Tööleht 4: Valguse ja aine vastastikmõju (0)

Tööleht 4 : Valguse ja aine vastastikmõju
1.Sõnasta geomeetrilise optika põhiseadused:

• Valguse sirgjoonelise levimise seadus: ühtlases keskkonnas levib valgus sirgjooneliselt.
  
• Kiirte sõltumatuse seadus: kiired ei mõjuta lõikumisel üksteise liikumist.
  
• Valguse peegeldumise seadus: langemisnurk ja peegeldumisnurk on võrdsed.
  
• Valguse murdumise seadus: langemisnurga ja murdumisnurga siinuste suhe on jääv suurus.
  
• Kiirte pööratavuse printsiip: kiir läbib süsteemi päri- ja vastassuunas ühte teed mööda.
  

Ühtlases keskkonnas levib valgus sirgjooneliselt. Kui aga valguse teele jääb ette mingi keha või läheb valgus üle teise keskkonda, siis valguse levimissuund muutub. Esimesel juhul räägitakse valguse peegeldumisest, teisel juhul valguse murdumisest. Läbipaistvate kehade korral esinevad mõlemad nähtused korraga.
Kui pind on sile, siis jääb paralleelne kiirtekimp nii peegeldudes kui murdudes paralleelseks.
Kui pind ei ole sile, siis paralleelne kiirtekimp ei jää paralleelseks ei peegeldumisel ega murdumisel. Sel juhul kiirtekimp läheb " segamini ", mille kohta öeldakse, et valgus hajub.
2.Valguse murdumise põhjuseks on :
Valguse murdumise põhjuseks on valguse kiiruse muutumine üleminekul teise keskkonda.
3.Mida nimetatakse murdumiseks?
Kui valguskiir läheb ühest keskkonnast teise, siis kiire suund muutub. Sellist nähtust nimetatakse valguse murdumiseks. Valguse murdumise põhjuseks on valguse kiiruse muutumine üleminekul teise keskkonda.
4.Valguse murdumist kasutatakse (millistes kehades ja seadmetes ?)
Valguse murdumist kasutatakse kõige rohkem läätsedes, kuid palju kasutatakse ka prismasid, mis on tähtis optiline detail mitmetes optikariistades nagu spektromeeter või monokromaator.
5.Mida näitab absoluutne murdumisnäitaja?(kiiruste kaudu)
Kui keskkond, kust valgus tuleb, on vaakum , siis on tegemist absoluutse murdumisnäitajaga . Teistel juhtudel on tegemist suhtelise murdumisnäitajaga .
Absoluutne murdumisnäitaja iseloomustab ainet samuti nagu selle tihedus või eritakistus. Absoluutne murdumisnäitaja  oleneb valguse levimise kiirusest antud aines  ja vaakumis  :
Nagu valemist näha, on absoluutne murdumisnäitaja ilma mõõtühikuta suurus ja näitab, kui palju on valguse kiirus vaakumis suurem kui antud aines.
Valguse kiirus on vaakumis 3·108 m/s ja vees 2,25·108 m/s. Järelikult vee absoluutne murdumisnäitaja
Tabel 4.1. Ainete absoluutseid murdumisnäitajaid
Aine
n
Õhk
1,0003
Vesi
1,33
Klaas (erinevad sordid)
1,4 ... 1,6
Teemant
2,42
Kui valgus tuleb vaakumist ja läheb mingisse keskkonda, siis murdumisseadust saab kirjeldada järgmise valemiga:
6.Millisel juhul valgus ei murdu, kuigi läheb ühest keskkonnast teise?
Kui valgus langeb pinnale risti, siis murdumist ei ole ja kiir levib edasi samas suunas mis ennegi.
7.Millest sõltub aine absoluutne murdumisnäitaja?
Absoluutne murdumisnäitaja  oleneb valguse levimise kiirusest antud aines  ja vaakumis :
8. Valguse dispersiooniks nimetatakse :
Valguse murdumisnäitaja sõltuvust sagedusest. Dispersiooni tuntuim näide on päikeselise ilma ja vihma koosmõjul tekkiv vikerkaar, kus vihmapiisad jagavad valge valguse erineva pikkusega valguslaineteks. 
9.Vikerkaare põhjuseks on
Vikerkaart näeb maapealne vaatleja enamasti spektrivärvide kaare või nende süsteemina ning on optiline nähtus.  Sealhulgas on vikerkaare välimine osa punane ja sisemine osa sinine. Tavaliselt ei ole kõik  seitse värvust selgesti eraldatavad, vaid üks või teine on ülekaalus. Vikerkaare värvid põhjustab dispersioon, mis tähendab murdumisnäitaja sõltuvust lainepikkusest, kusjuures rohkem kalduvad kõrvale lühemad lainepikkused.
Mida suuremad on veepiisad, seda eredam vikerkaar tekib. Kui piisad on väga väikesed, on vikerkaar kahvatu, muutudes piiskade suuruse vähenedes valkjaks, sest nüüd on murdumisest ülekaalus difraktsioon (murdumine), mis määrib spektrivärvused jälle valgeks valguseks. Sellised vikerkaari oleme uduga ikka näinud, kui päike paistab udukihist läbi. Seda nähtust tuntakse rohkem siiski udukaare või uduvikerkaare nime all.
Vikerkaar tekib siis, kui  valgusallikas (päike või kuu) paistavad sadavale vihmale peale, lisaks peab nende kõrgus horisondist olema alla 42°, sest muidu jääb vikerkaar horisondist madalamale ja selle nägemiseks tuleks maapinnast kõrgemale tõusta. Suurelt kõrguselt, näiteks lennukilt või kõrghoonest võib näha ka täisringikujulist vikerkaart. Jällegi peab päike jääma selja taha ja all sadama vihma.
Mis on vikerkaar? Optiline nähtus, mis tekib valguse vastastikmõjus veepiisakestega ja mis kujutab endast tavaliselt värvilist kaart või nende süsteemi.
Vikerkaar EI ole  halo , mis tekib jääkristallidel.
Vikerkaar ON udukaar ja pilvekaar.
Miks vikerkaar on värviline? Valgus murdub tilka sisenedes ja väljudes, kusjuures iga lainepikkus veidi erinevalt (dispersioon) ja nii lahutuvad spektrivärvid.
Mitu värvi on vikerkaarel? Kui piisad on vähemalt mõne kümnendikmillimeetrise läbimõõduga (uduvihm), siis on see värviline, harilikult on esindatud kõik 7 spektrivärvi, kuid võib arvata, et olemas on ka UVc. Väga väikeste piiskade (udu) puhul saavutab difraktsioon nii suure ülekaalu, et näeme laia valget kaart. 
Mis kujuga on vikerkaar? Ring, kuid maapealne vaatleja näeb kaare või parimal juhul poolkaarena. Kui piisad ei ole sfäärilised, siis on vikerkaar ebasümmeetriline.
Miks vikerkaar on ümmargune? Kui valgus siseneb veetilka ja peegeldub, siis muudab see esialgset suunda umbes 138 kraadi võtta ehk peegeldumise sisenurk on umbes 42 kraadi, mistõttu vaatleja näeb peegeldunud valgust tulevat 42 kraadi kaugusel antisolaarsest punktist. Teise nurga alt tulev valgus läheb vaatlejast mööda ja ta ei näe seal värvusi ega kaart. Seetõttu peab vikerkaare nägemiseks olema päike madalamal, kui 42 kraadi kõrgusel horisondi kohal, kui just ei asu kuskil kõrgemal või ei hõlju õhus.
Millal võib vikerkaart näha? Alati, kui sajab vihma ja paistab päike samal ajal. Vikerkaarte nägemine pole piiratud üksnes päikesega, vaid ka täiskuuga võib neid näha. Vikerkaar saab tekkida ka kastesel rohul. Võimalusi on muidugi veel.
Kus võib vikerkaart näha? Kõikjal, kus hoovihmad ja päike on tavalised , eriti parasvöötme (Fääri saared) ja niiske troopika saartel ( Hawaii ). Kuuvikerkaared on sagedased troopikasaartel ja seal, kus koskede tõttu on õhus alati pihustunult vett. Uduvikerkaared on tavalised seal, kus tuleb ette sageli lahtise taevaga udu. Selline on tõenäolisemalt radiatsiooniudu, mis on iseloomulik maismaale ja sagedam rabade- soode kohal.
Vikerkaare kordsus on määratud veetilgas tekkivate sisepeegelduste arvuga. Iga järgnev vikerkaare järk (kordsus) alates esimesest on nõrgem, sest sisepeegeldus pole täielik ja osa valgusest pääseb tilgast iga korraga välja, nii et igaks järgnevaks kaareks jätkub üha vähem valgust. Tavalised on kahekordsed vikerkaared, kõrgemat järku on väga haruldased või õigem oleks ehk öelda, et need pole naljalt märgatavad. 
0. järku vikerkaar on samuti üsna ebatavaline , sest siis ei toimu sisepeegeldust, vaid valgus lihtsalt läbib piisad. Selle tulemusena on näha oranžikat sära või kuma päikese pool (olen näinud, vt fotot).
1. järku vikerkaar ehk peakaar on tavalisim. Sellega koos on tavaliselt näha ka 2. järku vikerkaar ehk kokku topeltkaar. 2. järku kaar on antisolaarsest punktist umbes 51 kraadi kaugusel ja selle värvijärjestus on peakaarest vastupidine .
3. järku vikerkaar on tavaliselt väga nõrk, sest paljukordse sisepeegeldumise tulemusena on valgus juba tilgast pääsenud enamjaolt välja ja kaare tekitamiseks ei jätku valgust. Seda järku kaar tekib päikesega samas suunas, olles päikese keskpunktist umbes 42,5 kraadi kaugusel
4. järku vikerkaar moodustab 3. paari, olles selle lähedal, umbes nagu 1. ja 2. järku vikerkaared on paaris, samuti on värvijärjestus vastupidine. 
10.Spektriks nimetame diagrammi , mis näitab valgustugevuse sõltuvust sagedusest või lainepikkuses
11.Spektreid tekitatakse spektraalaparaatide abil, mille põhiosaks on prisma või difraktsioonivõre.
12.Kiirgusspektreid liigitatakse pidevspektrid ja joonspektrid.
13.Spektraalanalüüs lubab spektri põhjal teha kindlaks: Ainete koostise kindlakstegemist nende spektrite järgi,  kasutatakse joonspektril. 
Eelised:
•Tundlik meetod
•Ta ei muuda aine keem. koostist
•On võimalik analüüsi  teha suurte vahemaade tagant (nt.tähtede keem. koostis)
•Täpne ja lihtne.
14. Aatom saab olla kindla energiaga olekutes, mida kirjeldavad energiatasemed ja neile vastavaid energiaväärtusi tähistavad arvud, mida nimetatakse peakvantarvudeks (n=1,2,3 jne.). Olekus, kus elektron on tuumale kõige lähemal, on tema energia minimaalne ja n=1. Kui aatom saab energiat juurde, siis ta läheb suurema energiaga olekusse ja öeldakse, et aatom on ergastatud. Sellele vastab suurem energia kui on aatomil põhiolekus. (n=2,3,4…..).
15.Aatom kiirgab valgust kui ta läheb suurema energiaga olekust väiksema energiaga olekusse ja neelab, kui ta annab oma energia ja impulsi mingile ainelisele objektile ära ning lakkab olemast.
16.Enne, kui aatom pole ergastatud, ta valgust (või teisi elektromagnetlaineid) kiirata ei saa. Soojuskiirguse korral ergastatakse aatomid soojusenergia arvel.
Mida kõrgem on keha temperatuur, seda kiiremini selle aatomid (või molekulid) liiguvad, kas kulgevad või võnguvad. Liikumise käigus võivad aatomid omavahel põrkuda ja selle tulemusena võib mõni elektron aatomis minna tuumast kaugemale. Toimub aatomi ergastamine ja sellele järgnev elektromagnetlaine kiirgamine.
Hõõguvate tahkiste ja vedelike kiirgusspekter on pidev. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda suurem on kiiratava valguse intensiivsus ja seda lühemalaineline on kiiratav valgus
17. Soojuskiirgus on ka silmale nähtamatu infravalgus. Millistes seadmetes ja milleks kasutab inimene infravalgust?
Infravalguse toimel põhineb ka termograafia, mille abil tehakse kindlaks näiteks elamute soojuslekke kohad. Nendest kohtadest väljub ka infravalgust, mille muudavad inimesele nähtavaks termokaamerad.Infravalguse kasutamisel põhineb ka öönägemisseadmete, kontaktivabade termomeetrite ja liikumisandurite töö.
18.Kuidas ergastatakse aatomid luminestsentskiirguse korral? Too mõned näited ergastusviisidest ja luminestsentsi kasutusaladest
Luminestsents  on elektromagnetiline kiirgus, kus aatomite ergastamine toimub teiste energialiikide, mitte soojuse arvel. Kuna luminestsentskiirguse tekkimiseks pole vajalik kõrge temperatuur, siis on luminestsentsi nimetatud ka "külmaks valguseks". Luminestsentsi korral on aatomil mitmeid võimalusi ergastumiseks. Luminestsentsi liigitamine ergastamisviiside järgi on toodud tabelis.
Tabel 4.2. Luminestsentsi liigid
Luminestsentsi liik
Ergastamisenergia allikas
Fotoluminestsents
Ultravalgus
Katoodluminestsents
Kiirete elektronide juga
Radioluminestsents
Radioaktiivne kiirgus
Elektroluminestsents
Elektriväli
Kemoluminestsents
Keemiline reaktsioon
Bioluminestsents
Biokeemiline reaktsioon
Erinevalt soojuskiirgusest ei lõpe luminestsents kohe pärast ergastamise lõppu, vaid kestab veel mingi aja, kuigi järjest nõrgenedes. Öeldakse, et luminestsentsi korral esineb järelhelendus. See võib kesta ainult mõni miljondik sekundit, aga ka mitmeid tunde. Kõik oleneb ainest, mis kiirgab.
Luminestsentsi kasutatakse näiteks päevavalguslampides ja kompaktpirnides ehk säästupirnides. Neis on lambi sisepind kaetud luminestseeriva aine ehk luminofooriga. Torus on elavhõbeda aur, millest elektrivoolu toimel kiirgub ultravalgust. See ergastab luminofoori aatomeid ja tekib luminestsentskiirgus, mis valgustab ümbrust. Sellistes lampides muudetakse valgusenergiaks kuni 80 % kulutatud elektrienergiast. Hõõglampide korral muutub valguseks kuni 15% elektrienergiast.
Luminestsentskiirgus on ka näiteks kollaste tänavalaternate valgus, kus kiirgab naatriumi aur. Ka vanemate televiisorite ja arvutite kineskoopkuvarid annavad luminestsentskiirgust, mis tekib nende sisepinnal oleva luminofoori pommitamisel kiirete elektronidega.
Luminestsents leiab kasutamist veel paljudes eluvaldkondades: ainete kristallstruktuuri ja keemilise koostise analüüsimisel, laserites, haiguste diagnoosimisel proovide põhjal, dokumentide ja rahade turvaelementides, toiduainete kvaliteedi kontrollimisel, mere naftareostuse uurimisel, süvamereloomadel vaenlaste peletamiseks või saagi ligimeelitamiseks jne.
19.Pidevspektris on esindatud kõik nähtava valguse lainepikkused(värvused). Pidevspektri annavad kõik :
Kõrge temperatuurini kuumutatud tahked kehad ja vedelikud ning tihedad hõõguvad gaasid. 
20.Joonspektri annavad kõik kõik gaasilised ained madalal rõhul.
21.Spektraalanalüüsi kasutatakse (kus ja milleks)?
Spektraalanalüüsi kasutatakse teaduses ja tehnikas laialt, eriti vajalik on see näiteks astrofüüsikas, kus peale keemilise koostise saab määrata ka taevaobjektide liikumise kiirust jm. Spektraalanalüüs on keemiliste ühendite kindlakstegemise kõige lihtsam ja kiireim viis. Meetod on väga tundlik ja võimaldab kindlaks teha keemilise elemendi üliväikest hulka (10-11 g). Igal keemilisel elemendil on temale omane kiigusspekter. Sellest tingitult saab mingi aine hõõguvate aurude joonspektri järgi määrata, millised keemilised elemendid aine koostisesse kuuluvad. Niisugust aine keemiliste koostise kindlakstegemise viisi nimetatakse kvalitatiivseks spektraalanalüüsiks. Kaasajal on välja töötatud ka kvalitatiivse spektraalanalüüsi meetodid, mille abil saab keemilise elemendi spektrijoonte intensiivsuse järgi leida keemilise elemendi protsentuaalse sisalduse uuritavad aines.
##Ainete koostise teadmine on oluline mitmetes eluvaldkondades: farmaatsia, mineraloogia , loodushoid, metallurgia , masinaehitus, kriminalistika , rääkimata astrofüüsikast, keemiast , bioloogiast.
Spektraalanalüüsil on keemilise analüüsi meetoditega võrreldes mitmeid eeliseid. Näiteks ei mõjuta spektraalanalüüs erinevalt keemilisest analüüsist ainete keemilist koostist. Samuti piisab analüüsiks väga väikestest ainekogustest. Ainete koostist saab uurida ka eemalt, ilma ainet laborisse toomata. See lubab uurida näiteks taevakehade koostist.