Světlo jako elektromagnetické vlnění

optika – věda zkoumající podstatu světla, zákonitostí světelných efektů (vznik šíření)

zdroj světla – těleso vysílající světlo (přírodní, umělé)

bílé světlo – složené světlo, ze všech základních barev

optické prostředí – prostor šíření světla (průhledné, průsvitné, neprůhledné)

Přehled teorií na podstatu světla

Newtonova korpuskulární teorie (17. století)

představa světla drobných mechanických částic, které se šíří přímočaře

Huygensova vlnová teorie

světlo je mechanické vlnění, které se šíří prostorem (éterem), je vysíláno zdrojem

Maxwellova elektromagnetická teorie

světlo je elektromagnetické vlnění o krátké vlnové délce

Kvantová teorie

Max Planck, Albert Einstein – 1900
hypotéza, že světlo se šíří nespojitě po kvantech (fotony) ,h = 6,625.10–34 J.s

Světlo jako elektromagnetické vlnění

nepotřebuje hmotné prostředí, šíří se ve vakuu
rychlost světla ve vakuu je
v látkovém prostředí je rychlost vždy menší než ve vakuu
světlo odpovídá elektromagnetickému vlnění, na které je citlivé lidské oko
fyziologický vjem vidění způsobuje elektromagnetické vlnění o frekvencích 7,7 . 104 Hz až 3,9 . 104 Hz, této frekvenci odpovídají ve vakuu vlnové délky 390 nm až 760 nm
světlo o různých frekvencích vyvolává různý zrakový vjem (barva světla) – světelný interval je vymezen fialovou barvou (390 nm) a červenou barvou (760nm) mezi nimi jsou barva zelená, žlutá modrá, nejcitlivější je světlo žlutozelené (550 nm)

Šíření světla

ovlivněno vlastnostmi optického prostředí
optické prostředí dělíme na:

průhledné – nedochází k rozptylu světla
průsvitné – světlo prostředím prochází, ale zčásti se rozptyluje
neprůhledné – světlo se silně pohlcuje (absorbuje) nebo se na povrchu odráží

opticky homogenní prostředí – v celém svém objemu má stejné optické vlastnosti
opticky izotropní (sklo)– rychlost světla v tomto prostředí nezávisí na směru pohybu světla, opak je opticky anizotropní prostředí (krystaly)
Huygensův princip – světlo se v homogenním izotropním prostředí šíří od zdroje světla ve vlnoplochách – vlnoplochy tvar soustředných koulí ve velké vzdálenosti lze části vlnoploch považovat za rovinné vlnoplochy
pokud můžeme rozměry zdroje zanedbat mluvíme o bodovém zdroji světla

Směr šíření světla udávají přímky kolmé na vlnoplochy, nazývají se světelné paprsky. V homogenním izotropním optickém prostředí se světlo šíří přímočaře.

v praxi zdroje světla nejsou bodové, představujeme si, že s každý bod zdroje vysílá do všech směru paprsky, které se protínají s ostatními, ale neovlivňují se – tento poznatek se nazývá princip nezávislosti chodu světelných paprsků
na tomto principu je založena paprsková optika, zanedbává vlnovou podstatu světla

Odraz a lom světla

platí stejné zákony jako u mechanického vlnění
světlo při dopadu na rozhraní se částečně odráží a částečně láme, nastává odraz a lom světla
platí zákon odrazu – úhel dopadu se rovná úhlu odrazu od kolmice
kolmice je kolmá na rovinu rozhraní (rovinná plocha) nebo je to komice na tečnu zakřivené plochy, odražený paprsek, dopadový paprsek a kolmice dopadu leží ve stejné rovině – rovině dopadu
pro lom světla platí , podíl rychlostí je pro dané prostředí konstantní a nazývá se index lomu n pro dané prostředí, udávají se indexy lomu prostředí vůči vakuu a platí: , tento zákon objevil W. Snell nazývá se Snellův zákon
při lomu na rozhraní dvou prostředí je zde prostředí opticky řidší (menší index lomu) a prostředí opticky hustší (větší index lomu)
poznatek o záměnnosti chodu paprsků dopadající a odrážející (dopadající a lomený) můžeme zaměnit a zákon bude platit
lom ke kolmici z opticky řidšího do opticky hustšího, lom od kolmice je naopak

Úplný odraz světla

při určitém mezním úhlu je úhel lomu pravý úhel a při vyšších úhlech již lom nenastává, mezní úhle zjistíme pokud jako opticky řidší prostředí vezmeme vakuum (vzduch)
refraktometr – přístroj na měření indexu lomu prostředí, založen na měření mezního úhlu
úplný odraz se využívá v optických soustavách, kdy hranolu mění směr paprsků
rozhraní sklo vzduch , takže již při 45o nastává úplný odraz
využití: vláknové vlnovody (základem skleněné vlákno, jehož střední část má větší index lomu než obvodová a paprsek se úplně odráží

Disperze světla

při lomu bílého světla, není lomený paprsek již bílý, ale jeho okraje jsou zbarveny, okraj vzdálenější od kolmice je červený a okraj blíže ke kolmici je fialový
bílé světlo se rozložilo na barevné složky – příčinnou je závislost rychlosti světla na frekvenci = disperze světla
rychlost světla se s rostoucí frekvencí zmenšuje (normální disperze)
ve vakuu k disperzi nedochází
index lomu optického prostředí závisí na frekvenci světla a s rostoucí frekvencí se zvětšuje (normální disperze)
světelné vlnění určité frekvence – monofrekvenční (monochromatické), vlivem disperze se paprsky monofrekvenčního světla lámou pod různými úhly (fialové nejvíce – vyšší frekvence, červené nejméně – nižší frekvence)
disperze je důkazem, že bílé světlo je složené z jednoduchých světel, která již nelze rozložit
při jednom lomu není rozložení tak patrné, proto se používá vícenásobný lom (optický hranol), tento hranol je vyrobený ze skla, hladké roviny hranolu svírají lámavý úhel , paprsek se lomí dvakrát a odchylka různých barev je větší, na stínítku se jev zobrazí jako řada na sebe navazujících barevných proužků – hranolové spektrum
bílé světlo se v hranolu rozloží na spektrum, ve kterém jsou zastoupeny všechny barvy odpovídající monofrekvenkčním paprskům v posloupnosti – červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová
jednotlivé barvy nejsou zastoupeny rovnoměrně, na červeném konci spektra jsou barvy více nahuštěny než na fialovém konci
při průchodu rozhraním se frekvence světla nemění , kde je vlnová délka ve vakuu , v optickém prostředí o indexu lomu n je vlnová délka n-krát menší než ve vakuu

Hranolový spektroskop

přístroj užívaný při spektrální analýze
světlo ze zdroje Z se přivádí na kolimátor K, ze kterého vychází svazek paprsků směrem k hranolu
v optickém hranolu nastane rozklad světla a paprsky různých barev se odchylují
rozlišujeme spektroskop (pozorování okem) a spektrograf (záznam na fotografickou desku)