Natura światła Dyfrakcja Interferencja

Natura światła
Czym jest światło? Do początków XIX wieku można było tylko spekulować na ten temat. W roku 1801
Thomas Young przeprowadził doświadczenie, za pomocą którego udowodnił, że światło zachowuje się jak fala
- fale światła interferują ze sobą podobnie jak fale na wodzie. O falowej naturze świadczą też zjawisko
załamania, które wykorzystujemy na masową skalę w soczewkach.
Pod koniec XI wieki przeprowadzono jednak wiele eksperymentów, w których oświetlano różnorodne
materiały i wybijano z nich elektrony. Jak fala mogła „uderzyć” w inną cząstkę i nadać jej taką energię, aby
wybić z oświetlanego materiału? Nie można też było wyjaśnić zjawiska świecenia rozgrzanych materiałów
opierając się tylko na własnościach falowych światła.
Dzisiaj wiemy, że światło ma dwoistą naturę. Potrafi być falą i cząstką (fotonem) i oba te stany się
uzupełniają.
Dyfrakcja
Jeśli wrzucimy kamień do wody, to zauważymy
rozchodzące się koncentryczne okręgi. W dużych odległościach
od centrum fala kolista staje się prawie płaska). Jeżeli na drodze
takiej fali ustawimy przeszkodę z otworem, to otwór staje się
źródłem nowej fali kolistej. Zjawiska te badał holenderski fizyk,
matematyk i astronom Christian Huygens w XVII wieku. Z badań wynikało, że falę płaską można traktować
jako złożenie wielu fal kołowych oraz, że każda przeszkoda, do której dociera fala, staje się źródłem
nowej fali. Mówimy, że fala uległa dyfrakcji czyli ugięciu.
Fale świetlne również podlegają dyfrakcji. Zjawisko to trudno zaobserwować naturalnie - zachodzi
wówczas, gdy rozmiar szczeliny jest porównywalny z długością uginającej się na niej fali. Jeżeli spojrzymy na
płytę CD, to zauważymy, że światło białe uginając się pod różnymi kątami na poszczególnych ścieżkach
tworzy kolorowe plamy. W badaniach laboratoryjnych używa się do badań siatek dyfrakcyjnych. Dyfrakcja
używana jest do badania obiektów o niewielkich rozmiarach, np. rozmieszczenia atomów w kryształach, tzw.
krystalografia. Jednak jest wadą, gdyż uginanie fal powoduje, że nie możemy obserwować pod mikroskopem
dowolnie małych obiektów.
Interferencja
Jeżeli fala przechodzi przez jedną szczelinę staje się źródłem
nowej fali. Jeżeli na jej drodze ustawimy rząd szczelin, nowe fale
powstające w wyniku dyfrakcji na szczelinach (ugięcia) zaczną się
nakładać. Miejsca, gdzie spotkają się grzbiety fal zostaną
wzmocnione, gdzie spotkają się fale o przeciwnych fazach wygaszone. To nakładanie się fal powstałych w wyniku dyfrakcji
nazywamy interferencją.
Jeżeli źródłem światła będzie wskaźnik laserowy i na jego drodze ustawimy układ dwóch szczelin, to
otrzymamy na ścianie rząd jasnych i ciemnych prążków. Kolorowe smugi powstające na asfalcie pokrytym
rozlaną benzyną również tłumaczymy zjawiskiem interferencji. Od górnej i dolnej powierzchni warstwy
benzyny odbijają się promienie świetlne. Ponieważ drogi przebyte przez oba te promienie (odbity od górnej i
dolnej warstwy) są różne, dlatego interferują ze sobą. Powstają różnokolorowe plamy, gdyż patrzymy na plamę
pod różnymi kątami, a padające światło słoneczne jest mieszaniną barw.
Duże wyraźniejsze efekty interferencyjne otrzymamy, gdy światło będzie ulegać dyfrakcji nie na dwóch
szczelinach ale na tzw. siatkach dyfrakcyjnych - wiele tysięcy, równoodległych od siebie szczelin. Siatka
dyfrakcyjna (podobnie jak pryzmat) rozszczepia światło białe na poszczególne barwy. W praktyce znalazła
zastosowanie do wyznaczania długości padającej na nią fali.
Interferencja pozwala na bardzo precyzyjny pomiar odległości. Również telefonia trzeciej generacji
UMTS wykorzystuje interferencję. Zamiast jednego nadajnika mamy kilka, a fale interferują ze sobą
zwiększając moc sygnału. Buduje się także tłumiki aktywne, które generują identyczny hałas, jaki wytwarza
urządzenie, ale w przeciwnej fazie.
Polaryzacja
Jeżeli poruszamy w górę i w dół długą linę pojawiają się fale. W
ten sposób możemy np. wywołać falę stojącą. Z reguły jednak,
nieskoordynowany ruch powoduje, że lina porusza się we wszystkich
kierunkach. Gdyby na drodze takiej fali ustawić pionową szczelinę,
drgania zostałyby uporządkowane, np. w górę i w dół. Zjawisko to
nazywamy polaryzacją i dotyczy również światła. Polaryzacja nie jest
możliwa, gdy mamy do czynienia z falami poprzecznymi, np. falami
dźwiękowymi.
Wiemy, że światło jest poprzeczną falą elektromagnetyczną drgania pól elektrycznego i magnetycznego zachodzą prostopadle do
kierunku rozchodzenia się fali - we wszystkie strony wokół osi. Czy
można spowodować, aby ustawić na drodze promieni świetlnych
przeszkodę, która przepuści drgania zachodzące np. tylko w górę i w
dół? Służą do tego polaryzatory otrzymywane z kryształów lub
specjalnie wykonanych folii polimerowych, które spośród wielu
kierunków drgań pola elektromagnetycznego wybierają tylko ściśle
określone.
Światło może ulegać polaryzacji również po odbiciu od
powierzchni szkła lub wody. Kąt padania światła promienia
niespolaryzowanego nazywamy kątem Brewstera, a promień załamany tworzy z kątem odbitym od powierzchni
kąt 90 stopni.
Optyczne własności materii
Światło porusza się po liniach prostych, a dokładnie porusza
się tak, aby czas dotarcia z punktu A do B był jak najkrótszy - to
stwierdzenie znamy z optyki. Analizując bieg promieni światła w
powietrzu trzeba brać pod uwagę jego gęstość, bo od gęstości zależy
współczynnik załamania światła. Gęstość zaś zależy od wysokości
nad powierzchnią ziemi i od panującej tam temperatury. Bieg
promieni świetlnych ulega zakrzywieniu, co sprawia, że
obserwowane ciała niebieskie, znajdują się w innym miejscu niż je
dostrzegamy, że na pustyni obserwujemy miraże, że niebo jest
niebieskie. Ponieważ światło czerwone jest rozpraszane przez
atmosferę mniej niż inne kolory, dlatego słońce nad horyzontem
wydaje się być czerwone (grubsza warstwa atmosfery). Ciała
przeźroczyste pochłaniają niewielką część promieni świetlnych dlatego są przeźroczyste. Ale już na przykład rubiny pochłaniają wszystkie inne (prócz czerwonej) długości fal
w swojej sieci krystalicznej i dlatego rubiny są czerwone. Ciała stałe natomiast pochłaniają wszystkie długości
- są nieprzeźroczyste. Istnieją kryształy, które załamują światło w szczególny sposób powodując rozdzielenie
go na dwa promienie o prostopadłej płaszczyźnie polaryzacji (kryształ dwójłomny np. kalcyt). Bardzo ciekawe
własności mają ciecze, które w pewien sposób zachowują porządek w budowie swojej struktury molekularnej,
tzw. ciekłe kryształy. Potrafią np. porządkować swoją sieć pod wpływem przyłożonego napięcia. Zjawisko to
zostało szeroko wykorzystane do budowy ekranów ciekłokrystalicznych (tzw. LCD).
Pytania
Dlaczego w świetle fioletowym można dostrzec mniejsze przedmioty niż w świetle czerwonym?
Dlaczego duże budynki nie utrudniają odbioru fal radiowych?
Dlaczego za pomocą mikroskopu optycznego nie można zobaczyć obiektów o rozmiarze 500nm?
Narysuj schematycznie mechanizm powstawania prążków interferencyjnych na cienkich warstwach?
Co dzieje się ze światłem monochromatycznym, gdy pada na siatkę dyfrakcyjną?
Co dzieje się ze światłem białym (mieszaniną kolorów), gdy pada na siatkę dyfrakcyjną?
Jak sprawdzić, czy światło odbite od powierzchni wody jest spolaryzowane?
Dlaczego niebo jest niebieskie?
Dlaczego słońce rano i wieczorem jest czerwone?