Optika

Dvostrukaduga.

Optika proučava idisperziju svjetlosti.

Refleksija:zrakasvjetlostikoja pada na nekuravninureflektira se tako da je upadni kutαjednak kutu refleksijeβ,a upadna i reflektirana (odbijena) zraka leže u istoj ravnini.

Refrakcijaililom svjetlostije skretanje svjetlosnih zraka pri prijelazu iz jednoga sredstva u drugo zbog razlike u brzini širenja valova u različitim sredstvima.

Prikazogibailidifrakcijekada je otvor na zapreci jednakvalnoj duljinivala.

Interferencijadvaju kružnihvalova.

Pokusslaserskomzrakom.

Rayleighovo raspršenjejače je nakon zalaska Sunca. Ono uzrokuje plavu nijansu neba u toku dana i crvenu boju Sunca kod zalaska.

Peludisnimljeni skenirajućimelektronskim mikroskopom.

Optika(premagrč.ὀπτιϰὴ [τέχνη]:[znanost] o vidu) je granafizikekoja se bavi svojstvima i širenjemsvjetlosti,te međudjelovanjem svjetlosti itvari.Svjetlošću se nazivaelektromagnetsko zračenjekoje se sastoji od vidljivoga dijelaspektraelektromagnetskih valova s rasponomvalnih duljinaod 380 do 780nm,koje ljudsko oko razlikuje kaoboje,od ljubičaste s najmanjom do crvene s najvećom valnom duljinom. U širem smislu, optika se bavi iinfracrvenim,ultraljubičastim,a djelomice irendgenskim zračenjem.Klasična se optikadijeli na geometrijsku i valnu (fizikalnu) optiku, dok su novije grane nelinearna, neslikovna i kvantna optika.Neke pojave u optici ovise o kvantnoj prirodi svjetlosti što optiki povezuje i skvantnom mehanikom.U praksi se ipak većina pojava može objasniti elektromagnetskom prirodom svjetlosti koja je opisanaMaxwellovim jednadžbama.Primijenjena optika se bavi konstrukcijom i optimizacijom optičkih elemenata, sustava i naprava kao što suleće,zrcala,prizme,objektivi,okulari,mikroskopi,teleskopi.

Povijest

Optika se proučavala već u starom vijeku. O njoj je pisaoEuklid,a značajno djelo objavio jePtolemeju 2. stoljeću. Nakon 1500. godine njome su se baviliG. Galilei,J. Kepler,C. Huygens,R. Hooke,I. Newtoni drugi. Newton je eksperimentirao s rastavljanjem svjetlosti na boje, te izložio teoriju po kojoj je svjetlost sastavljena od čestica (korpuskularna teorija). Djelomičan razlog za sporo prihvaćanjevalne teorije svjetlosti,koju su zastupali Huygens i Hooke, bio je i Newtonov autoritet. HrvatskifizičariM. de Dominis,M. GetaldićiR. Boškovićdali su mnoštvo izvornih doprinosa optici svojega doba. U 19. stoljeću valna je teorija potpuno prevladala, okrunjena egzaktnom teorijomelektromagnetizmaJ. C. Maxwella1864.A. Einsteinje 1905. postavio hipotezu odvojnoj prirodi svjetlosti.Ta dva suprotstavljena gledišta, valni i čestični, usklađena u jedinstvenu sliku, dovela su do razvojakvantne fizike.Godine 1917. Einstein je protumačio stimuliranu emisiju svjetlosti i otvorio put razvojulaserai nelinearne optike.

Podjela optike

Geometrijska optika

U geometrijskoj optici zanemaruje se valna priroda svjetlosti, a temeljni je pojam svjetlosna zraka. U nekom sredstvusvjetlostmože biti djelomično ili potpunoapsorbirana(upijena) ili transmitirana (propuštena), a na granici sredstavareflektirana(odbijena) ili pak podliježe refrakciji (lomu). Osnovni su zakoni geometrijske optike zakon pravocrtnoga širenja svjetlosti, zakon neovisnosti svjetlosnih zraka,zakon refleksijei zakon loma (Snelliusov zakon).Osvijetljenostplohe povećava se ako na nju pada svjetlost iz dvaju ili više izvora. Pri refleksiji (odbijanju) svjetlosti upadni je kut jednak kutu refleksije, a upadna i reflektirana zraka leže u istoj ravnini, okomitoj na plohu refleksije. Lom (refrakcija) svjetlosti zbiva se pri prijelazu iz jednog optičkoga sredstva u drugo, a upadni kutα₁i kut lomaα₂povezani suSnellovim zakonom loma:

$n_{1}\cdot \sin \theta _{1}=n_{2}\cdot \sin \theta _{2}\$

gdje je:n-indeks loma(refrakcija). Pri prijelazu iz optički rjeđeg u optički gušće sredstvo zraka se istodobno i lomi i reflektira. Zakon loma očituje se kod planparalelne ploče (pomaknuta slika),optičke prizme(na primjer otklon upadne zrake) i leće (na primjer kodmikroskopaidalekozora). Svojstvalećeiskazuje jednadžba:

${\frac {1}{S_{1}}}+{\frac {1}{S_{2}}}={\frac {1}{f}}$

gdje je:S₁- udaljenost predmeta od leće,S₂- udaljenost slike od leće, af-žarišna duljina,pozitivna za sabirne, a negativna za rastresne leće. Slika predmeta koju stvara leća može biti uvećana ili umanjena, realna ili virtualna, te uspravna ili obrnuta. Zraka koja iz optički gušćega sredstva indeksa loman₂pada na granicu s optički rjeđim sredstvom indeksa loman₁,pod kutom većim od graničnoga:

$\sin \theta _{g}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}$

u potpunosti se reflektira. To jetotalna refleksija.Ona omogućuje obrtanje slike u različitim optičkim sustavima, a čini i osnovni mehanizam širenja svjetlosti krozoptička vlakna(svjetlovode).

Valna optika ili fizikalna optika

Valna optikailifizikalna optikatretirasvjetlostkaoelektromagnetski val,koji se uvakuumuširibrzinom svjetlosti(c= 3 · 10⁸m/s), a u optičkom sredstvuindeksa lomanbrzinomv:

$v={\frac {c}{n}}$

Uvakuumu,zavalnu duljinuλifrekvencijuvalafvrijedi:

$c=\lambda \cdot f$

Valna duljina u nekom sredstvu je:

$\lambda _{1}={\frac {\lambda }{n}}$

Širenje svjetlosti prikazuje se s pomoću valne fronte. PremaHuygensovu načelu,svaka točka na valnoj fronti izvor je novoga vala. U području vrlo malih valnih duljina valna se optika svodi na geometrijsku, a zrake svjetlosti okomite su na valnu frontu.

Svjetlost jemonokromatskaako je zastupljena samo jedna valna duljina, a polikromatska ako sadrži diskretni niz valnih duljina (na primjer svjetiljke s razrijeđenim plinom) ili kontinuirani spektar (Sunčeva svjetlostiližaruljas užarenom niti).

Valna priroda svjetlosti dokazuje se pokusima sinterferencijomiogibom(difrakcija). Interferencija nastaje kada u istu točku pada svjetlost iz dvaju izvora. Ako se postigne stojni val (samo s pomoćukoherentnihizvora svjetlosti), dva snopa svjetlosti mogu se poništiti ili pojačati, što se nazaslonuvidi kao svijetla ili tamna pruga. Ogib ili difrakcija pojava je skretanja svjetlosti iza zapreke, tako da predmeti obasjani svjetlošću ne bacaju oštru sjenu. Niz bliskih uskih pukotina tvorioptičku rešetku.Optička disperzijarazlaganje je svjetlosti naboje.Bijela se svjetlost može rastaviti lomom na optičkoj prizmi. Za manje valne duljine indeks loma je veći, pa se ljubičasta svjetlost otklanja najjače, a crvena najmanje. Pojavadúgeprimjer je disperzije svjetlosti prouzročenelomomi totalnomrefleksijomna kapljicama vode uzraku.Preciznije razdvajanje različitih valnih duljina omogućujeoptička rešetka.

Nelinearna optika

Nelinearna optikabavi se izvorima visokokoherentnelaserskesvjetlosti koji proizvode usmjerene svjetlosne snopove velikesnage,što uzrokuje nelinearne učinke. Obična svjetlost na putu kroz optičko sredstvo mijenja stazu, ali ne i frekvenciju, dok nelinearnost pri međudjelovanju svjetlosti s tvari može prouzročiti i promjenufrekvencije.

Neslikovna optika

Neslikovna optikaproučava svjetlost u prijenosu. Ona se ne bavi složenim pojavama nastanka svjetlosti i međudjelovanja s tvari, već se usredotočuje na sprječavanje rasapa snopa te gubitakaenergijetijekom prijenosa pa, primjerice, istražuje kakvi oblicisvjetlovodadovode do kaotičnihrefleksijai gubitaka snage u prijenosu.

Elektronska optika

Podrobniji članak o temi:Elektronska optika

Elektronska optikaje granafizikekoja se bavi upravljanjem snopomelektronas pomoćuelektričnogaimagnetskoga poljate konstrukcijomelektroničkih uređajapoput optičkih. Djelovanje tih polja na elektronski snop na maloj udaljenosti od njihovihosislično je djelovanjuoptičkih leća,zrcalaiprizmina snopsvjetlosti.

Optika atmosfere

Podrobniji članak o temi:Optika atmosfere

Optika atmosferejest granameteorologijekoja proučava pojave nastalelomom svjetlosti,odbijanjem (refleksijom),raspršivanjemiogibom(difrakcija)svjetlostiuZemljinoj atmosferi(boja neba, duga, vijenac ili korona oko Sunca i Mjeseca, halo, pasunce ili lažno Sunce, Sunčev stup, irizacija oblaka, glorija, zračno zrcaljenje, fatamorgana, miraž, pojava sumraka, alpskog žara, treperenja zvijezda, zelenog bljeska, astronomska i terestrička refrakcija, depresijaobzorai dr.). Optika atmosfere proučava i pojave koje su posljedica perspektive: prividni obliknebeskog svoda,površine diskaSuncaiMjesecapri njihovu izlaženju i zalaženju i dr.

Kvantna optika

Kvantna optikaistražujekvantneirelativističkepojave povezane sa svjetlošću, posebnodvojnu (valnu i čestičnu) prirodu svjetlosti.Osim kao val, svjetlost se može predočiti i kao snop čestica. To su kvanti svjetlosti ilifotoni,a svaki imaenergijuE:

$E=h\cdot \nu \,$

ikoličinu gibanjap:

$p={\frac {E}{c}}$

gdje je:h-Planckova konstanta.Posljedica je čestične prirode svjetlosti radijacijskitlak(tlak elektromagnetskog zračenja), koji u slučaju pulsnih laserskih snopova visoka intenziteta poprima znatne vrijednosti, pa se primjenjuje za promjene strukture tvari naatomskojrazini (na primjer hlađenje atoma).

Vanjske poveznice

• Web courseware Povijest fizike Arhivirana inačica izvorne straniceod 2. kolovoza 2012. (Wayback Machine)