Optika

Ez a szócikk vagy szakasz lektorálásra, tartalmi javításokra szorul. A felmerült kifogásokat a szócikk vitalapja részletezi (vagy extrém esetben a szócikk szövegében elhelyezett, kikommentelt szövegrészek). Ha nincs indoklás a vitalapon (vagy szerkesztési módban a szövegközben), bátran távolítsd el a sablont!
Csak akkor tedd a lap tetejére ezt a sablont, ha az egész cikk megszövegezése hibás. Ha nem, az adott szakaszba tedd, így segítve a lektorok munkáját!

Az optika vagy fénytan a fizikának a fény és általában az elektromágneses sugárzás terjedésével foglalkozó tudományága. A fény tulajdonságait, a fényjelenségeket – fénytörés, fényvisszaverődés, visszatükrözés – vizsgálja.

Az optika szó a görög optikosz (ὀπτικός = látás) szóból származik.

Részterületei

Színkép vagy spektrum

A színeket a fény frekvenciája határozza meg. A különböző színeknek megfelelő hullámhosszak a fázissebesség és a frekvencia értékének a hányadosa.

Színkép vagy spektrum valamely fényforrástól kibocsátott fény hullámhossz szerinti felbontásánál a színekhez tartozó intenzitás frekvenciára való eloszlását leíró függvény által adható meg, illetve a fényspektrográfok által a hullámhossz szerint felbontással a térben.

Emissziós színkép

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

Folytonos színkép

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

Fényforrások

Meg kell említenünk a fényforrásokat is, mert fényforrás nélkül nincs fény. Két fajta fényforrást különböztetünk meg:

  1. az elsődleges
  2. a másodlagos fényforrásokat.

Elsődleges fényforrás

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

Másodlagos fényforrások

Minden test, ami csak a rá sugárzott és róla visszaverődő fény miatt látható azt másodlagos fényforrásnak nevezzük.

Ez alapján vehetjük úgy is, hogy minden test másodlagos fényforrás, mint például az asztal, tábla, ember stb.

Fényjelenségek

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–Fresnel-elv

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 interferenciájának burkolója adja meg.

(Megjegyzés: A hátrafele terjedő elemi hullámok az interferencia miatt kioltódnak.)

Fényvisszaverődés

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

Teljes visszaverődés (totálreflexió) 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:

sin ⁡ α sin ⁡ 90 ∘ = 1 n {\displaystyle {\frac {\sin \alpha }{\sin 90^{\circ }}}={\frac {1}{n}}}

ebből:

sin ⁡ α h = 1 n {\displaystyle \sin \alpha _{h}={\frac {1}{n}}}

Brewster törvénye

A visszavert sugár teljesen poláros lesz, ha a visszavert, valamint a közegbe behatoló megtört sugár egymásra merőleges. A teljes polarizációhoz tartozó α b {\displaystyle \alpha _{b}} beesési szög és a törésmutató kapcsolata:

n = sin ⁡ α b sin ⁡ β = sin ⁡ α b sin ⁡ ( 90 ∘ − α b ) = sin ⁡ α b cos ⁡ α b = tg ⁡ α b {\displaystyle n={\frac {\sin \alpha _{b}}{\sin \beta }}={\frac {\sin \alpha _{b}}{\sin(90^{\circ }-\alpha _{b})}}={\frac {\sin \alpha _{b}}{\cos \alpha _{b}}}=\operatorname {tg} \alpha _{b}}

Kísérlet 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:

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

A törvény meghatározásához értelmeznünk kell a képet. Az alábbi elnevezéseket használjuk:

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 Eukleidész Kr. e. 300 körül már bebizonyította.

Fénytörés

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

Vákuumban:

c 0 = 1 ε 0 μ 0 = 299792458 m s {\displaystyle c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}=299792458{\frac {m}{s}}}

Szigetelőben:

c = 1 ε 0 μ 0 ε r μ r = 1 ε μ ≈ 1 ε 0 μ 0 ε r = c 0 ε r < c 0 {\displaystyle 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 μ r ≈ 1 {\displaystyle \mu _{r}\approx 1} )

A közeg abszolút törésmutatója

n = c 0 c = ε r μ r ≈ ε r {\displaystyle n={\frac {c_{0}}{c}}={\sqrt {\varepsilon _{r}\mu _{r}}}\approx {\sqrt {\varepsilon _{r}}}}

Diszperzió (színszórás) A prizma fénytörése az eltérő hullámhosszok miatt alakul ki

ε r {\displaystyle \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

A második közeg első közegre viszonyított relatív törésmutatója:

n 21 = c 1 c 2 = n 2 n 1 {\displaystyle 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 {\displaystyle n_{21}\!<\!1} , ellenkező esetben a közeg optikailag ritkább. (Az optikai sűrűség nem azonos a mechanikai sűrűséggel.)

Snellius–Descartes fénytörési törvénye

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

sin ⁡ α sin ⁡ β = c 1 c 2 = n 21 = n 2 n 1 {\displaystyle {\frac {\sin \alpha }{\sin \beta }}={\frac {c_{1}}{c_{2}}}=n_{21}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}}

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

Optikai eszközök

Commons:Category:Optics A Wikimédia Commons tartalmaz Optika témájú médiaállományokat.

Jegyzetek

  1. ↑ Fülöp József: Rövid kémiai értelmező és etimológiai szótár. Celldömölk: Pauz–Westermann Könyvkiadó Kft. 1998. 107. o. ISBN 963 8334 96 7  

Források

További információk

Kapcsolódó szócikkek

Fizika
Részterületek
Kapcsolódó tudományágak
Alapfogalmak
Alapvető kölcsönhatások
Javasolt elméletek
Módszerek
Alapelvek
Fizikai táblázatok
A fizika története
Nemzetközi katalógusok