Optika

See artikkel räägib teadusharust; Newtoni teose kohta vaata artiklitOptika (Newton)

Optikaehkvalgusõpetusonfüüsikaharu, mis kirjeldabvalgusekäitumist ja omadusi, sealjuures kaaineja valguse vastastikmõju. Samuti iseloomustab see valgust avastavate või seda kasutavate instrumentide ehitust ja põhimõtteid. Enamasti käsitleb optika niinähtava,ultraviolett- kui kainfrapunavalguseomadusi. Kuna valgus onelektromagnetlaine,on tal sarnased omadused teiste elektromagnetlainetega, näiteksröntgenikiirguseningmikro- jaraadiolainetega.^[1]

Suurt osa optilisi nähtusi saab seletada klassikalise käsitlusega, kuigi täpset teooriat on tihti raske praktikas rakendada. Praktilisi katseid tehes kasutatakse üldjuhulmudeleid.Üks kõige levinum neist,geomeetriline optika,käsitleb valgust kiirtekimbuna, milles kiired levivadsirgjooneliseltja muudavad suunda ainelt peegeldudes või seda läbides.Füüsikaline optikaon keerulisem mudel, mis suudab kirjeldada (erinevalt geomeetrilisest)difraktsioonijainterferentsi,võttes arvesse valguselainelisiomadusi. Ajalooliselt eelnes geomeetriline käsitlus füüsikalisele olles vanimaks optika osaks.19. sajandiarengelektromagnetteooriasviis arusaamani, et valgus on tegelikult elektromagnetkiirgus.

Mõned nähtused vajavad aga kirjeldamiseks mõlema teooria olemasolu, arvestades nii valguse lainelisi kui kaosakeselisiomadusi. Selliste nähtuste seletamiseks on vaja rakendadakvantmehaanikat,kus näiteks valgusvoogu saab kirjeldada ka osakeste, mida nimetataksefootoniteks,voona.Kvantoptikategeleb kvantmehaanika kaudu optiliste süsteemide seletamisega.

Optikast on kasu väga paljudes valdkondades, näiteksastronoomias,inseneriteadustes,fotograafiasjameditsiinis(näiteksoptomeetria). Praktiliselt kasutatakse optikat igal sammul:peegleidjaläätsikasutatakse näiteksteleskoopides,mikroskoopidesjafotoaparaatides,optilisi kaableidnäiteksmeditsiinisjaandmesides.Tänu optikale on vaegnägijatel võimalus kasutadaprillejakontaktläätsi.

Ajalugu

Optika sai alguseVana-EgiptusestjaMesopotaamiast,kus valmistati esimesed läätsed. Kõige varasem teadaolev lääts onNimrodi lääts^[2],mis valmistati umbes 700 eKr poleeritudkvartsist.Muistsed roomlased ja kreeklased täitsid klaaskerasidveega ja kasutasid neid samal eesmärgil. Sõna "optika" tulenebvanakreekasõnastὀπτική,mis tähendab välimust, väljanägemist.^[3]

Kreekafilosoofiajagunes optika seisukohalt kaheks. Üks koolkond väitis, et visuaalne taju toimub siis, kui keha pinnalt „voolab “tema projektsioon ehkeidolavaatleja silma. Selle teooria toetajate seas olid näiteksDemokritosjaAristoteles.^[4]

Teise poole üks rajajaid oliPlaton,kes kirjeldas nägemist hoopis selle kaudu, et vaatleja silmad väljastavad kiiri, millega siis ümbritsevat tajutakse. Sadu aastaid hiljem kirjutasEukleidesteose "Optika", milles ta ühendas nägemismeele geomeetriaga, pannes nii aluse geomeetrilisele optikale. Tema töö põhines Platoni teoorial, iseloomustades nägemise matemaatilisi reegleid ja isegi valguse murdumist.^[5]

Keskajal arendasid neid ideid edasi moslemid. Üks kõige varajasematest oliAl-Kindi(801–873), toetudes Aristotelese ja Eukleidese seisukohtadele^[6].Aastal984kirjeldas pärsia matemaatikIbn Sahlvalguse murdumise seaduspärasusi sarnaselt praegu kasutatavaSnelli seadusega^[7].

11. sajandialguses kirjutasAlhazen(Ibn al-Haytham) raamatu, milles ta uuris nii valguse peegeldumist kui ka murdumist ja pakkus välja uue süsteemi, selgitamaks inimese visuaalset taju.^[8]^[9]^[10]^[11]^[12].Tema teooria kohaselt tabavad vaatleja silma sirgjoonelised valguskiired, mis on peegeldunud vaadeldava objekti kõigilt punktidelt. Täpsemat viisi, kuidas silm neid kiiri püüab, ei osanud ta aga selgitada.^[13]

Esimesed kantavad prillid leiutasSalvino D’Armate Itaaliasaastal1284.^[14]

Läbimurde tegiRené Descartes,kes seletas hulga optilisi fenomene, eeldades, et valgus kiirgab objektidelt, mis seda tekitavad.^[15]

Järgmisena viis optikat põhjapanevalt edasiIsaac Newton,tõestades, et valge valgus koosneb tegelikult spektrivärvidest. Aastal1690avaldasChristiaan Huygensvalguselaineteooria,pannes aluse füüsikalisele optikale. Sellest hoolimata aktsepteeriti Newtoni optikat 19. sajandi alguseni, milThomas YoungjaAugustin-Jean Fresneldemonstreerisid kuulsatYoungi katset.^[16]1860. aastatelühendasJames Clerk Maxwellka valguse oma elektromagnetteooriaga ning algas laineoptika võidukäik.^[17]

Klassikaline optika

Klassikaline optikaon üldjoontes jagatud kaheks: geomeetriliseks ja füüsikaliseks optikaks. Geomeetrilises ehk kiirteoptikas käsitletakse valgust sirgjooneliste kiirte levimisena, aga füüsikalises optikas loetakse valgustelektromagnetilisekskiirguseks, teda käsitletakse elektromagnetlainena.

Geomeetriline optika on füüsikalise optika lähendus, kus uuritava valguselainepikkuson kasutatavate optiliste elementide mõõtmetega võrreldes palju kordi väiksem.

Füüsikaline optika

Füüsikaline optikakäsitleb valgust elektromagnetlaine levimisena. Selline mudel selgitab näiteks interferentsi ja difraktsiooni, mida geomeetriline optika ei selgita.Valguslainekiirusõhuson umbes 3,0×10⁸m/s (vaakumis 299 792 458 m/s).

Nähtava valguse lainepikkus varieerub 400–700 nanomeetrini, kuid terminit „valgus “kasutatakse tihti ka infrapunase (0,7–300 μm) ja ultravioletse (10–400 nm)kiirgusekirjeldamiseks.

Lainemudelitsaab kasutada optilise süsteemi käitumise ennustamiseks.

Kuni 19. sajandi keskpaigani arvas enamik füüsikuid, et eksisteerib müstiline keskkond „eeter“,milles valgus liigub. Elektromagnetlainete olemasolu tehti kindlaks1865.aastalMaxwelli võrranditega.Sellised lained levivadvalguse kiiruselning neil on muutuvadelektrivälijamagnetväli,mis on üksteise ja levimissuuna suhtes risti. Valguslaineid käsitletakse nüüd elektromagnetlainetena, välja arvatud siis, kui tuleb rakendada kvantmehaanikat.

Geomeetriline optika

Geomeetriline ehk kiirteoptika kirjeldab valguse levikut kiirtena, mis liiguvad homogeenses keskkonnas sirgjooneliselt ja milletrajektoorerinevate keskkondade vahel on määratudpeegeldumis- jamurdumisseadustega.

Need seaduspärasused määrati kindlaks juba aastal 984 ja neid kasutatakse tänapäevani optiliste instrumentide konstrueerimisel:

Kui valguskiir läbib kahe keskkonna piirpinda, jaguneb see peegeldunud ja murdunud kiireks.
Peegeldumisseadusütleb, et peegeldunud kiir on samas tasandis pinna normaali ja langenud kiirega ninglangemisnurkjapeegeldumisnurkon võrdsed.
Murdumisseadusütleb, et murdunud kiir on samas tasandis pinna normaali ja langenud kiirega ning murdumisnurga ja langemisnurgasiinustesuhe n on konstantne. See on tuntud ka kui kahe ainesuhteline murdumisnäitaja:

{\frac {\sin {\theta _{1}}}{\sin {\theta _{2}}}}=n

.

Peegeldumis- ja murdumisseadused saab tuletadaFermat’ printsiibist,mis väidab, et valgus levib mööda sellist teed, mille läbimiseks kulub kõige vähem aega.^[18]

Vaata ka

Spektroskoopiline ellipsomeetria

Viited

↑McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology(5th ed.). McGraw-Hill. 1993.
↑"World's oldest telescope?".BBC News. 1. juuli 1999.Vaadatud 3.01.2010.
↑T. F. Hoad (1996).The Concise Oxford Dictionary of English Etymology.ISBN 0-19-283098-8.
↑A History Of The Eye.stanford.edu. Retrieved on 2012-06-10
↑William R. Uttal (1983).Visual Form Detection in 3-Dimensional Space.Psychology Press. Lk 25–.ISBN 978-0-89859-289-4.^{[alaline kõdulink]}
↑Peter Adamson. "Al-Kindi and the reception of Greek philosophy". In Peter Adamson, R. Taylor. "The Cambridge companion to Arabic philosophy".Cambridge University Press 2006, p. 45.ISBN 978-0-521-52069-0.
↑Rashed, Roshdi (1990). "A pioneer in anaclastics: Ibn Sahl on burning mirrors and lenses".Isis.81(3): 464–491.DOI:10.1086/355456.ISSN 0021-1753.JSTOR 233423.
↑A. I. Sabra and J. P. Hogendijk (2003).The Enterprise of Science in Islam: New Perspectives.MIT Press. Lk85–118.ISBN 0-262-19482-1.OCLC 237875424 50252039.{{cite book}}:kontrolli parameetri|oclc=väärtust (juhend)
↑G. Hatfield (1996). "Was the Scientific Revolution Really a Revolution in Science?". F. J. Ragep, P. Sally, S. J. Livesey (toim).Tradition, Transmission, Transformation: Proceedings of Two Conferences on Pre-modern Science held at the University of Oklahoma.Brill Publishers. Lk 500.ISBN 9004101195.{{cite book}}:CS1 hooldus: mitu nime: toimetajate loend (link)
↑Nader El-Bizri (2005)."A Philosophical Perspective on Alhazen's Optics".Arabic Sciences and Philosophy.15:189–218.DOI:10.1017/S0957423905000172.
↑Nader El-Bizri (2007)."In Defence of the Sovereignty of Philosophy: al-Baghdadi's Critique of Ibn al-Haytham's Geometrisation of Place".Arabic Sciences and Philosophy.17:57–80.DOI:10.1017/S0957423907000367.
↑G. Simon (2006). "The Gaze in Ibn al-Haytham".The Medieval History Journal.9:89.DOI:10.1177/097194580500900105.
↑Ian P. Howard; Brian J. Rogers (1995).Binocular Vision and Stereopsis.Oxford University Press. Lk 7.ISBN 978-0-19-508476-4.
↑M. Bellis."The History of Eye Glasses or Spectacles".About:Inventors.Vaadatud 1.09.2007.^{[alaline kõdulink]}
↑A. I. Sabra (1981).Theories of light, from Descartes to Newton.CUP Archive.ISBN 0-521-28436-8.
↑W. F. Magie (1935).A Source Book in Physics.Harvard University Press. Lk309.
↑J. C. Maxwell (1865). "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field".Philosophical Transactions of the Royal Society of London.155:459.Bibcode:1865RSPT..155..459C.DOI:10.1098/rstl.1865.0008.
↑Sir Arthur Schuster (1904).An Introduction to the Theory of Optics.E. Arnold. Lk 41.

[McGrawHill-1] McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology(5th ed.). McGraw-Hill. 1993.

[Qgjow-2] "World's oldest telescope?".BBC News. 1. juuli 1999.Vaadatud 3.01.2010.

[ctYvo-3] T. F. Hoad (1996).The Concise Oxford Dictionary of English Etymology.ISBN 0-19-283098-8.

[hP7da-4] A History Of The Eye.stanford.edu. Retrieved on 2012-06-10

[WxhLo-5] William R. Uttal (1983).Visual Form Detection in 3-Dimensional Space.Psychology Press. Lk 25–.ISBN 978-0-89859-289-4.^{[alaline kõdulink]}

[KP2TH-6] Peter Adamson. "Al-Kindi and the reception of Greek philosophy". In Peter Adamson, R. Taylor. "The Cambridge companion to Arabic philosophy".Cambridge University Press 2006, p. 45.ISBN 978-0-521-52069-0.

[j1-7] Rashed, Roshdi (1990). "A pioneer in anaclastics: Ibn Sahl on burning mirrors and lenses".Isis.81(3): 464–491.DOI:10.1086/355456.ISSN 0021-1753.JSTOR 233423.

[C5Bzb-8] A. I. Sabra and J. P. Hogendijk (2003).The Enterprise of Science in Islam: New Perspectives.MIT Press. Lk85–118.ISBN 0-262-19482-1.OCLC 237875424 50252039.{{cite book}}:kontrolli parameetri|oclc=väärtust (juhend)

[CFFlm-9] G. Hatfield (1996). "Was the Scientific Revolution Really a Revolution in Science?". F. J. Ragep, P. Sally, S. J. Livesey (toim).Tradition, Transmission, Transformation: Proceedings of Two Conferences on Pre-modern Science held at the University of Oklahoma.Brill Publishers. Lk 500.ISBN 9004101195.{{cite book}}:CS1 hooldus: mitu nime: toimetajate loend (link)

[6NUNd-10] Nader El-Bizri (2005)."A Philosophical Perspective on Alhazen's Optics".Arabic Sciences and Philosophy.15:189–218.DOI:10.1017/S0957423905000172.

[d3EOD-11] Nader El-Bizri (2007)."In Defence of the Sovereignty of Philosophy: al-Baghdadi's Critique of Ibn al-Haytham's Geometrisation of Place".Arabic Sciences and Philosophy.17:57–80.DOI:10.1017/S0957423907000367.

[J3T8J-12] G. Simon (2006). "The Gaze in Ibn al-Haytham".The Medieval History Journal.9:89.DOI:10.1177/097194580500900105.

[LyxS0-13] Ian P. Howard; Brian J. Rogers (1995).Binocular Vision and Stereopsis.Oxford University Press. Lk 7.ISBN 978-0-19-508476-4.

[p6PTX-14] M. Bellis."The History of Eye Glasses or Spectacles".About:Inventors.Vaadatud 1.09.2007.^{[alaline kõdulink]}

[Sabra-15] A. I. Sabra (1981).Theories of light, from Descartes to Newton.CUP Archive.ISBN 0-521-28436-8.

[6SAeo-16] W. F. Magie (1935).A Source Book in Physics.Harvard University Press. Lk309.

[7jJi7-17] J. C. Maxwell (1865). "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field".Philosophical Transactions of the Royal Society of London.155:459.Bibcode:1865RSPT..155..459C.DOI:10.1098/rstl.1865.0008.

[Eqzt5-18] Sir Arthur Schuster (1904).An Introduction to the Theory of Optics.E. Arnold. Lk 41.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]