Òptica
1- Objective
2-3- Porro prisms
4Eyepiece
L'òpticaés la part de lafísicaque estudia el comportament de lallumd'ençà que és generada per unafont lluminosafins que és detectada pelsdetectorsde llum. És a dir, es fixa en com es crea, com es mou pels diferentsmedisi quins aparells cal utilitzar per detectar-la de la millor manera possible. Depenent delfenomenque sigamatèriad'estudi, del nivell d'aproximació que calgui i de la mesura dels obstacles que trobi a la seuatrajectòria,l'òptica usarà unsformalismeso uns altres.
Així es pot distingir l'òptica clàssica,que estudia la llum com si fos unaona,es basa en lateoria electromagnèticade la llum. Quan la llum travessa escletxes de mesura microscòpica es pot estudiar mitjançant l'òptica geomètrica.Quan els fenòmens que són estudiats no entren dins del camp de l'electromagnetisme clàssic, perquè les mesures dels objectes i els sistemes que s'estudien són d'escala atòmica,s'ha de cercar una altra òptica per explicar-los adequadament; aquesta nova classe d'òptica és coneguda com aòptica quàntica.
Els principis de l'òptica són utilitzats per a construir dispositius que ens permeten una millor visió en circumstàncies concretes com ara;
- Per a augmentar les capacitats visuals:
- Elmicroscopi
- Eltelescopi
- Elsbinocles
- ...
- Per a corregir els defectesvisuals(vegeuoptometriaioftalmologia):
Teories científiques[modifica]
Des d'un punt de vista físic, la llum és una ona electromagnètica. Segons els model utilitzat per la llum, es distingeix entre les següents "rames", per ordre creixent de precisió:
- L'òptica geomètrica:Tracta la llum com un conjunt de raigs que compleixen el principi de Fermat. S'utilitza en l'estudi de la transmissió de la llum per medis homogenis (miralls,...), la reflexió i la refracció.
- L'òptica electromagnèticao òptica física: Considera a la llum com una ona electromagnètica, explicant d'aquesta manera la difracció, interferència reflectància i transmitància, i els fenòmens de la polarització i l'anisotropia.
- L'òptica quàntica:Estudi quàntic de la interacció entre les ones electromagnètiques i la matèria, on la dualitat ona-corpuscle té un paper important.
Espectre electromagnètic[modifica]
L'òptica es va iniciar com una ramificació de la física diferent de l'electromagnetisme. En l'actualitat se sap que lallumvisible prové de l'espectre electromagnètic, que és el conjunt de totes lesfreqüènciesde vibració de les ones electromagnètiques. Els colors visibles per a l'ullhumà s'agrupen a la part de "l'espectre visible".
Desenvolupament històric[modifica]
L'òptica geomètrica en l'Edat antiga coneixia la propagació rectilínia de la llum, lareflexiói larefracció.Dos filòsofs i matemàtics grecs varen escriure un tractat sobre òptica:EmpèdoclesiEuclides.
A l'edat modernaRené Descartesconsiderava la llum com una ona de pressió transmesa a través d'un medi elàstic perfecte (l'èter) que omplia l'espai. Atribuint els diferents colors a moviments rotatoris de diferents velocitats de les partícules en el medi. La llei de la refracció va ser descoberta experimentalment el1621perWillebrord Snel van Royen.El1657Pierre de Fermatanuncià el principi del temps mínim i a partir d'ell deduí la llei de la refracció.
En la refracció el raig de llum que travessa d'un mitjà a un altre, s'anomena raig incident, mentre que el raig de llum que ingressa al segon medi s'anomena raig refractat. L'angle del raig incident respecte a la perpendicular que separa els dos medis s'anomena angle d'incidència, i l'angle que forma el raig refractat respecte a la mateixa perpendicular s'anomena angle de refracció.
Les lents i la seva creació[modifica]
Actualment hi ha una disputa amb evidències arqueològiques sobre l'ús de lents a l'antiguitat, que comprèn diversos mil·lennis. Algunes de les suggerències inclouen que les cobertes d'ulls de vidre delsjeroglíficsde l'Antic Regne d'Egipte (c. 2686-2181 aC) erenlents meniscde vidre simple, funcionals. De la mateixa manera, l'anomenadalent de Nimrud,un artefacte de cristall de roca del segleviiaC, pot haver estat utilitzada com alupao decoració.
El primer registre escrit d'unaugment òptices remunta al segle I dC, quanSèneca el Jove,tutor de l'emperador Neró, va escriure: "Les cartes, per petites i indistintes que siguin, es veuen engrandides i amb més claredat a través d'un globus o got ple d'aigua". També es diu que l'emperadorNeróva veure els jocs de gladiadors utilitzant unaesmaragdacom a lent correctora.
Ibn al-Hàytham(Alhacen) va escriure sobre els efectespinhole(a partir del qual es basa lacàmera estenopeica), les lents còncaves i les lupes al seu Llibre d'Òptica del 1021 dC. Les obres escrites sobre òptica del frare anglès Roger Bacon als anys 1260-1270, basades en part en les obres d'escriptors àrabs, descriuen la funció de les lents correctives per a la visió i les ulleres devidre ardent.Aquests volums van ser uns es Boss os per a una publicació més gran que mai es va produir, de manera que les seves idees no van tenir mai una gran difusió.
Entre els segles XI-XIII, les "pedres de lectura" (en anglèsreading stones)es van inventar. Aquestes van ser utilitzades de manera sovint pels monjos per ajudar a il·luminar manuscrits, i eren lents primitives plano-convexes fetes incialment tallant una esfera de vidre per la meitat. A mesura que van anar experimentant amb les pedres, es va entendre lentament que les lents de poca produnditat augmentaven amb més eficàcia. Així, cap a l'any 1286, possiblement a Pisa (Itàlia), es van fabricar les primeres ulleres, encara que el seu inventor no està del tot clar.
Els primers telescopis de treball coneguts van ser els telescopis refractors que van aparèixer als Països Baixos el 1608, d'inventor desconegut.Hans Lippersheyva sol·licitar la primera patent aquell any, seguida d'una sol·licitud de patents de Jacob Metius d'Alkmaar dues setmanes després (a cap dels dos se'ls va concedir ja que hi havia un gran nombre d'exemples de telescopis a l'època).Galileuva millorar significativament aquests dissenys l'any següent. AIsaac Newtonse li atribueix la construcció del primer telescopi reflector funcional el 1668, el seureflector newtonià.
Els primers exemples coneguts de microscopis òptics compostos van aparèixer a Europa al voltant de 1620. El disseny és molt semblant al telescopi i, com aquest dispositiu, es desconeix el seu inventor. De nou, les al·legacions giren al voltant dels centres de fabricació d'ulleres als Països Baixos, incloses les al·legacions que es van inventar el 1590 perZacharias Jansseni/o el seu pare, Hans Martens, que afirmen que va ser inventat pel fabricant d'ulleres rival,Hans Lippershey.Aquest darrer afirma que va ser inventat per l'expatriatConrelis Drebbel,que va ser documentat que tenia una versió a Londres el 1619.Galileu(a vegades citat com l'inventor del microscopi òptic compost) sembla haver descobert, després de 1609, que podia enfocar de prop el seu telescopi per veure objectes petits i, després de veure un microscopi òptic compost construït per Drebbel (exposat a Roma el 1624), va construir la seva pròpia versió millorada. El nom de microscopi va ser establit per Giovanni Faber, que va donar aquest nom al microscopi compost de Galileu el 1625.
Òptica moderna[modifica]
L'òptica moderna abasta les regions de la ciència i l'enginyeria òptica que es va fer popular al seglexx.Aquestes àrees de la ciència òptica normalment es refereixen a l'electromagnètica o les propietats quàntiques de la llum, però s'inclouen altres temes. Un subcamp important de l'òptica moderna, l'òptica quàntica, en concret s'ocupa de les propietats mecàniques a nivell quàntic de la llum. Es va començar a estudiar el1899de la mà deMax Planck,amb la seva deducció de la radiació delcos negre,assumint que l'intercanvi d'energiaentre la llum i la matèria només es produïa en quantitats discretes. L'estudi d'aquest tema va anar avançant i no es va quedar només en teoria. En l'actualitat, alguns dispositius moderns com ellàser,els seus principis de funcionament depenen de la mecànica quàntica. Els detectors de llum, comfotomultiplicadorsielectromultiplicadors,responen afotonsindividuals. Els sensors electrònics d'imatge, com araCCD.Elsdíodes emissors de llumi lescèl·lules fotovoltaiquesno es poden entendre sense la mecànica quàntica. En l'estudi d'aquests dispositius, l'òptica quàntica sovint se superposa amb l'electrònica quàntica.
Làser[modifica]
Un làser és un dispositiu que emet llum a través d'un procés anomenat:emissió estimulada.El termelàserés unacrònimde l'expressió anglesaLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation(«Amplificació de llum per emissió estimulada de radiació»).[1]La llum làser és generalmentcoherent,la qual cosa significa que s'emet en un estret feix de baixadivergènciao que es pot convertir en un d'aquests feixos amb l'ajuda de components òptics com leslents.Com que l'equivalent amicroonesdel làser, el "màser", es va desenvolupar primer, els dispositius que emeten freqüències de microones i deràdiogeneralment s'anomenen "màsers".[2]
El primer làser en funcionament va ser presentat el 16 de maig de 1960 per Theodore Harold Maiman en elsHughes Research Laboratories.[4]Quan es van inventar per primera vegada, se'ls va anomenar "una solució que busca un problema".[5]Des d'aleshores, els làsers han esdevingut una indústria multimilionària, trobant utilitat en milers d'aplicacions molt variades. La primera aplicació de làser visible a la vida quotidiana de la població general va ser l'escàner decodi de barresdels supermercats, introduït el 1974.[6]El reproductorlaserdisc,presentat el 1978, va ser el primer producte de consum exitós a incloure un làser, però el reproductor dedisc compacteva ser el primer dispositiu equipat amb làser veritablement comú a les llars dels consumidors, començant el 1982.[7]Aquests dispositius d'emmagatzematge òpticusen undíode làserde menys d'un mil·límetre d'amplada amb què escanegen la superfície del disc per a la recuperació de dades. Lescomunicacions per fibra òpticadepenen dels làsers per transmetre grans quantitats d'informació a la velocitat de la llum. Altres aplicacions comunes dels làsers inclouen lesimpressores làseri elspunters làser.També s'usen en medicina en àrees com lacirurgia general,lacirurgia refractivai lamicrodisecció làser;així com en aplicacions militars comsistemes antimíssil,contramesures electro-òptiquesi sistemeslIDAR.Els làsers també s'usen enholografia,gravats 3D,pantalles làseridepilació làser.[8]
A la construcció, s'utilitzen com a eines de tall de planxes metàl·liques; en geodèsia i topografia elstelèmetres làserserveixen per a la mesura precisa de distàncies (com en el cas extrem del mesurament de la distància entre la Terra i la Lluna, utilitzant els miralls situats a la superfície del satèl·lit per diferents missions espacials); i en la navegació aeronàutica són la base delsgiròscops de làser d'anell.
Així mateix, en alguns tipus dereactors de fusió nuclears'utilitzen raigs làser de gran potència per assolir les elevades temperatures que requereixen aquest tipus de reaccions.
Efecte Kapitsa-Dirac[modifica]
L'efecte Kapitsa-Diracfa que els feixos de partícules es difractin com a resultat de trobar-se amb una ona estacionària de llum. La llum es pot fer servir per manipular fragments atòmics o moleculars de matèria, aprofitant les propietats d'aquest fenomen (vegeupinces òptiques).
Llei de Snell[modifica]
Lallei de Snellés una fórmula simple utilitzada per calcular l'angle de refracció de la llum en travessar la superfície de separació entre dos medis de propagació de la llum (o qualsevol ona electromagnètica) amb índex de refracció diferent. El nom prové del seu descobridor, el matemàtic holandès Willebrord Snel van Royen (1580-1626). Li van posar "Snell" a causa del seu cognom però li van posar dues "l" pel seu nom Willebrord el qual porta dues "l". La llei de Snell és molt utilitzada en molts casos. La llei afirma que el producte de l'índex de refracció pel sinus de l'angle d'incidència és constant per a qualsevol raig de llum que incideixi sobre la superfície que separa dos medis. Encara que la llei de Snell va ser formulada per explicar els fenòmens de refracció de la llum, es pot aplicar a tot tipus d'ones que travessin una superfície de separació entre dos medis en els quals la velocitat de propagació de l'ona variï.
Reflexió i refracció[modifica]
((AP | Òptica geomètrica)) A l'edat antigaes coneixia la propagació rectilínia de la llum i la reflexió i refracció. Dos filòsofs i matemàtics grecs van escriure tractats sobre òptica:EmpèdoclesiEuclides.
Ja en l'edat modernaRené Descartesconsiderava la llum com una ona de pressió transmesa a través d'un medi elàstic perfecte (l'èter) que omplia l'espai. Atribuir els diferents colors a moviments rotatoris de diferents velocitats de les partícules en el medi.
La llei de la refracció va ser descoberta experimentalment el 1621 per Willebrord Snel. El1657Pierre de Fermatanunciar elprincipi del temps mínimi ha partir d'ell va deduir la llei de la refracció.
En la refracció el raig de llum que es travessa d'un mitjà transparent a un altre, es denomina raig incident, el raig de llum que es desvia en ingressar al segon medi transparent s'anomena raig refractat, l'angle en què el raig incident, en ingressar al segon mitjà, forma amb la perpendicular a aquest, s'anomena angle d'incidència, l'angle que el raig incident forma amb el raig refractat, en desviar, s'anomena angle de refracció
Interferència i difracció[modifica]
Robert Boyle i Robert Hooke i a dita teoria la proposà Isaac Newton, els altres varen descobrir, de manera independent, el fenomen de la interferència coneguda com a anells de Newton. Hooke també observà la pre sắc ncia de llum en l'ombra geomètrica, degut a la difracció, fenomen el qual va ser descobert perFrancesco Maria Grimaldi.Hooke pensava que la llum consistia en vibracions propagades instantàniament a gran velocitat i pensava que en un medi homogeni cada vibració generava una esfera que creixia de forma regular. Amb aquestes idees, Hooke intentà explicar el fenomen de la refracció i interpretar els colors. Encara que els estudis que aclarien les propietats dels colors vara ser desenvolupats per Newton que va descobrir el 1666 que la llum blanca pot dividir-se en els seus colors components mitjançant un prisma i trobà que cada color pur es caracteritza per una refractabilitat específica. Les dificultats que la teoria ondulatòria es trobava per explicar la propagació rectilínia de la llum i la polarització (descoberta per Huygens) portaren a Newton a inclinar-se per la teoria corpuscular, que suposa que la llum es propaga des dels cossos lluminosos en forma de partícules.
En l'època en què Newton va publicar la seva teoria del color, no es coneixia si la llum es propagava instantàniament o no. El descobriment de la velocitat finita de la llum el va realitzar el 1675 Olaf Roemer a partir d'observacions dels eclipsis de Júpiter.
Les ones lluminoses com ones electromagnètiques[modifica]
Mentrestant, les investigacions enelectricitatimagnetismees desenvolupaven culminant en els descobriments deMichael Faraday.James Clerk Maxwellva aconseguir resumir tot el coneixement previ en aquest camp en un sistema d'equacions que establien la possibilitat d'ones electromagnètiques amb una velocitat que podia calcular a partir dels resultats de mesures elèctriques i magnètiques. Quan Rudolph Kohlrausch iWilhelm Webervan realitzar aquestes mesures, la velocitat obtinguda resultar coincidir amb la velocitat de la llum. Això va portar a Maxwell a especular que les ones lluminoses eren electromagnètiques, el que es va verificar experimentalment el 1888 perHeinrich Hertz.
Instruments òptics[modifica]
Les lents individuals tenen una varietat d'aplicacions incloses en fotografia, lents de correcció i lents d'augment mentre que els miralls són utilitzats en reflectors parabòlics i retrovisors. Combinant miralls, prismes i lents apareixen instruments òptics amb usos molt pràctics. Per exemple, unperiscopiestà format per dos miralls alineats de tal forma que permeten veure a través d'obstruccions. Els instruments òptics més famosos en laciènciasón elmicroscopii eltelescopi
Vegeu també[modifica]
- Llei de Snell
- Línies d'absorció
- Arc de Sant Martí
- Fotó
- Efecte Doppler
- Difracció
- Lent
- Longitud d'ona
- Llum
- Reflexió
- Refracció
- Metamaterial
Referències[modifica]
- ↑«laser».Reference.Arxivat de l'originalel 31 de març de 2008. [Consulta: 15 maig 2008].
- ↑Charles H. Townes – Nobel Lecturenobelprize.org
- ↑«The VLT’s Artificial Star».[Consulta: 25 juny 2014].
- ↑C. H. Townesarchivedate=2008-05-17. «The first laser». University of Chicago. [Consulta: 15 maig 2008].
- ↑C. H. Townes.«The first laser». A:A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World.University of Chicago Press, 2003, p.107–12.ISBN 0-226-28413-1.
- ↑What is a bar code?denso-wave
- ↑«How the CD was developed».BBC News,17-08-2007 [Consulta: 17 agost 2007].
- ↑J. Wilson; J.F.B. HawkesLasers: Principles and Applications, Prentice Hall International Series in Optoelectronics.Prentice Hall, 1987.ISBN 0-13-523697-5.
Principals camps de laFísica | |
|---|---|
