Fizyka sama w sobie jest nauką bardzo interesującą. Trudno jest się zdecydować na wybór którejś z jej dziedzin, gdyż w całości zasługuje ona na uwagę i dogłębną analizę. Ja zdecydowałam się poświęcić te strony optyce. Dlaczego? Ponieważ dla człowieka najważniejszy jest zmysł wzroku, a od tego jak postrzegamy świat zależy całe nasze życie. To oczy przekazują nam informacje i bodźce z zewnątrz. Aby dobrze wykorzystać ich możliwości trzeba je poznać i zrozumieć. Prócz budowy biologicznej dużą role odgrywa tu fizyka, a konkretnie jej dział Optyka zajmujący się światłem (od podczerwieni po ultrafiolet) i jego oddziaływaniem z materią. Od ludzkich narządów przechodzimy do soczewek, teleskopów i jeszcze bardziej zaawansowanych urządzeń.
Wszystko od początku
Optyka to nauka o świetle. Obejmuje badania promieniowania elektromagnetycznego o długości fal w zakresie od miękkiego promieniowania rentgenowskiego do dalekiej podczerwieni. Ze względu na zakres badanych zjawisk optyka dzieli się na optykę geometryczną i optykę fizyczną.
Optyka geometryczna obejmuje zagadnienia rozchodzenia się światła w próżni lub ośrodkach przezroczystych łącznie ze zjawiskiem odbicia i załamania światła. Podstawowym pojęciem jest promień światła rozchodzący się prostoliniowo i spełniający prawa odbicia i załamania.
Optyka fizyczna obejmuje wszelkie zagadnienia wymagające uwzględnienia natury światła. Zjawiska dyfrakcji, interferencji, polaryzacji, które mogą być wyjaśnione przy założeniu falowych właściwości światła, są przedmiotem badań optyki falowej.
Z praw optyki falowej wynikają prawa optyki geometrycznej, która stanowi krańcowy przypadek optyki falowej., gdy długość fali jest znacznie mniejsza od rozmiarów struktury środowiska. Jednolity opis zjawisk zarówno optyki geometrycznej, jak i falowej daje elektromagnetyczna teoria światła J.C. Maxwella wraz z elektronową teorią materii H.A. Lorentza. Opis ten obejmuje także wpływ pól elektrycznych i magnetycznych na optyczne właściwości materii (zjawiska Faradaya, Kerra, Zeemana).
Zjawiska, których przebieg można wyjaśnić przy założeniu kwantowych właściwości światła (zwłaszcza zjawiska emisji i absorpcji) są przedmiotem badań optyki kwantowej. Podstawę teoretyczną optyki kwantowej daje mechanika i elektrodynamika kwantowa. Powstanie nowej dziedziny optyki nieliniowej, opisującej wzajemne oddziaływanie światła o wielkim natężeniu i materii, wiąże się z wynalezieniem lasera. Wynalazek ten przyczynił się również do rozwoju holografii i optoelektroniki.
W związku z wykorzystaniem światła do badań naukowych wyodrębniły się nowe działy: optyka molekularna, ośrodków niejednorodnych, kryształów. Działem łączącym elementy optyki geometrycznej i fizycznej jest fotometria.
Zjawiska optyczne i metody badań znalazły liczne zastosowania w wielu dziedzinach nauki i techniki; na ich podstawie rozwinęły się między innymi chemiczne metody analityczne: analiza spektralna, kolorymetria, polarymetria, a także pirometria, fotografia oraz technika oświetleniowa. Optyka geometryczna stała się podstawą optyki instrumentalnej, zajmującej się teorią, obliczaniem i konstrukcją przyrządów optycznych.
Zjawiska optyczne były znane już w starożytności, ale rozwój optyki jako samodzielnej dyscypliny naukowej datuje się dopiero od XVII w. i wiąże się z pierwszymi badaniami dotyczącymi natury światła (Ch. Huygens, I. Newton); utrwalenie falowej teorii światła (Th. Young, A.J. Fresnel) i wykazanie, że fale świetlne są falami elektromagnetycznymi, przypada na XIX w. (M. Faraday, Maxwell, H.R. Hertz). Na początku XX w. M. Planck podał kwantowy proces promieniowania; teorię kwantową ugruntowały prace A. Einsteina, P.A.M. Diraca i innych.
Ogólnie wyróżniamy takie działy optyki jak: adaptacyjna, aktywna, cienkich warstw, cząsteczkowa, elektronowa, falowa, geometryczna, instrumentalna, jonowa, kryształów, kwantowa, naprężeń, nieliniowa, rentgenowska czy zintegrowana.
Jednak jakie ma to wszystko znaczenie w życiu codziennym? Otóż bardzo duże. Dzięki tej nauce zrozumieliśmy np. jak powstaje tęcza. Kropla deszczu to swoisty pryzmat, przez który przechodzi światło słoneczne składające się ze wszystkich barw. Ulega ono wtedy podwójnemu rozszczepieniu tworząc barwna paletę barw zwana przez nas tęcza.
Optyka to również efektywne wykorzystanie soczewek. Teraz wprost banalne wydają się zasady funkcjonowania okularów, szkieł kontaktowych, lupy jak i również telebimu, kina czy projektora slajdów. Jednak najbardziej zaintrygował mnie aparat.
Jak on działa?
Obraz widoczny w wizjerze aparatu fotograficznego (lustrzanki jednoobiektywowej) jest dokładnie taki sam, jak obraz utrwalony na zdjęciu po wciśnięciu przycisku wyzwalacza. Lusterko, umocowane zawiasowo, i pryzmat odbijają światło z soczewki do celownika. W chwili robienia zdjęcia lusterko odchyla się do góry, następuje zwolnienie migawki i naświetlenie filmu.
Lusterko jest ustawione pod kątem 45 stopni, co umożliwia odbicie do celownika wiązki światła przechodzącej przez obiektyw. Po wciśnięciu przycisku wyzwalacza lusterko odchyla się do góry i światło dociera do filmu.
Migawka składa się z dwóch rolet zamocowanych sprężynowo przed filmem. W chwili zwolnienia migawki pierwsza roleta przesuwa się, umożliwiając wiązce światła przechodzącej przez obiektyw dotarcie do filmu. Następnie druga roleta przesuwa się w ślad za pierwsza, ponownie zasłaniając film.
Mini słowniczek naukowca
Prawo odbicia fali, prawo optyki geometrycznej (optyka) opisujące stosunki geometryczne przy odbiciu fali.
Kąt odbicia fali (tj. kąt zawarty pomiędzy kierunkiem rozprzestrzeniania się odbitej fali a normalną do odbijającej powierzchni) równy jest kątowi jej padania (zawartego pomiędzy kierunkiem padania a normalną do powierzchni), oba kąty leżą w jednej płaszczyźnie prostopadłej do odbijającej powierzchni.
Szczególnym przypadkiem odbicia fali jest odbicie światła. Prawo odbicia fali można wywieść z zasady Huygensa-Fresnela.
Załamanie światła, zjawisko załamania fali świetlnej. Gdy fala ta nie jest monochromatyczna załamaniu światła towarzyszy rozszczepienie światła.
Dyfrakcja (ugięcie) fal, zjawiska odstępstwa od praw optyki geometrycznej występujące przy rozchodzeniu się fal w ośrodkach niejednorodnych. Pierwsi dyfrakcję fal badali T. Young i A. Fresnel oraz H. Helmholtz, G. Kirchhoff i J. Fraunhofer.
Interferencja fal, zjawisko wzajemnego nakładania się fal (elektromagnetycznych, mechanicznych, de Broglie itd.). Zgodnie z tzw. zasadą superpozycji fal, amplituda fali wypadkowej w każdym punkcie dana jest wzorem:
gdzie: A1, A2 - amplitudy fal cząstkowych, - różnica faz obu fal.
Zasada superpozycji, reguła fizyki matematycznej głosząca, że jeśli dwa stany (funkcje) są rozwiązaniami zagadnienia opisanego przez liniowe równania różniczkowe, to suma tych stanów (funkcji) też jest rozwiązaniem tego zagadnienia.
Kalendarium
Snell Van Royen (1591-1630) - prawa optyki geometrycznej
Christiaan Huygens (1629-1695) - falowe własności światła
Robert Hooke (1635-1703) - zastosowanie mikroskopu (odkrycie żywej komórki)
Isaac Newton (1643-1727) - rozszczepienie światła i jego interferencja
Joseph Fraunhofer (1787-1826) - wynalezienie siatki dyfrakcyjnej i odkrycie widm absorpcyjnych
Jean Augustin Fresnel (1788-1827) - ścisłe sformowanie falowej teorii światła
Gustaw Robert Kirchhoff (1824-1887) - podstawowe prawa fotometrii; opracowanie zasad analizy spektralnej
Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) - odkrycie promieniowania rentgenowskiego
Henri Antoine Becquerel (1852-1908) - odkrycie zjawiska promieniotwórczości
Albert Abraham Michelson (1852-1931) - odkrycie stałości prędkości światła w każdym układzie odniesienia
Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) - wpływ magnetyzmu na promieniowanie elektromagnetyczne
Max Planck (1858-1947) - odkrycie kwantowego mechanizmu-emisji i absorpcji; stała Plancka
Albert Einstein (1879-1955) - opracowanie kwantowej teorii absorpcji i emisji światła
Felix Teodor Max von Laue (1879-1960) - odkrycie dyfrakcji promieni rentgenowskich
Louis Victor de Broglie (1892-1987) - hipoteza istnienia fal materii
Wolfgang Pauli (1900-1958) - kwantowa teoria pola
Ernst Ruska (1906-1988) - skonstruowanie mikroskopu elektronowego
Charles Townes (ur.1914) - skonstruowanie pierwszego masera
Richard Philips Feynman (1918-1988) - opracowanie elektrodynamiki kwantowej