Elektromagnetické vlnění

Šíření světla v optickém prostředí a definice optického prostředí, spektrum, světlo jako vlnění, barva světla, rozklad světla

 - viz otázka 9 - optika

 

Elektromagnetické spektrum

 - škála elektromagnetického vlnění. Ukazuje různé druhy elektromagnetického vlnění podle vlnové délky (záření – kratší vlnové délky).

 

Elektromagnetické vlnění

– má dvě navzájem neoddělitelné složky. Elektrickou charakterizuje vektor intenzity el. pole E a magnetickou vektor mag. indukce B.

Vektory E a B jsou navzájem kolmé, mají souhlasnou fázi a jejich kmity probíhají napříč ke směru, kterým se vlnění šíří.

Elektromagnetické vlnění je vlnění příčné a má vlastnosti vlnové a kvantové:

         vlnové (odraz, lom, ohyb, interference, polarizace)

         kvantové (fotoelektrický jev)

 

Přehled spektra je v tabulkách na straně 169! 

 

Radiové vlny (rozhlasové)

 - zdrojem elektromagnetický oscilátor, vysílá a přijímá se přes anténu.

podle vlnové délky: dlouhé, střední, krátké - již nejsou moc využívané

- velmi krátké (VKV) - TV a FM rádio. Mezi vysílačem a přijímačem musí být přímá cesta - využití satelitů – mezi oběžnou dráhou a povrchem není žádná překážka

mezi radiovými vlnami a mikrovlnami je pásmo pro mobilní sítě (900 a 1800 MHz)

 

Mikrovlny

 - určité vlnové délky rozkmitávají molekuly vody Þ mikrovlnné trouby – kmitání molekul vody vyvolává tření, ohřívá se; ohřev je stejnoměrný po celém objemu.

 

Rentgenové záření 

(dříve paprsky X), vzniká na speciálních elektronkách – rentgenkách

- reaguje s fotografickou deskou, proniká kovy, ionizuje vzduch

 - pohlcováno v závislosti na protonovém čísle- diagnostika (rentgen) a na tloušťce látky - defektoskopie (zjišťování trhlin nebo vzduchových bublin v odlitcích)

 - léčba zhoubných nádorů (ničí buňky)

 

Záření γ (jaderné)  

 - při jaderných reakcích z radioaktivních látek, neexistuje samovolně, ale doprovází záření β nebo β

γ - je nejpronikavější jaderné záření (vedle α a β), lze jej zeslabit silnou vrstvou železobetonu nebo materiálem obsahujícím jádra těžkých prvků (Pb). V magnetickém a elektrickém poli se neodchyluje.

 - silné ionizační účinky, v důsledku fotoefektu uvolňuje z látek nabité částice

- podobně jako rentgenové záření je pohlcováno podle struktury – používá se v defektoskopii , stačí menší dávky;

 - způsobuje genetické změny, nemoc z ozáření - rakovinné bujení

 

 

Disperze světla (rozklad)

 - Bílé světlo se při průchodu hranolem rozloží

 - k rozkladu světla lomem se využívá optický hranol → vzniká hranolové spektrum

 - spektrum pozorujeme spektroskopem - spektrální analýza (zjištění složení hvězd).

 

Index lomu optického prostředí závisí na frekvenci světla a při normální disperzi se s rostoucí frekvencí zvětšuje => fialová se láme více než červená.

 

f = v / λ

 - protože frekvence f se nemění, ale rychlost se v optickém prostředí mění, dojde ke změně vlnové délky - světlo se rozloží na své barevné složky (vlnové délky).

 

Ve vakuu k disperzi nedochází.

 

Interference světla (skládání)

 - podobné, jako u mechanického vlnění, ale u přirozených zdrojů světla je fázový rozdíl konstantní jen po velmi krátkou dobu.

Interference může nastat pouze tehdy, je-li splněna podmínka koherence.

PODMÍNKA KOHERENCE:

 - paprsky musí mít stejnou frekvenci a musí mít na sobě nezávislý fázový rozdíl.

 - dochází k zesvětlení nebo ztmavení (proužky)

 

Interference na tenké optické vrstvě

(bubliny, olejová skvrna). Světlo musí být kolmé k rozhraní. Část světla se odrazí a část pronikne do optické vrstvy o tloušťce d a odrazí se až na druhém rozhraní.

 

obr.: vzduch voda vzduch

 

Pro určení dráhového (fázového) posunu obou vlnění je důležitá tzv. optická dráha l. - v různých prostředích se liší vlnové délky stejného světla (voda a vakuum), proto se optická dráha definuje jako dráha, kterou by světlo urazilo ve vakuu.  

  l = n × s

n je index lomu. Světlo urazí ve vrstvě dráhu   s = 2 × d (tam a zpátky), čili dráhový rozdíl mezi světlem, které do vrstvy nevstoupilo a světlem, které prošlo vrstvou je:

dráhový rozdíl Δl = n × 2 × d.

 

Interferenční maximum

v místech, v nichž se vlnění setkávají se stejnou fází

 

Při odrazu světelného vlnění na rozhraní s opticky hustším prostředím se fáze světelného vlnění mění v opačnou (fázový posun lambda / 2 - půlvlna).

n × 2 × d + lambda / 2 = k * lambda         (k = 1,2,3... světlé proužky)

 

<- jen upraveno, aby vyšlo Δl

Interferenční minimum

v místech, v nichž se vlnění setkávají s opačnou fází

 

Při odrazu na rozhraní s opticky řidším prostředím se fáze vlnění nemění (fázový posun 0).

 

n × 2 × d = k * lambda         (k = 1,2,3... tmavé proužky) - v tab. jako varianta maxima.

 

Rozhraní kombinace tmavých a světlých pruhů je jen pro monochromatické světlo. Sluneční světlo reaguje tak, že se zobrazí pruhy různých barev, protože různé barvy mají jiný fázový posun. Proto jsou bubliny barevné, stejně jako olejové skvrny na vodě. Tloušťka pruhů se vzdáleností od středu zmenšuje.

 

Interference pomocí Newtonových skel

  - tvořeny jedním rovným sklem a jednou ploskovypuklou čočkou). Mezi čočkou a sklem je tenká, ale různě tlustá vrstva vzduchu. Dojde k interferenci a zobrazí se Newtonovy kroužky. Pomocí Newtonových kroužků lze měřit vlnová délka světla, nebo kontrolovat opracování.

 

Využití interference:

interferometr: měření velmi malých délek (měření jakosti povrchu obráběných ploch), určení indexu lomu prostředí, optické vrstvy a vlnové délky

– hologramy

 

Polarizace

 - polarizovat lze pouze příčné vlnění (což je i světlo)

Nepolarizované světlo – vektor E kmitá v rovině kolmé ke směru šíření světla, ale v různých směrech

Polarizované světlo – vektor E kmitá jen po jedné přímce.

 

1) Polarizace odrazem a lomem

Odražené světlo je zcela polarizováno pouze při určitém úhlu dopadu (a_B - Brewsterův neboli polarizační úhel, který závisí na indexu lomu

α_B = arctang (n2 / n1) – není v tab

2) Polarizace dvojlomem – u anizotropního prostředí (krystal islandského vápence) – paprsek se rozdělí na dva polarizované paprsky.

3) Polarizace polaroidy

 - speciální filtry ze dvou vrstev plastu a mezi nimi látka umožňující dvojlom (mikrokrystalky hepatitu)

 

Zařízení, kterým se přirozené světlo mění na polarizované, se nazývá polarizátor.

 - jeho funkci ověříme analyzátorem - vložíme za polarizátor ještě jeden a a při určitém natočení by světlo nemělo procházet.

 

Využití polarizace: snížení intenzity světla (např. polarizační filtry na fotoaparát při fotografování sněhu nebo výloh, polarizační brýle - motoristům tlumí odrazy od vozovky) + lcd displeje