Laineoptika (8)

Ande Andekas-Lammutaja
Füüsika – Laineoptika
Valguslained on elektromagnetlained , mis koosnevad ajas perioodiliselt muutuvatest ning risti paiknevatest magnet- ja elektriväljast ning mille laineline olemus avaldub ruumis levivate elektri- ja magnetväljade perioodilises muutumises. Valguslained jagunevad kera- ja sirglaineteks. Valguslainet iseloomustavad suurused on lainepikkus λ, mis näitab kaugust kahe samas võnkefaasis oleva punkti vahel ( vaakumis on lainepikkus vahemikus 380 – 760 nm), laineperiood T, mis näitab aega, mis kulub valguslainel ühe lainepikkuse läbimiseks, laine sagedus f, mis näitab, mitu täisvõnget laine teeb ajaühikus, laine kiirus v, mis näitab, kui pika tee läbib laine ajaühikus (vaakumis c = 3·108 m/s), lainefaas E, mis määrab muutuva suuruse väärtuse antud ajahetkel ning valguse intensiivsus I, mis näitab kui palju energiat valguslaine kannab ajaühikus läbi pinnaühiku. Erineva lainepikkusega valguslained põhjustavad erinevaid värvusaistinguid, mida inimesed tajuvad erinevalt. Põhivärvusteks on punane, roheline ja sinine, mida omavahel erinevas vahekorras segades on võimalik saada erinevaid värvusi (valge saab suhtega 1:4,6:0,06, musta 1:1:1). Värvusaistingud on subjektiivsed. Arvatakse, et silmas on kolm pigmenti, mis neelavad punast, rohelist ja sinist valgust. Leidub ka kõrvalekaldumisi normaalsest värvusnägemisest, nagu näiteks täielik värvipimedus või osaline värvipimedus. Kõige tugevama aistingu annab roheline valgus. Infravalgust e. soojuskiirgust (valgusest suurema lainepikkusega elektromagnetlaineid) kasutatakse värvitud pindade kuivatamiseks, toidu küpsetamiseks sütel, soojusraviks, lasersideks, öönägemisseadmetes, astronoomias. Ultravalgust (valgusest väiksema lainepikkusega elektromagnetlaineid) kasutatakse astronoomias, valgustamiseks, plasmatoodetes, fotokeemias, bioloogias. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda rohkem hakkab see kiirgama . Difraktsiooniks nimetatakse nähtust, kus lained painduvad tõkete taha. Valguslainete puhul toimub see vaid siis, kui avad või tõkked ei ole valguse lainepikkusest (0,001 nm) palju suuremad. Vastasel juhul on difraktsioon tühine ja valguse levimist võib pidada sirgjooneliseks. Varju piirkonnaks nimetatakse seda osa, kuhu sirgjooneliselt leviv valgus ei satu . Huygensi printsiip: Iga ruumipunkt, kuhu laine jõuab on uueks laineallikaks, kust kiirgub elementaarlaine. Fresneli printsiip: Elementaarlained liituvad ja liitumise tulemus on määratud sellega millises võnkeolekus e. faasis jõuavad lained ruumipunkti, kus liitumist jälgitakse. Samas faasis (mõlemal laine elektriväljal on samas ajahetkes maksimaalne väärtus) olevad lained tugevdavad liitumisel üksteist, liitlaine amplituud on võrdne lainete amplituudide summaga . Vastasfaasis (kui ühe laine elektriväljal on maksimaalne väärtus, siis teisel on minimaalne) olevad lained aga nõrgendavad või kustutavad teineteist, liitlaine amplituud on võrdne lainete amplituudide vahega. Interferentsiks nimetatakse kahe laine liitumist, mille tulemusena erinevais ruumipunktides võnkumised tugevdavad või nõrgendavad teineteist. Interferentsi maksimumid ehk valguslainete tugevnemine toimub siis, kui liituvad samas faasis olevad lained. Interferentsi miinimumid ehk valguslainete nõrgenemine toimub siis, kui liituvad vastasfaasides olevad lained. Interferentsi saab vaadelda läbi kaksikpilu. Koherentseteks laineteks nimetatakse laineid, mille kuju (amplituud, kestus) aja jooksul ei muutu. Interferentsi ja difraktsiooni kasutatakse peegelduskadude vähendamiseks optilistes süsteemides (selgendavad katted ), läätsede kvaliteedi kontrollimiseks (Newtoni rõngad), täppismõõteriistades (interferomeeter), hologrammides, valguse lainepikkuse määramiseks (difraktsioonivõre). Valguse murdumisseadus: Langemisnurga ja murdumisnurga siinuste suhe on kahe antud keskkonna jaoks jääv suurus ja seda nimetatakse teise keskkonna murdumisnäitajaks esimese keskkonna suhtes. Langev kiir, murdunud kiir ja langemispunkti tõmmatud lahutuspinna ristsirge (pinnanormaal) on ühes tasandis . Absoluutseks murdumisnäitajaks nimetatakse antud keskkonna murdumisnäitajat vaakumi suhtes (na=c/v). Suhteline murdumisnäitaja näitab teise keskkonna absoluutse murdumisnäitaja suhet esimese keskkonna absoluutsesse murdumisnäitajasse. Dispersiooniks nimetatakse aine absoluutse murdumisnäitaja sõltuvust valguse lainepikkusest või sagedusest. Aine murdumisnäitaja on seda suurem, mida väiksem on valguse lainepikkus. Vikerkaar tekib, kuna valguslained murduvad ja peegelduvad vihmapiiskades. Spektrite liigid on kiirgusspekter , mis jaguneb pidevspektriks (annavad kõrge temperatuurini kuumutatud tahked kehad, vedelikud ning tihedad hõõguvad gaasid. Kuju oleneb aine temperatuurist) ja joonspektriks (annavad kõik gaasilised ained madalal rõhul; mustal taustal on värvilised jooned) ning neeldumisspekter (annavad külmad gaasid; pideval spektri taustal on mustad jooned). Spektraalanalüüsiks nimetatakse aine keemilise koostise kindlaks tegemist selle kiirgus- või neeldumisspektri järgi. Ainete koostise teadmine on oluline nii farmaatsias, astroloogias, mineraloogias, loodushoius, metallurgias, masinaehituses, kriminalistikas, keemias kui ka bioloogias.
λ – lainepikkus (nm)
T – laineperiood (s)
f – laine sagedus (Hz)
v – laine kiirus (m/s)
E – lainefaas
I – valguse intensiivsus
– käiguvahe
k – interferentsijärk
ns – suhteline murdumisnäitaja
α – langemisnurk
λ – murdumisnurk
v – murdumisnäitaja