TARTU ÜLIKOOL
LOTE FI KOOLIFÜÜSIKA KESKUS
H. VOOLAID
OPTIKA
LOENGUKURSUSE LOFY.01.089 KONSPEKT
TARTU 2012
1. Sissejuhatus 3
1.1.Optika aine ja mudelid 3
Ülevaade optika ajaloo tähtsündmustest 3
1.2. Elektromagnetlainete skaala 6
2. Fotomeetria 9
2.1. Valguse kiirus 9
2.2. Fotomeetrilisi ühikuid 10
2.3. Fotomeeter 14
3. Laineoptika 14
3.1. Elektromagnetlaine ja valguslaine 14
Valguslainet iseloomustavad suurused 16
3.2. Valguse levimine ja Huygens-Fresneli printsiip 17
3.3. Lainete liitumine ja koherentsus 18
3.4. Valguse difraktsioon 22
3.5. Interferentsi ja difraktsiooni rakendusi 26
3.6. Valguse polarisatsioon 29
Polarimeetria 33
4. Geomeetriline optika 35
4.1. Põhimõisted ja definitsioonid 35
4.2. Geomeetrilise optika põhiseadused 36
4.3. Fermat’ printsiip 38
4.4. Valguse täielik peegeldumine (sisepeegeldus) 39
4.5. Kujutise tekitamine läätsede ja peeglitega 40
4.5.1. Kujutise tekitamine kumerläätsega 41
4.5.2. Kujutise tekitamine nõgusläätsega 43
4.5.3. Kujutise tekitamine nõguspeegliga 44
4.5.4. Kujutise tekitamine kumerpeegliga 44
4.6. Silm 45
4.7. Luup ehk suurendusklaas 46
4.8. Mikroskoop 47
4.9. Pikksilm 49
5. Valguse ja aine vastastikmõju 50
5. 1. Valguse dispersioon 50
5.2. Valguse neeldumine 52
6. Kvantoptika 53
6.1. Footon 53
6.2. Fotoefekt 54
6.3. Teisi nähtusi, kus avaldub valguse kvantiseloom 57
7. Kiirgused 59
7.1. Spektrid 59
7.2. Soojuskiirgus 61
7.3. Luminestsents 62
7.4. Laserkiirgus 65
Optika eksamiküsimused 66
1. Sissejuhatus Optika aine ja mudelid
Optikaks nimetatakse teadust, mis käsitleb elektromagnetkiirguse levimist ning ainega vastastikmõjusid lainepikkuste vahemikus 1.....105 nm. Meie piirdume peamiselt nähtava piirkonnaga (380.....760 nm).
Optikas kasutatakse kolme valguse mudelit: valguskiir, valguslaine, valguskvant.
Valguskiirt kasutatakse siis, kui on ainult oluline valguse levimise suund (näiteks peegeldumine, murdumine, jms.) ja pole oluline, milline on valguse olemus. Valgust kujutatakse koosnevat üksikutest pidevatest kiirtest. Sellise valgusekirjelduse võttis kasutusele Eukleides III sajandil e.m.a. Valguskiir on geomeetrilise optika (kiirteoptika) põhimõiste.
Valguskiire mudeliks on nool, mis näitab valguse levimise suunda.
Valguslaine mõiste võttis kasutusele C. Huygens 1678.a. pannes aluse valguse laineteooriale. Tollal arvati, et valguslained on mingid pikilained nagu helilained ja et need levivad mingis erilises nähtamatus aines – eetris, mis peitub kõikides teistes ainetes. 1865.a. püstitas J. Maxwell hüpoteesi, et valgulained on elektromagnetlained, mis levivad tühjuses valguse kiirusega c. Aluse selleks andis tema poolt loodud elektromagnetlainete teooria ja fakt, et arvutused andsid elektromagnetlaine levimiskiiruseks ka ca 300 000 km/s nagu oli määratud valguse kiirus. 1888.a. tõestas H. Hertz katseliselt, et valgulained on elektromagnetiained.
Valguslaine mudeliks on elektromagnetlaine E - vektori ajaline ja ruumiline muutumine.
Valguskvandi mõiste võttis kasutusele I. Newton 1675.a. korpuskli nime all. Korpuskliteks nimetas ta silmale nähtamatuid valguse osakesi. 1900. a. võttis M. Planck puhtformaalsetest asjaoludest lähtudes valguskvandi mõiste, mis aitas tal leida valemi absoluutselt musta keha kiirgusspektri arvutamiseks. Valguskvantide ehk footonite reaalsuse tõestas 1905.a. A. Einstein, andes seletuse fotoefekti katsetele.
Valguskvandi mudeliks on osake, millel pole seisumassi ja mis liigub kiirusega c.
Osutub, et erinevate valgusnähtuste seletamiseks kasutatakse kas valguse lainemudelit või kvantmudelit. Mõningaid nähtusi (difraktsioon, interferents, murdumine, dispersioon) seletatakse lainemudeli abil, teisi (fotoefekt, Comptoni efekt, fotokeemilised reaktsioonid) kvantmudeli abil ja kolmandaid nii laine- kui ka kvantmudeli abil (valguse peegeldumine, valguse rõhk, kehade värvus). Sellepärast räägitakse valguse dualismist (omaduste kahesusest). valitseb seaduspärasus, et suuremate sageduste korral avalduvad rohkem valguse kvantomadused ja väiksemate sageduste korral laineomadused.
Õigem oleks rääkida valguse dualistlikust kirjeldamisest. Valgus on üks kindel loodusnähtus, mille kirjeldamiseks inimene kasutab kord lainemudelit, kord kvantmudelit.
Ülevaade optika ajaloo tähtsündmustest
Valgusnähtuste teaduslik käsitlus sai alguse 17. sajandil, kui I. Newton püstitas hüpoteesi valgusest kui silmale nähtamatute osakeste voost, mis levivad ühtlases keskkonnas sirgjooneliselt. Neid osakesi nimetas ta korpuskuliteks, mida võib pidada nüüdisaegsete kvantide eelkäijateks.
I. Newton
Isaac Newton njuuton (04.01.1643 – 31.03.1727) oli inglise teadlane. Avaldanud töid füüsikast, astronoomiast, matemaatikast. Tema formuleeritud on mehaanika kolm põhiseadust ja ülemaailmne gravitatsiooniseadus. Töötas välja diferentsiaal- ja integraalarvutuse.
Optikas on Newtoni panuseks valge valguse lahutamine spektriks kolmetahulise prisma abil 1666.a. Avastas kromaatilise aberratsiooni. Konstrueeris peegelteleskoobi. Uuris valguse interferentsi ja difraktsiooni, avastas nn Newtoni rõngad. Pani 1675.a. aluse valguse korpuskulaarteooriale. Oma teenete eest omistati talle aadlitiitel.
Mõned aastad pärast Newtonit püstitas C. Huygens teise hüpoteesi, mille kohaselt valgus levib lainetena. Ta arvas, et valguslaine levimiseks on vajalik mingi eriline keskkond, mis täidab kogu universumi. Seda ainet nimetati eetriks. Tänapäeval on teada, et mingit erilist, valguse levimiseks vajalikku keskkonda ei eksisteeri ja valgus levib ka tühjuses.
C. Huygens
| 