wspólny cel

ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spó³ka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 00, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
wspólny cel...
strona 1/4
Optyka
cz. II
(od Isaaca Newtona do lasera)
Juliusz Domański
Mniej więcej od 1800 r. optyka rozwija się bardzo dynamicznie. W 1800 r. William Herschel odkrywa
promieniowanie podczerwone. Rok później Wilhelm Ritter i William Wollaston – promieniowanie ultrafioletowe. W 1801 r. Thomas Young opisuje zjawisko interferencji – wykorzystuje ją jako pierwszy i wyznacza przybliżoną długość fal świetlnych. Zauważa różnicę między światłem spójnym
i niespójnym. W 1809 r. Louis Malus odkrywa zjawisko polaryzacji. W 1918 r. Augustin Fresnel tworzy teorię ugięcia światła.
Wraz z D.F. Arago w 1819 r. przedstawia dowód, że promienie
spolaryzowane w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych nie
interferują. Zauważono wówczas, że interferujące ze sobą promienie nie muszą się wzmacniać (jak to było w teorii korpuskularnej), a mogą się osłabiać aż do całkowitego wygaszenia. Odkrycie zjawisk interferencji i polaryzacji
światła udowodniło, że światło ma naturę falową. Było to sprzeczne z korpuskularną teorią światła
Isaaca Newtona.
Einstein, gdy nie było jeszcze wiadomo, czy ogólna teoria względności jest prawdziwa, mówił:
– Jeśli moja teoria okaże się prawdziwa, to Niemcy uznają mnie za Niemca, a Francuzi za obywatela
świata, ale jeśli okaże się fałszywa, to dla Francuzów będę Niemcem, a dla Niemców Żydem.
Joseph Fraunhofer (1787–1826) został w 1811 r. dyrektorem oddziału przyrządów optycznych
w wytwórni Utzschneidera. Wkrótce wytwórnia zaczęła produkować szkło optyczne bardzo wysokiej
jakości. Wiele obserwatoriów astronomicznych zaopatrywało się w lunety produkowane przez Fraunhofera. Jednym z tych przyrządów Friedrich Bessel w 1838 r. po raz pierwszy zaobserwował paralaksę
gwiazdy. W 1814 r. Joseph Fraunhofer wykrywa w widmie Słońca ostre ciemne linie noszące dziś jego
imię. Używa ich jako podziałki, przypisując każdej współczynnik załamania. W latach dwudziestych
odkrywa ugięcie światła na siatce dyfrakcyjnej. Nieco później siatki dyfrakcyjne umożliwiają wyznaczenie długości fali różnego rodzaju światła z dużą dokładnością. Pierwsze wyjaśnienia powstawania
linii widmowych podali Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff. Ustalili oni, że widmo gorącego, rozrzedzonego gazu składa się z jasnych linii. Liczba i położenie tych linii jednoznacznie określają pierwiastek
je emitujący. Tą metodą można było wykrywać pierwiastki nawet w odległych gwiazdach. Przekonano
się, że ciała niebieskie składają się z takich samych pierwiastków, jakie występują na Ziemi. Stosując
tę metodę, w 1868 r. Pierre Janssen odkrywa w Słońcu nieznany na Ziemi pierwiastek. Nazwano go
helem (od Helios – Słońce). Nieco później, w 1895 r., William Ramsay odkrywa hel na Ziemi.
Pierwszy pomiar prędkości światła w laboratorium wykonał w 1849 r Hyppolite Fizeau. Metoda laboratoryjna pozwoliła mu również na pomiar prędkości światła w innych ośrodkach przezroczystych.
Okazało się, że prędkość światła w wodzie jest mniejsza niż w powietrzu – inaczej, niż przewidywała
to korpuskularna teoria Newtona. Było to za to zgodne z falową teorią Younga–Fresnela i spowodowało ostateczne odrzucenie teorii Newtona. Znacznie dokładniejsze pomiary prędkości światła wykonał
w 1881 r. – urodzony w Strzelnie na Kujawach – Albert Michelson. Powtórzył je potem z Edwardem
Morleyem w 1886 r. Michelson został w 1907 r. pierwszym amerykańskim laureatem nagrody Nobla.
Dokument zosta³ pobrany z serwisu www.zamkor.pl
Wszelkie prawa zastrze¿one.
Data utworzenia:
2012-04-30
ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spó³ka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 00, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
wspólny cel...
strona 2/4
Studiując w Akademii Morskiej, Michelson wyróżniał się w boksie (był mistrzem uczelni), a także w fizyce. Na uroczystości rozdania świadectw komendant Akademii powiedział kadetowi Michelsonowi:
– Gdyby poświęcał pan mniej uwagi sprawom naukowym, a więcej morskiej sztuce artyleryjskiej,
to mógłby się pan kiedyś nauczyć dostatecznie dużo, aby stać się przydatny dla swego kraju.
W latach dwudziestych XIX w. Joseph Niépce i Louis Daguerre wykonują pierwsze fotografie (zwane dagerotypami). Dagerotyp Fryderyka Chopina widzimy na rysunku 1. W 1894 r. bracia August i Louis
Lumière kręcą pierwszy film. Od około 2000 r. tradycyjną fotografię
na chemicznym nośniku światłoczułym wypiera fotografia cyfrowa.
W 1887 r. Heinrich Hertz odkrywa zjawisko fotoelektryczne. Sprawiło ono fizykom wiele kłopotów. Przełomowa okazała się praca Alberta Einsteina z 1905 r. Według niego światło jest emitowane i pochłaniane określonymi porcjami – kwantami. W pewnym sensie jest
to powrót do korpuskularnej teorii Newtona – a dokładniej początek
fizyki kwantowej. Teoria Einsteina została uznana w 1916 r. po wykonaniu dokładnych pomiarów przez Roberta Millikana. W 1921 r.
Einstein otrzymał nagrodę Nobla „za zasługi dla fizyki teoretycznej,
a w szczególności za odkrycie praw rządzących efektem fotoelektrycznym”.
Rys. 1
Na pewnym przyjęciu, na którym był obecny Einstein, pani domu, chcąc się pochwalić wiedzą
z astronomii, wskazała na obiekt na niebie, mówiąc:
– To jest Wenus. Poznaję ją, bo zawsze lśni jak piękna kobieta.
– Przykro mi – odpowiedział Einstein – ale planeta, którą pani pokazuje, to Jowisz.
– Ach, panie profesorze, pan jest naprawdę niezwykły! Z tak dużej odległości potrafi pan rozpoznać
płeć planety!
W 1916 r. Albert Einstein publikuje kolejną pracę pt. Zur Quantenteorie der Strahlung, rozważając
w niej spontaniczną i wymuszoną emisję promieniowania. Jednak na praktyczną realizację emisji
wymuszonej trzeba było czekać aż do 1953 r., kiedy to Charles Townes buduje pierwszy maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Kiedy w 1964 r. Amerykanin Charles Townes otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki za skonstruowanie
masera, na pamiątkę ofiarował żonie kosztowny rubin. Gdy w roku 1981 laureatem nagrody został
Nicolaas Bloembergen, odkrywca masera trójpoziomowego, żona tego ostatniego też upomniała
się o odpowiedni klejnot.
– Moja droga, jestem skłonny pójść w ślady Townesa. Muszę cię jednak ostrzec, że mój laser pracuje na cyjanku – odparł Bloembergen.
Wreszcie w 1960 r. Theodore Maiman konstruuje pierwszy laser (Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation). Lasery są jedynymi źródłami emitującymi światło spójne. Dwa promienie są
spójne, jeśli mają tę samą długość fali (światło monochromatyczne), tę samą amplitudę, stałą w czasie różnicę faz oraz taką samą płaszczyznę polaryzacji. Ponadto wiązka laserowa ma bardzo małą
rozbieżność, co pozwala na uzyskanie dużej gęstości mocy.
Dokument zosta³ pobrany z serwisu www.zamkor.pl
Wszelkie prawa zastrze¿one.
Data utworzenia:
2012-04-30
ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spó³ka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 00, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
wspólny cel...
strona 3/4
Pod koniec roku szkolnego 1975/1976 zdobyłem dla szkoły helowo-neonowy laser produkcji kanadyjskiej. Trochę czasu zajęło mi przygotowanie serii doświadczeń i dwugodzinna lekcja odbyła
się już po maturze (100% obecności!). Prezentowany wówczas hologram (jeden z pierwszych wykonanych w Wojskowej Akademii Technicznej) nie oddawał nawet ułamka możliwości, które daje
współczesna holografia. Wykonane na tej lekcji doświadczenia opisałem w artykule Doświadczenia z wykorzystaniem lasera „Fizyka w Szkole” 1977, nr 5.
Z czasem powstało wiele rodzajów laserów, m.in. lasery helowo-neonowe, barwnikowe, neodymowe
czy rubinowe. W 1962 r. powstaje pierwszy laser półprzewodnikowy, dioda laserowa (rys. 2). Lasery
półprzewodnikowe są bardzo małe i tanie. Niewielki wskaźnik laserowy można niekiedy kupić nawet
w kiosku Ruchu za kilka złotych (rys. 3). Dziś prawie w każdym domu znajdziemy przynajmniej jeden
laser. Są stosowane w stacjach CD i DVD, w sprzęcie elektroakustycznym i w komputerach. Znalazły
też setki innych zastosowań, m.in. w medycynie czy
łączności światłowodowej. Lasery dużej mocy wykorzystuje również przemysł, np. do cięcia i spawania
metali. Lasery zapoczątkowały także rozwój holografii (tworzenie trójwymiarowych obrazów).
Rys. 2
Rys. 3
Dla zainteresowanych:
1. Rysunek 4. przedstawia uproszczony schemat doświadczenia Younga. Jakie zjawiska występują
w obszarach 1 i 2?
fala płaska
obszar 1
obszar 2
Rys. 4
Dokument zosta³ pobrany z serwisu www.zamkor.pl
Wszelkie prawa zastrze¿one.
Data utworzenia:
2012-04-30
ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spó³ka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 00, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
wspólny cel...
strona 4/4
2.
Odkrycie zjawiska polaryzacji światła spowodowało odrzucenie teorii opisujących światło jako
fale podłużne. Jak to uzasadnisz?
3.
Obserwujemy wiązkę światła laserowego odbitą od powierzchni dielektryka – np. szkła (rys. 5).
Obracamy laser wokół osi podłużnej, nie zmieniając kierunku wiązki. Wiązka odbita wyraźnie
zmienia jasność. O czym to świadczy? Jeśli masz laser, powtórz to doświadczenie.
ok. 34º
Rys. 5
4.
Bańki mydlane wydmuchujemy z bezbarwnej cieczy (wodny roztwór mydła ewentualnie z dodatkiem gliceryny). Bańka początkowo też jest bezbarwna. Jednak w miarę, jak rośnie bańka, pojawiają się piękne barwy. Jakiemu zjawisku zawdzięczamy te kolory? Zamiast wydmuchiwać bańki,
można też rozpiąć błonkę mydlaną na pierścieniu (rys. 6).
Rys. 6
Dokument zosta³ pobrany z serwisu www.zamkor.pl
Wszelkie prawa zastrze¿one.
Data utworzenia:
2012-04-30