Základy Optiky Fyzika Mikrosvěta

Optika Světlo: Vlnová optika: Paprsková optika: Kvantová optika Vlnová vs. Paprsková podstata světla V pozdější době také kvantový přístup Vlnová optika: disperze, interference, difrakce, polarizace Paprsková optika: Zákon odrazu a lomu, geometrická optika, zákon přímočarého šíření světla(homogenní prostředí) Kvantová optika Fotoefekt, kvantová povaha světla

Šíření světla Zdroj – vyzařují světlo Prostředí Huygensův princip (ne)průhledné, průsvitné Homogenní, (an)izotropní Huygensův princip Směr šířené světla je v homogenním prostředí dán přímkami kolmými na vlnoplochu. Těmto přímkám říkáme světelné paprsky. Bodový zdroj světla: zanedbáváme rozměry zdroje

Princip nezávislosti chodu paprsků Paprsky vychází ze zdroje světla, šíří se všemi směry stejně(homogenní prostředí) a chod paprsků se navzájem neovlivňuje. Putují prostředím nezávisle na sobě. Homogenní prostředí: paprsek je přímka Ve stejnorodém (homogenním) prostředí se světlo šíří přímočaře.

Paprsková optika Zákon odrazu a lomu Odvozuje se z Huygensova principu.

Odraz světla Odražený paprsek leží v rovině dopadu α = ´α

Lom světla Závislost na prostředích vyjádřena pomoc indexů lomu v - rychlost světla v prostředí c – rychlost světla ve vakuu n > 1 světlo se při průchodu láme

Světlo se šíří z prostředí (v1, n1) do prostředí (v2, n2). Odvození zákona lomu (Snellův zákon) n1 > n2 : n1 je opticky hustší prostředí a n2 opticky řidší

Mezní úhel a totální odraz Využití totálního odrazu: refraktometr, optické vlákno

Disperze světla Vlastnost prostředí : udává rychlost světla v prostředí. Ve vakuu nedochází k disperzi. Paprsky různých barev se lámnou pod různými úhly β. Závisí na indexu lomu prostředí a na frekvenci světla.

Světlo jako elektromagnetické vlnění Vlnění – mechanika rovnice vlny Frekvence (f), perioda (T), vlnová délka (λ) Analogie kruhového pohybu

Frekvence určuje povahu vlnění

Zpět k disperzi světla: Frekvence světla se nemění ale mění se rychlost světla: Nejmenší úhel β má fialová a největší červená.

Vlnová optika Interference světla: skládání světelných vln T. Young (1773 - 1829) Mýdlová bublina, tenká vrstva oleje atd… Předpoklad koherence Koherentní jsou světelná vlnění stejné frekvence, jejichž vzájemný fázový rozdíl v uvažovaném bodě prostoru se s časem nemění Laserové světlo

Youngův pokus Prokázal vlnovou povahu světla Zdroj koherentního záření – dutiny S1, S2 Dráhový rozdíl Δl Optická dráha: l=ns : Vzdálenost, kterou by světlo urazilo ve vakuu za stejnou dobu jako v daném optickém prostředí.

Interference – zesílení a zeslabení v místech kde se vlny stýkají Minimum : Δl=nΔs=2k(λ/2) Maximum: Δl=nΔs=(2k+1)(λ/2) k=0,1,2,…

Difrakce Ohyb světla Šíření do oblasti geometrického stínu (odporuje paprskové teorii světla)

Polarizace světla Nepolarizované světlo – vektor intenzity E kmitá v nahodilém směru….

Polarizace odrazem: Světlo dopadá na desku a odráží se tak, že vektor E dopadá kolmo k rovině dopadu Jde pouze o částečnou polarizaci závislou na úhlu dopadu. Úplná polarizace jen při určitém úhlu (Brewsterův úhel)

Polarizace dvojlomem Výsledkem jsou dva lineárně polarizované paprsky kmitající v rovinách na sebe kolmých Řádný Mimořádný

Polaroidy Filtry, dvě vrstvy plastického materiálu Polarizátor: polarizuje světlo na lineárně polarizované Analyzátor: rozlišuje polarizované od nepolarizovaného Optická aktivita: schopnost látek stáčet rovinu kmitání světla: cukr, oleje , bílkoviny

Optické jevy Elektroopické jevy Mechanické jevy Magnetooptické jevy Kerrův jev Dvojlom je vyvolán působením elektrického pole Pockelsův jev Idnex lomu látky se mění v závislosti na přiloženém elektrickém poli Mechanické jevy Umělý dvojlom Vyvolán mechanickým tlakem. Pokud má napětí v různých směrech látky různou hodnotu, stane se látka opticky anizotropní. Magnetooptické jevy Cotton-Moultonův jev Magnetické pole vyvolává podstatně menší dvojlom než pole elektrické

Fotometrie Měření a přenášení elektromagnetické energie – záření. Zářivý tok [W]: Podíl zářivé energie vyzářené za čas Δt. Intenzita vyzařování [W m-2]: Zářivý tok vysílaný ploškou ΔS do poloprostoru. Intenzita ozařování [W m-2] : Zářivý tok dopadající na plochu ΔA

Fotometrické veličiny Vztaženy na lidské vnímání. (350 nm – 700 nm) Světelný tok: Schopnost zářivého toku vyvolat zrakový vjem. Svítivost [cd]: vyzařování zdroje do prostoru s úhlem Ω. Světelný tok[Lm]: tok vyzařovaný všesměrovým zdrojem a svítivosti 1 cd do kužele,….. Tedy pro plný prostorový úhel

Osvětlení Osvětlení tělesa 1 lux má plocha 1 m2 dopadá-li na ní rovnoměrně světelný tok 1 lm. Lidské oko : schopno detekce nejméně 2 nlx – reakce tyčinek Čtení : 100 lx Práce v kuchyni : 500 lx Osvětlení chodby: 20lx Normy ČSN

Fyzika mikrosvěta