Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Transkriptio

1 Valon luonne ja eteneminen Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen 1

2 Valonlähteitä Perimmiltään valon lähteenä toimii kiihtyvässä liikkeessä olevat sähkövaraukset Kaikki kappaleet tuottavat lämpösäteilyä molekyylien lämpöliikkeestä johtuen Jos kappaleen lämpötila on riittävän korkea, se emittoi näkyvää valoa (esim. hehkulamppu) Kaasupurkaukseen ja fluoresenssiin perustuva loisteputki Laser tuottaa hyvin kapean ja intensiivisen valosäteen, joka on lähes monokromaattinen 2

3 Optiikka tutkii valon käyttäytymistä. 3

4 Valo aaltoja vai hiukkasia? - Ennen 1600 lukua ajateltiin, että valo koostuu pienistä hiukkasista (corpuscles) luvun puolivälissä alkoi löytyä todisteita valon aaltoluonteesta. - Maxwell esitti, että valo on sähkömagneettisia aaltoja. Einsteinin mukaan valo koostuu kvanteista. Onko valo siis: Aaltoja vai hiukkasia? Aaltoteoria: Jatkuva energiajakauma -ei selitä valosähköistä ilmiötä Valon nopeus kiinnitetty: c= m/s Hiukkasteoria: Yksittäiset fotonit -ei selitä valon taipumista ja interferenssiä (mutta säteilyn taajuus tarvitaan energian laskemiseksi) 4

5 Aaltorintamat Valon säteet: Video: 5

6 Mieti: Jotkut kiteet eivät ole isotrooppisia: valo etenee kiteen läpi johonkin suuntaan nopeammin kuin toisiin. Jos kiteessä valo etenee x-ja z-suuntaan samalla nopeudella, mutta nopeammin y-suunnassa, mikä on origossa olevan pistemäisen lähteen tuottamien aaltorintamien muoto? (i) Pallomainen, kuten viereisessä kuvassa (ii) Ellipsimäinen, litistynyt y-akselin suunnassa (iii) Ellipsimäinen, venynyt y-akselin suunnassa 6

7 Valon heijastuminen ja taittuminen 7

8 Peilimäinen heijastus tasaisesta pinnasta. Diffuusi heijastuminen karkeasta pinnasta. 8

9 Heijastumis- ja taittumislaki Taitekerroin n = c v Aina n>1 (ilmalle n= ) 9

10 Taittumislaki (a) Kun säde saapuu rajapintaan optisesti harvemmasta aineesta, se taittuu normaalia kohti. (b) Kun säde saapuu rajapintaan optisesti tiheämmästä aineesta, se taittuu normaalista poispäin. (c) Kun tulokulma on nolla, säde ei taitu. 10

11 Miksi viivoitin taittuu? 11

12 Taitekertoimia: 12

13 Esimerkki: Viereisen kuvan lasimaljassa on vettä. Kuvan mukaisesti vedessä etenevä valon säde osuu maljan pohjaan tulokulmalla 60. Laske heijastumis- ja taittumiskulma. Esimerkki: HeNe-laserin punaisen valon aallonpituus ilmassa on 633 nm ja silmän lasiaisnesteessä 474 nm. Laske lasiaisnesteen taitekerroin ja laservalon nopeus ja taajuus siinä. 13

14 Esimerkki: Kaksi tasopeiliä on asetettu toisiaan vastaan kohtisuoraan viereisen kuvan mukaisesti. Toiseen peiliin osuva säde heijastuttuaan osuu myös toiseen peiliin. Laske kahdesti heijastuneen säteen suunta alkuperäiseen säteeseen nähden. 14

15 Kokonaisheijastuminen Kokonaisheijastuksen rajakulma: sin θ crit = n b n a 15

16 Kiikari Porro prisma 16

17 Esimerkki: Sukellusveneen periskoopissa käytetään kahta prismaa kokonaisheijastavina komponentteina. Prismat ovat lasia, jonka taitekerroin on (a) Hahmottele kuva periskoopin toimintaperiaatteesta. (b) Periskooppiin tulee pieni vuoto ja alempi prisma peittyy veteen. Miksi periskooppi ei enää toimi? 17

18 Optinen kuitu Kuidun taitekerroin on suurempi kuin ympäristön -> valo etenee häviöttä kuidussa kokonaisheijastumisen vuoksi Soveltuu sisäelinten (esim. vatsan) tähystykseen Mahdollistaa nopean tiedonsiirron, koska optiset taajuudet ovat radiotaajuuksia suurempia, optiset kuidut voivat olla kuparilankoja ohuempia ja eristeinä ne ovat immuuneja sähköisille häiriöille Käytetään paljon pitkän matkan puhelin-, televisio-ja internetkommunikaatiossa 18

19 Dispersio n=n(λ) Video: 19

20 Sateenkaari: 20

21 Polarisaatio Lineaarinen polarisaatio Polaroid-levy selektiivinen absorptio: Päästää läpi 80% polarisaatioakselin suuntaisesta valosta. Muovilevy, jossa hiilivetymolekyylejä, jotka saadaan jodilla sähköä johtavaksi. Polarisaattori 21

22 Läpi menneen valon intensiteetti on tasan puolet luonnollisen valon intensiteetistä. Analysaattorin läpi menee lineaarisesti polarisoituneesta säteilystä osa Ecos φ. Intensiteetti on verrannollinen amplitudin neliöön: I = I max cos 2 φ Malusin laki Polarisaattori Analysaattori 22

23 Esimerkki: Edellisen kuvan systeemiin saapuvan luonnollisen valon intensiteetti on I 0. Laske systeemin läpäisseen valon intensiteetti, kun polarisaattorin ja analysaattorin transmissioakselit muodostavat kulman

24 Polarisoituminen heijastuksessa Heijastunut valo täysin polarisoitunutta, kun heijastunut ja taittunut säde muodostavat 90 asteen kulman. Brewsterin laki: tan θ p = n b n a 24

25 Esimerkki: Auringonvalo heijastuu uima-altaan veden pinnasta. (a) Millä tulokulman arvolla heijastunut valo on täysin polarisoitunutta. (b) Laske veteen taittuneen valon taitekulma. (c) Yöllä uima-altaaseen sytytetään valo veden alle. Valo heijastuu pinnasta. Laske polarisaatiokulma ja ilmaan taittuneen säteen taitekulma tässä tapauksessa. 25

26 Ympyrämuotoinen polarisaatio Mekaanisessa aallossa väliaineen osaset kiertää ympyrää. Sm-aallossa sähkökentän värähtelysuunta muuttuu. Oikeakätinen ympyräpolarisaatio: kohti tulevaa aaltoa katsottaessa se näyttää kiertävän myötäpäivään. Elliptinen polarisaatio Video: 26

27 Valon sironta Mistä johtuu taivaan sininen väri? Entä auringonlaskun punaisuus? 27

28 Valon siroaminen ilmakehässä: Auringon valo absorboituu ja emittoituu uudelleen ilmakehän hiukkasista. sininen punainen = 700 nm 400 nm

29 Huygens in periaate 29

30 Kangastus syntyy, kun maanpinnan lähellä oleva kuuma ilmakerros, jossa valon nopeus on hieman suurempi, taivuttaa vinosti kohti maan pintaa etenevät aaltorintamat. 30