Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: Zespół Szkół Politechnicznych im. Bohaterów Monte Cassino ID grupy: 97/86_MF_G1 i 97/72_MF_G1 Opiekun: Irena Kaczmarek i Adam Kupczyk Kompetencja: Matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Barwy Semestr/rok szkolny: IV / 2011/2012

Fale elektromagnetyczne Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) – rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie w postaci pola elektromagnetycznego. Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się wzajemnie – zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne.

fale elektromagnetyczne Właściwości fal elektromagnetycznych zależą od długości fali. Promieniowaniem elektromagnetycznym o różnej długości fali, są fale: radiowe, mikrofale, podczerwień, światło, ultrafiolet, promie niowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. W opisie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne jest traktowane jako strumień nie posiadających masy cząstek elementarnych zwanych fotonami. Energia każdego fotonu zależy od długości fali.

fale elektromagnetyczne W roku 1800 William Herschel odkrył promieniowanie cieplne (podczerwone) i stwierdził, że podobnie jak światło ulega ono odbiciu i załamaniu.   Pole elektryczne i magnetyczne w płaskiej fali elektromagnetycznej o długości λ.  

fale elektromagnetyczne Interferencja fal światła - rysunek Younga z 1803 roku. W latach 1801-1803 Thomas Young zaproponował falową teorię światła.

fale elektromagnetyczne W 1801 Wilhelm Johann Ritter odkrył promieniowanie ultrafioletowe. W latach 1815-1818 Augustin Jean Fresnel rozwinął falową teorię światła i za jej pomocą wyjaśnił wiele zjawisk optycznych. W 1820 Hans Christian Ørsted odkrył, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, wykazując w ten sposób związek między elektrycznością i magnetyzmem.

fale elektromagnetyczne W 1832 Michael Faraday odkrył, że zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. W 1838 James Forbes stwierdził, że zarówno widzialne, jak i niewidzialne promieniowanie słoneczne ulega polaryzacji. W latach 1849-1850 Armand Fizeau oraz Jean Bernard Léon Foucault wykonali pomiary prędkości światła w powietrzu i innych ośrodkach przezroczystych.

fale elektromagnetyczne James Clerk Maxwell w roku 1861 zebrał prawa elektrodynamiki w cztery równania, które opisują również falę elektromagnetyczną. Zasugerował też, że zjawiska elektromagnetyczne i światło mają wspólną naturę. W 1875 Hendrik Antoon Lorentz wyeliminował koncepcję eteru i nadał równaniom Maxwella sens, jaki znamy dzisiaj. Pierwszej emisji i odbioru fal elektromagnetycznych (w zakresie fal radiowych) dokonał Heinrich Hertz w roku 1886.

fale elektromagnetyczne W roku 1895 Wilhelm Conrad Röntgen odkrył promieniowanie, nazwane później rentgenowskim, za co w 1901 otrzymał pierwszą nagrodę Nobla. W 1896 Antoine Henri Becquerel odkrył promieniowanie jądrowe. W 1900 Paul Villard wykrył w promieniowaniu jądrowym promieniowanie gamma.

fale elektromagnetyczne W 1905 Albert Einstein analizując widmo promieniowania elektromagnetycznego ciała doskonale czarnego i zjawisko fotoemisji doszedł do wniosku, że energia tego promieniowania jest skwantowana. Za to osiągnięcie otrzymał w 1921 nagrodę Nobla.

Właściwości promieniowania elektromagnetycznego Widmo (spektrum) fal elektromagnetycznych

Właściwości promieniowania elektromagnetycznego Promieniowanie elektromagnetyczne demonstruje swe właściwości falowe zachowując się jak każda fala, ulegając interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania. W wyniku superpozycji fal elektromagnetycznych może powstać fala stojąca. Jednak niektóre właściwości promieniowania elektromagnetycznego (szczególnie jego oddziaływanie z materią) zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego na zakresy ze względu na jego częstotliwość.

Właściwości promieniowania elektromagnetycznego Granice poszczególnych zakresów są umowne i nieostre. Należy je traktować szacunkowo, promieniowanie o tej samej długości może być nazywane falą radiową lub mikrofalą - w zależności od kontekstu. Granice promieniowania gamma i promieniowania rentgenowskiego często rozróżnia się z kolei ze względu na źródło tego promieniowania. Najdokładniej określone są granice dla światła widzialnego, gdyż są one zdeterminowane fizjologią ludzkiego oka.

Właściwości promieniowania elektromagnetycznego

Fale radiowe Schematyczny rysunek fali elektromagnetycznej promieniowanej przez antenę dipolową.

Fale radiowe Fale radiowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie w telekomunikacji, radiofonii, telewizji, radioastronomii i wielu innych dziedzinach nauki i techniki. W technice podstawowym źródłem fal radiowych są anteny zasilane prądem przemiennym odpowiedniej częstotliwości. Wiele urządzeń generuje też zakłócenia będące falami radiowymi, wymienić tu można na przykład: zasilacze impulsowe, falowniki i regulatory tyrystorowe, piece indukcyjne, spawarki, zapłon iskrowy silników samochodowych, iskrzące styki urządzeń elektrycznych.

Fale radiowe Naturalne źródła fal radiowych to między innymi wyładowania atmosferyczne, zorze polarne, radiogalaktyki. W atmosferze propagacja fal radiowych jest dosyć skomplikowana, zachodzą różnorodne odbicia i ugięcia fali w niektórych warstwach atmosfery. Przebieg tych zjawisk zależy od zarówno od długości fali, jak i własności powietrza zależnych od pory dnia, pogody, położenia geograficznego.

MIKROfale Fala elektromagnetyczna (mod TE31) rozchodząca się w falowodzie mikrofalowym. Pole elektryczne skierowane jest w kierunku x, Kolory jasne i ciemne oznaczają przeciwne jego zwroty. W zależności od metody wytwarzania niekiedy mikrofale są zaliczane do fal radiowych, albo do podczerwieni.

MIKROfale Podstawowe zastosowania mikrofal to łączność (na przykład telefonia komórkowa, radiolinie, bezprzewodowe sieci komputerowe) oraz technika radarowa. Fale zakresu mikrofalowego są również wykorzystywane w radioastronomii, a odkrycie mikrofalowego promieniowania tła miało ważne znaczenie dla rozwoju i weryfikacji modeli kosmologicznych. Wiele dielektryków mocno absorbuje mikrofale, co powoduje ich rozgrzewanie i jest wykorzystywane w kuchenkach mikrofalowych, przemysłowych urządzeniach grzejnych i w medycynie.

MIKROfale W elektronice mikrofalowej rozmiary elementów i urządzeń są porównywalne z długością fali przenoszonego sygnału. Powoduje to, że przy analizie obwodów nie można stosować elementów o stałych skupionych. Do prowadzenia mikrofal używane są falowody. Do wzmacniania i generacji sygnałów mikrofalowych służą masery, specjalne lampy mikrofalowe oraz mikrofalowe elementy półprzewodnikowe.

Termowizyjne zdjęcie budynku. Podczerwień Termowizyjne zdjęcie budynku.

Podczerwień Promieniowanie podczerwone jest nazywane również cieplnym, szczególnie gdy jego źródłem są nagrzane ciała. Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje takie promieniowanie, a ciała o temperaturze pokojowej najwięcej promieniowania emitują w zakresie długości fali rzędu 10 μm. Przedmioty o wyższej temperaturze emitują promieniowanie o większym natężeniu i mniejszej długości, co pozwala na zdalny pomiar ich temperatury i obserwację za pomocą urządzeń rejestrujących wysyłane promieniowanie.

Podczerwień Technika rejestracji promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty o temperaturach spotykanych w codziennych warunkach toTermowizja. Umożliwia ona zobrazowanie obiektów w ciemności oraz pomiar temperatury w poszczególnych punktach ich powierzchni. Jest wykorzystywana między innymi w zastosowaniach naukowych, pożarniczych, medycznych, wojskowych, w diagnostyce urządzeń mechanicznych i obwodów elektrycznych, oraz do oceny izolacji termicznej budynków.

Podczerwień W paśmie promieniowania podczerwonego są prowadzone obserwacje astronomiczne i meteorologiczne. Jest ono używane w technice grzewczej. Promieniowanie podczerwone również jest stosowane do przekazu informacji - do transmisji danych w światłowodach i układach zdalnego sterowania. Spektroskopia w podczerwieni umożliwia identyfikację organicznych związków chemicznych i badanie ich struktury.

Światło widzialne Światło widzialne na tle całego spektrum fal elektromagnetycznych.

Światło widzialne Światło widzialne to ta część widma promieniowania elektromagnetycznego na którą reaguje zmysł wzroku człowieka. Różne zwierzęta mogą widzieć w nieco różnych zakresach. Światło widzialne jest tylko w niewielkim stopniu absorbowane przez atmosferę ziemską i przez wodę. Ma to duże znaczenie dla organizmów żywych, zarówno wodnych, jak i lądowych. Światło ma bardzo duże znaczenie w nauce i wiele zastosowań w technice. Dziedziny nauki i techniki zajmujące się światłem noszą nazwę optyki.

Ultrafiolet Banknot oświetlony promieniowaniem ultrafioletowym. Widoczna fluorescencja zabezpieczenia w postaci paseczka.

ultrafiolet Promieniowanie ultrafioletowe, jest zaliczane do promieniowania jonizującego, czyli ma zdolność odrywania elektronów od atomów i cząsteczek. W dużym stopniu określa to jego właściwości, szczególnie oddziaływanie z materią i na organizmy żywe. Słońce emituje ultrafiolet w szerokim zakresie spektralnym, ale górne warstwy atmosfery ziemskiej (warstwa ozonowa) pochłaniają większość promieniowania z krótkofalowej części spektrum. Obserwacje astronomiczne w ultrafiolecie rozwinęły się dopiero po wyniesieniu ponad atmosferę przyrządów astronomicznych.

ultrafiolet W technice ultrafiolet stosowany jest powszechnie. Powoduje świecenie (fluorescencję) wielu substancji chemicznych. W świetlówkachultrafiolet wytworzony na skutek wyładowania jarzeniowego pobudza luminofor do świecenia w zakresie widzialnym. Zjawisko to wykorzystuje się również do zabezpieczania banknotów i w analizie chemicznej (Spektroskopia UV). Ultrafiolet o małej długości fali jest wykorzystywany dosterylizacji (wyjaławiania) pomieszczeń.

ultrafiolet Niektóre owady, na przykład pszczoły, widzą w bliskiej światłu widzialnemu części widma promieniowania ultrafioletowego, również rośliny posiadają receptory ultrafioletu.

Promienie rentgenowskie Zdjęcie rentgenowskie uszkodzonej świetlówki.

Promieniowanie rentgenowskie Technicznie promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się przeważnie poprzez wyhamowywanie rozpędzonych cząstek naładowanych. W lampach rentgenowskich są to rozpędzone za pomocą wysokiego napięcia elektrony hamowane na metalowych anodach. Źródłem wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego są również przyspieszane w akceleratorach cząstki naładowane. Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do wykonywania zdjęć rentgenowskich do celów defektoskopii i diagnostyki medycznej.

Promieniowanie rentgenowskie Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym. W zakresie promieniowania rentgenowskiego są również prowadzone obserwacje astronomiczne.

Promieniowanie gamma Promieniowania gamma jest promieniowaniem jonizującym. Promieniowanie gamma towarzyszy reakcjom jądrowym, powstaje w wyniku anihilacji – zderzenie cząstki i antycząstki, oraz rozpadów cząstek elementarnych. Otrzymywane w cyklotronach promieniowanie hamowania i synchrotronowe również leży w zakresie długości fali promieniowania gamma, choć niekiedy bywa nazywane wysokoenergetycznym promieniowaniem rentgenowskim.

Promieniowanie gamma Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji żywności i sprzętu medycznego. W medycynie używa się ich w radioterapii oraz w diagnostyce. Zastosowanie w przemyśle obejmują badania defektoskopowe. Astronomia promieniowania gamma zajmuje się obserwacjami w tym zakresie długości fal.

Mod fali elektromagnetycznej Gaussowski profil laserowej wiązki światła.

Mod fali elektromagnetycznej Płaska fala elektromagnetyczna rozchodząc się w próżni w nieograniczonym obszarze jest falą poprzeczną, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Fala elektromagnetyczna nie będąca falą płaską, lub rozchodząc się w ośrodku, lub w ograniczonym obszarze może mieć inny rozkład pola elektromagnetycznego. Charakterystyczne rozkłady pola elektromagnetycznego w propagującej fali nazywane są modami fali elektromagnetycznej.

Mod fali elektromagnetycznej Ze źródła punktowego rozchodzą się fale kuliste. Każdą falę rozchodzącą się w nieskończonym bezstratnym ośrodku dielektrycznym, niezbyt blisko źródła, można uważać za kulistą, a dostatecznie mały jej wycinek za płaską. Promieniowanie laserów często ma gaussowski profil wiązki, charakteryzujący się rozkładem amplitudy natężenia pola elektrycznego w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązki opisanym funkcją Gaussa.

Mod fali elektromagnetycznej Mody fali elektromagnetycznej można podzielić na: falę poprzeczną (TEM od ang. Transverse ElectroMagnetic) - wektory natężenia pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali; TE (ang. Transverse Electric) - mody, dla których wektor natężenia pola elektrycznego jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, a wektor indukcji pola magnetycznego nie;

Mod fali elektromagnetycznej TM (ang. Transverse Magnetic) - mody, dla których wektor indukcji pola magnetycznego jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, a wektor natężenia pola elektrycznego nie; mody hybrydowe - mody nie będące żadnym z powyższych - zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne mają niezerowe składowe w kierunku ruchu.

Mod fali elektromagnetycznej Mod propagującej fali jest zdeterminowany przez rodzaj i kształt ośrodka, w którym rozchodzi się fala i przez jego granice. Charakterystyczne mody drgań występują przy propagacji mikrofal wfalowodach i światła w światłowodach.

Polaryzacja fali elektromagnetycznej Polaryzacja fali elektromagnetycznej to charakterystyczne zachowanie się kierunków wektorów pola elektrycznego i magnetycznego. Przyjęto, że polaryzację fali elektromagnetycznej określa się dla jej składowej elektrycznej (składowa magnetyczna jest do niej prostopadła). Polaryzacja jest liniowa, jeżeli w wybranym punkcie przestrzeni kierunek wektora natężenia pola elektrycznego jest cały czas taki sam.

Polaryzacja fali elektromagnetycznej Przy polaryzacji kołowej wartość natężenia pola elektrycznego jest stała, a jego kierunek zatacza okrąg w czasie jednego okresu fali. Przy polaryzacji eliptycznej natężenie pola elektrycznego zmienia wartość i kierunek tak, że koniec jego wektora zatacza elipsę. Istnieją bardziej złożone typy polaryzacji.

Energia fali elektromagnetycznej Radiometr Crookesa - energia padającej fali świetlnej jest w stanie uruchomić wiatraczek.

Energia fali elektromagnetycznej W fali elektromagnetycznej jej pola elektryczne i magnetyczne niosą ze sobą energię. W próżni i jednorodnym idealnym dielektryku składowe elektryczne i magnetyczne niesionej energii są sobie równe, natomiast w ośrodku o niezerowym przewodnictwie elektrycznym są różne.

Energia fali elektromagnetycznej Choć w elektrodynamice klasycznej energię promieniowania elektromagnetycznego uważa się za wielkość ciągłą, zależną jedynie od natężenia pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego, to zjawiska zachodzące na poziomie atomowym dowodzą, że jest ona skwantowana ("ziarnista"). Energia pojedynczego kwantu jest zależna tylko od częstotliwości fali ν i wynosi gdzie h jest stałą Plancka.

Podstawowe prawa optyki geometrycznej Rozchodzenie, odbicie i załamanie się światła W IZOPTYCE numer 2 z 1999r. omówiliśmy podstawowe zagadnienia o promieniowaniu elektromagnetycznym. Rozpatrywanie przebiegu zjawisk optycznych z traktowaniem światła jako fal wymaga jednak znajomości wyższej matematyki. W znacznej większości praktycznych przypadków, a szczególnie przy poznawaniu optyki okularowej, wystarcza uproszczony opis zjawisk, którymi zajmuje się optyka geometryczna.

Podstawowe prawa optyki geometrycznej Opiera się ona na pojęciu promienia świetlnego, czyli linii określającej kierunek rozchodzenia się energii fali elektromagnetycznej. Promienie świetlne są prostopadłe do czoła fali i służą do przedstawiania przebiegu promieni w elementach optycznych. W tym odcinku pragniemy przypomnieć podstawowe prawa optyki geometrycznej. Należy tu wymienić: - prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła; - prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła; - prawo odbicia; - prawo załamania.

Podstawowe prawa optyki geometrycznej Zgodnie z pierwszym prawem, w ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się po liniach prostych. Istotne znaczenie ma tu jednorodność ośrodka mająca decydujący wpływ na prędkość rozchodzenia się światła, a tym samym na przebieg promienia świetlnego. Promień światła padając na powierzchnię rozdzielającą dwa ośrodki podlega prawu odbicia stwierdzającemu, że promień padający P, promień odbity O i prosta PR prostopadła do powierzchni w punkcie padania A leżą w jednej płaszczyźnie, a kąt padania i kąt odbicia są sobie równe.

Podstawowe prawa optyki geometrycznej Jak widać z rysunku kąty padania i odbicia określane są w stosunku do prostej prostopadłej w punkcie padania i są niezależne od długości fali. 

Podstawowe prawa optyki geometrycznej Bieg promieni przy przejściu z jednego ośrodka jednorodnego do drugiego odbywa się według prawa załamania mówiącego, że: promień padający P, załamany Z i prosta PR prostopadła do powierzchni w punkcie załamania A leżą w jednej płaszczyźnie, a sinus kąta padania (i sinus kata załamania (mierzonych jak poprzednio w stosunku do prostej prostopadłej w punkcie załamania) spełniają równanie: n1xsina=n2xsinaZ

Podstawowe prawa optyki geometrycznej W którym n1 jest współczynnikiem załamania ośrodka przed powierzchnią łamiącą, a n2 współczynnikiem załamania za powierzchnią łamiącą. W takim przypadku powyższy wzór ulega uproszczeniu i można napisać, że współczynnik załamania danego materiału optycznego oznaczony n wynosi:

Podstawowe prawa optyki geometrycznej Dla światła białego w prawie odbicia nic się nie zmienia, gdyż kąt odbicia nie zależy od barwy światła. Natomiast w przypadku załamania pojawia się zagadnienie różnych wartości współczynników załamania zależnych od długości fali, gdyż wynika to z zależnej od długości fali prędkości rozchodzenia się światła w szkle.

Podstawowe prawa optyki geometrycznej Zjawisko to określane mianem dyspersji jest istotne w projektowaniu elementów optycznych, a w optyce okularowej ma znaczenie przede wszystkim przy ocenie jakości soczewek pod kątem ewentualnego pojawiania się kolorowych obwódek w obrazie przedmiotu. Podstawowe prawa optyki geometrycznej są bazą projektowania soczewek okularowych.

Optyka falowa - wprowadzenie Zanim odkryto, że światło jest falą, przez długi czas królował wyłącznie model optyki geometrycznej - czyli taka wizja rozchodzenia się światła, w której "cząstki" świetlne poruszają się od źródła po liniach prostych, odbijając co najwyżej od niektórych przedmiotów. Dziś wiemy, że model optyki geometrycznej jest niepełny, a w szczególnych sytuacjach w ogóle się załamuje, dając błędne przewidywania. Przyczyną tego jest m.in. to, że Światło jest falą.

Optyka falowa - wprowadzenie Odkrycie to zawdzięczamy przede wszystkim fizykom francuskim, którzy w początkach XIX wieku tworzyli podwaliny wiedzy o zjawiskach falowych. Teraz należałoby wytłumaczyć wreszcie „no to co to jest właściwie ta fala?”. Niestety, pojęcie fali nie jest proste. Wiele osób ma poważny problem z jego zrozumieniem, a do tego typowe źródła mało wyjaśniają w tej materii. Przynajmniej mało wyjaśniają w sposób użyteczny dla przeciętnego zjadacza ostryg z kawiorem i truflami.

Optyka falowa - wprowadzenie Model ruchu falowego zakłada, że energia fali przenosi się nie poprzez ściśle określony tor (tak jak to jest dla cząstki przebywającej przestrzeń, czyli jak to jest dla tzw. "modelu korpuskularnego"). W zamian za to fala porusza się na raz wieloma drogami – właściwie całą dostępną przestrzenią. Okazuje się przy tym, że to całkowity efekt dotarcia fali w różne obszary zależy w jakimś stopniu od dowolnego innego fragmentu przestrzeni (przynajmniej tych części przestrzeni, przez które przenosi się fala).

Optyka falowa - wprowadzenie Wielkością charakterystyczną dla modelu falowego jest długość fali. W przypadku światła długość ta oscyluje w okolicach 0,5 μm - czyli pół tysięcznej części milimetra. Dokładniej - widzialny zakres promieniowania elektromagnetycznego zawiera się w granicach od 0,39 μm (światło fioletowe) do 0,74 μm (światło czerwone).

Optyka falowa - wprowadzenie Na początek warto zapamiętać przynajmniej taką wiedzę o falach świetlnych, że w rzeczywistości światło rozchodzi się inaczej niż by to wynikało z prostego modelu promieni.  Jak z tego wynika, w swoich podstawowych zasadach optyka falowa jest sprzeczna z optyką geometryczną, czyli z modelem światła rozumianego jako cienkie, prostoliniowe wiązki światła. Bo w optyce falowej (a także w rzeczywistości) światło może np. omijać przeszkody, ni stąd ni zowąd rozdzielać się na  wiązki, rozszczepiać na kolory tylko z powodu różnic przebytej przez światło drogi.

Optyka falowa - wprowadzenie Na początek warto zapamiętać przynajmniej taką wiedzę o falach świetlnych, że w rzeczywistości światło rozchodzi się inaczej niż by to wynikało z prostego modelu promieni.  Jak z tego wynika, w swoich podstawowych zasadach optyka falowa jest sprzeczna z optyką geometryczną, czyli z modelem światła rozumianego jako cienkie, prostoliniowe wiązki światła. Bo w optyce falowej (a także w rzeczywistości) światło może np. omijać przeszkody, ni stąd ni zowąd rozdzielać się na  wiązki, rozszczepiać na kolory tylko z powodu różnic przebytej przez światło drogi.

Obserwowanie Interferencji I Dyfrakcji Światła Na Płycie Kompaktowej Doświadczenie Obserwowanie Interferencji I Dyfrakcji Światła Na Płycie Kompaktowej

Doświadczenie Najprostszą metodą zaobserwowania zjawisk falowych światła jest posłużenie się płytą kompaktową. Spróbujmy w ciemnym pokoju oświetlić płytę kompaktową zwykłą latarką (od strony przeciwnej niż napisy), tak aby odbite światło padło na ścianę, czy inną powierzchnię pełniącą rolę ekranu. Przy pewnym ustawieniu płyty i latarki odbite światło wyraźnie rozszczepi się na wielokolorową piękną tęczę.

Doświadczenie To co obserwujemy, to zjawisko dyfrakcji światła. Płyta kompaktowa pełni tu rolę odbiciowej siatki dyfrakcyjnej. A fakt, że taka tęcza powstaje jest dowodem, że światło jest falą. W bardziej czystej postaci zjawisko dyfrakcji światła daje się zaobserwować po oświetleniu płyty kompaktowej laserem – np. takim kupionym za kilkanaście zł jako wskaźnik do prezentacji. Światło lasera ma tę własność, że zawiera w sobie ściśle określoną długość fali (czasami dwie długości fali), czyli, w uproszczeniu mówiąc, bardzo ściśle określoną barwę światła.

Doświadczenie Dzięki temu nie rozszczepia się ono na kolorową tęczę. Dla takiej pojedynczej fali widać wyraźnie na czym polega dyfrakcja – z jednego strumienia (promienia) światłą tworzy się ich cała gromada, co można zaobserwować jako rząd świecących plamek. Gdyby światło zwyczajnie się odbijało jak pojedyncza wiązka, to na ekranie powstałaby tylko jedna plamka.

Doświadczenie Innym prostym doświadczeniem ujawniającym falową naturę światła jest spoglądanie przez wąską szczelinę - np. szczelinę między dwoma złożonymi palcami. Jeżeli szczelina jest rzeczywiście wąska, to spoglądając przez nią na światło zauważymy w niej pionowe paski - prążki. Im mniejsza staje się szczelina, tym paski robią się wyraźniejsze. Kto nie wierzy - nie spróbuje. To proste doświadczenie i całkowicie "bezpieczne".

Rozszczepienie światła Pryzmat rozszczepiający światło

Rozszczepienie światła Rozszczepienie w fizyce to zjawisko rozdzielenia się fali na składowe o różnej długości. Rozszczepienie światła jest wynikiem ogólniejszego zjawiska fizycznego zwanego dyspersją, które określa zjawiska zachodzące dla fal na skutek zależności prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku od częstotliwości fali.

Fizyczne podstawy rozszczepiania Rozszczepienie światła w pryzmacie

Fizyczne podstawy rozszczepiania Jeżeli fala przechodzi przez granicę ośrodków zachodzi zjawisko załamania. Jeżeli w jednym z ośrodków prędkość rozchodzenia się fali zależy odczęstotliwości, to fale o różnej częstotliwości załamują się pod różnymi kątami. W efekcie droga, po której porusza się fala, zależy od jej częstotliwości, czyli zachodzi rozszczepienie. Zjawisko rozszczepienia zachodzi również na siatce dyfrakcyjnej, ale istota tego zjawiska jest inna.

Współczynniki załamania dla różnych częstotliwości Z prawa załamania światła wynika zależność: v – prędkość propagacji fali świetlnej, c – prędkość światła w próżni, n – współczynnik załamania światła przy przejściu z próżni do ośrodka.

Współczynniki załamania dla różnych częstotliwości W praktyce dla każdego przezroczystego materiału współczynnik załamania zależy od długości fali. Wyznaczona empirycznie zależność, zwana równaniem Sellmeiera, współczynnika załamania od długości fali w próżni, dla szkła przyjmuje postać: B1,2,3 oraz C1,2,3 – stałe dobrane na podstawie pomiarów nazywane współczynnikami Sellmeiera. Dla różnych rodzajów kryształów zależność może przyjąć inne formy.

Oddziaływanie światła z materią Światło jako fala elektromagnetyczna to rozchodzące się zaburzenia natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Gdy fala pierwotna przechodzi przez ośrodek, oscylacje pola elektrycznego oddziałują z elektronami substancji wprawiając je w drgania (wymuszone) o częstotliwości zgodnej z częstotliwością fali padającej. Drgania te powodują wytworzenie wtórnej fali elektromagnetycznej, która jest opóźniona w stosunku do fali padającej, fala ta interferuje z pierwotnym promieniowaniem.

Oddziaływanie światła z materią W wyniku tych zjawisk fala porusza się w substancji wolniej, co odpowiada że powstaje fala o większej długości. Intensywność drgań elektronów zależy od częstotliwości fali padającej wykazuje zależność typu rezonansowego i jest różna dla różnych materiałów.

Zjawiska optyczne oparte na rozszczepieniu Najbardziej znany przykład dyspersji światła to rozszczepienie światła widzialnego na pryzmacie. Jako pierwszy to zjawisko zaobserwował Isaac Newton, badając rozszczepienie światła słońca. Obraz uzyskany dzięki dyspersji pozwala na pomiar widma fali świetlnej. Jednym z widocznych skutków dyspersji jest powstawanie tęczy. W tym wypadku rozszczepienie zachodzi na kropelkach wody unoszących się w powietrzu.

Praktyczne znaczenie dyspersji Dzięki rozszczepieniu światła możliwy jest dokładny pomiar natężenia promieniowania dla różnych długości fali. Służy do tego spektroskop optyczny. W oparciu o który powstała duża gałąź fizyki zwana spektroskopią. Przykładowo, dzięki niemu możliwa jest zdalna obserwacja wielu właściwości świecących ciał, można wyznaczyć temperaturę odległej gwiazdy, zbadać substancje w niej zawarte, określić prędkość ruchu.

Praktyczne znaczenie dyspersji W niektórych przyrządach optycznych dyspersja może powodować wady obrazu, nazywane aberracją chromatyczną. Powodują one powstawanie na zdjęciu kolorowej obwódki wokół jasnych elementów na ciemnym tle. Zjawisko załamania zachodzi dla fal o różnej częstotliwości z różną siłą. W zakresie światła widzialnego wzrost częstotliwości powoduje zmniejszenie prędkości fali. Dla pewnych szczególnych częstotliwości fal elektrony przezroczystego materiału, wpadają w rezonans.

Praktyczne znaczenie dyspersji Efektem tego jest zniekształcenie zmian współczynnika załamania dla częstotliwości w pewnym małym zakresie. Załamanie światła widzialnego zależy od częstotliwości. Dla dyspersji normalnej najsłabiej załamuje się światło czerwone, a najbardziej fioletowe (o największej częstości). Zjawisko to wykorzystuje się do budowy soczewek korygujących aberrację chromatyczną. Zjawisko dyspersji powoduje rozmywanie impulsów świetlnych, co stanowi problem przy przesyłaniu sygnałów w światłowodach.