymaga od producentów stosowania fal elektromagnetycznych o coraz krótszych długościach. W ogólności fale te powinny być dwa razy krótsze niż wymagana precyzja układu. Dlatego też w przypadku technologii, którą określa precyzja 0,13 mikrometra stosuje się promieniowanie ultrafioletowe. W przypadku chęci zwiększenia tejże precyzji, będzie wymagane zastosowanie promieniowania o krótszej długości fali.

Obserwacja zjawiska dyfrakcji z użyciem płyty CD.

Bardzo prostą metodą pozwalającą na zapoznanie się ze zjawiskiem dyfrakcji na siatce jest użycie płyty kompaktowej. Jeśli będąc w ciemnym pokoju, oświetlimy taką płytę wiązką światła białego, to przy odpowiednim ustawieniu płyty zaobserwujemy na ścianie powstanie pięknej kolorowej tęczy. Owa powstała tęcza jest bezpośrednim dowodem na falowy charakter światła. Jest ona bowiem obrazem dyfrakcyjnym padającej wiązki, bowiem płyta kompaktowa pełni w tym wypadku rolę siatki dyfrakcyjnej.

Jeśli jednak chcielibyśmy zaobserwować zjawisko dyfrakcji w bardziej "czystej" postaci to powinniśmy w tym celu użyć zamiast światła białego, wiązki światła laserowego. Wystarczy tutaj wykorzystać możliwości oferowane przez zwykły laserowy wskaźnik do prezentacji, który można już dostać w zwykłym kiosku za kilka złotych. Jak już wiemy światło laserowe charakteryzuje się dobrze określoną długością fali (dlatego też światło to jest jednego koloru). Gdy skierujemy takie światło na siatkę dyfrakcyjną jaką jest płyta kompaktowa, to nie zaobserwujemy powstania kolorowej tęczy, a jedynie rząd świecących plamek - podobny obraz jak w przypadku użycia szczeliny. Jest to kolejny dowód istnienia zjawiska dyfrakcji i falowej natury światła.

Siatka dyfrakcyjna

Siatka dyfrakcyjna jest układem wielu niewielkich przeszkód położonych blisko siebie. Rozróżniamy kilka rodzajów siatek:

- siatka dyfrakcyjna powierzchniowa - gdy przeszkody rozłożone są na powierzchni

- siatka dyfrakcyjna przestrzenna - gdy przeszkody rozłożone są w określonej przestrzeni

- siatka dyfrakcyjna regularna - gdy przeszkody tworzą pewien określony układ, porządek

- siatka dyfrakcyjna nieregularna - gdy przeszkody rozmieszczone są w sposób chaotyczny.

Wiązka światła padająca na przeszkody siatki, ulega zjawisku dyfrakcji, w wyniku czego powstają nowe fale, które są spójne i interferują ze sobą.

Powszechnie stosowaną siatką dyfrakcyjną jest siatka powierzchniowa regularna, którą produkuje się w wyniku nacinania danej powierzchni specjalnym diamentowym rylcem tworząc w ten sposób układ szczelin. W zależności od tego jaką powierzchnię się w ten sposób nacina rozróżniamy siatki szklane - transmisyjne i metaliczne - odbiciowe. Wielkością charakteryzującą siatkę dyfrakcyjną jest liczba rys przypadająca na 1mm długości siatki, a także odległość pomiędzy szczelinami siatki - tzw. stała siatki dyfrakcyjnej.

Polaryzacja światła

Wiele wieków uczeni badali czym tak naprawdę jest światło i jaka jest jego prawdziwa natura. Dziś już wiemy, że odpowiedź na to pytanie nie jest taka prosta i oczywista. Światło przejawią podwójną naturę. W pewnych sytuacjach zachowuje się tak jakby było strumieniem cząstek, a w innych tak jakby było falę. Tą dwuznaczność określa się mianem dualizmu korpuskularno - falowego. W teorii falowej światło jest falą elektromagnetyczną - drgającym polem elektrycznym i magnetycznym. Drgania tych pól opisane są przez wektor natężenia pola elektrycznego E, oraz wektor natężenia pola magnetycznego B. Drgania te odbywają się w płaszczyznach prostopadłych do siebie, a także prostopadle do kierunku propagacji fali elektromagnetycznej.

Jeżeli płaszczyzna drgań wektora pola elektrycznego lub pola magnetycznego nie zmienia się w czasie propagacji światła to mówimy, że światło jest spolaryzowane liniowo. Jeżeli natomiast zmienia się ona w sposób losowy to takie światło nazywane niespolaryzowanym. Powszechne źródła światła, które otaczają nas w życiu codziennym (takie jak Słońce, czy żarówka) emitują światło niespolaryzowane. Możliwe są także inne typy polaryzacji, takie jak polaryzacja kołowa czy eliptyczna. W takich przypadkach wektora pola elektrycznego w czasie drgań obraca się o wokół kierunku propagacji fali. Na poniższym rysunku przedstawiono polaryzację kołową, prawo i lewoskrętną.

Aby otrzymać światło spolaryzowane liniowo ze źródła światła niespolaryzowane stosuje się odpowiednie materiały, zwane polaryzatorami. Taki polaryzator ma postać płytki, która jest wykonana ze specjalnego materiału. Materiał taki ma określoną płaszczyznę polaryzacji, czyli płaszczyznę drgań wektora elektrycznego, którą tylko będzie przepuszczał, gdy wiązka światła przejdzie przez taki polaryzator. Polaryzator przepuszcza tylko tą składową fali elektromagnetycznej, której wektor pola elektrycznego drga w określonej płaszczyźnie, w ten sposób uzyskując światło spolaryzowane liniowo. Na poniższym rysunku przedstawiono zasadę działania polaryzatora liniowego.