Jedním z největších objevů fyziky 19. století je poznatek, že světlo je elektromagnetické vlnění. Tento závěr je výsledkem teorie elektromagnetického pole, kterou vytvořil anglický fyzik JAMES CLERK MAXWELL 1831–1879. Rozhlasové vlny však mají rozmanitou vlnovou délku, a dělí se proto do pásem na dlouhé, střední, krátké a velmi krátké vlny. Dlouhé vlny mají vlnovou délku až desítky kilometrů, střední a krátké vlny jsou kratší a ultrakrátké rozhlasové vlny jsou nejkratší – jejich vlnová délka se měří pouze v milimetrech.
Ještě kratší vlny než vlny rádiové mají tepelná záření, např. infračervené záření má vlny dlouhé jen tisíciny milimetru. Infračervenému záření se říká tepelné, protože jej vyzařují teplé předměty – např. kamna, motor automobilu, lidské tělo – a především Slunce. Takřka veškerá sluneční energie k nám přichází v podobě tohoto záření – díky své krátké vlnové délce snadno prochází atmosférou, mlhou i kouřem. Všechno toto záření je pro nás neviditelné – zrakem jej nevnímáme, jsme ale schopni vnímat infračervené záření pokožkou jako teplo. Teprve elektromagnetické záření v rozmezí vlnových délek 700 nm až 400 nm jsme schopni zrakem vnímat jako viditelné „bílé“ světlo. Elektromagnetické záření o vlnových délkách od 380 nm do 10 nm se nazývá ultrafialové záření a naše oko ho už opět nevnímá. Právě ultrafialovému záření můžeme připsat nejrůznější protichůdné účinky slunečního světla. Je léčivé i nebezpečné, způsobuje opálení ale i úžeh, působí sterilizačně – zabijí mikroby – ale může zničit i buňky a důležité mikroorganismy.
V rozmezí 10 nm až 0,01 nm je za ultrafialovým zářením rentgenové záření, které objevil roku 1895 německý fyzik Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923) – na jeho počest je toto záření po něm pojmenováno. Rentgenové záření proniká neprůhlednými látkami, prochází snadno lidskými tkáněmi a orgány, ale vápník v kostech ho pohlcuje. Právě toho se využívá v lékařství. Ještě kratší vlny než rentgenové záření má záření gama, a to až milióntiny nanometru. Toto záření vzniká např. při radioaktivním rozpadu prvků nebo při výbuchu atomové bomby. Z kosmu přichází záření s ještě menší vlnovou délkou, než má záření gama, ale vlastnosti tohoto záření doposud plně neznáme.
Obr. 1: Spektrum elektromagnetických vln
Uvážíme-li rozdíl mezi velikostí antény vysílače a velikostí atomu, pochopíme, že vlnová délka světelného vlnění bude velmi malá. Obvykle ji vyjadřujeme v nanometrech (1 m = 10-9 m).
Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.
Světlo různých vlnových délek vyvolává u člověka zrakový vjem, který charakterizujeme jako barvu světla. Nejkratší vlnové délce odpovídá barva fialová a nejdelší barva červená. Mezi tím je řada dalších barev, které tvoří spektrum světla. Odpovídají jim vlnové délky vyznačené na obrázku 2.
Obr. 2: Rozložení barev světla podle příslušné vlnové délky
Na jednotlivé barvy je oko různě citlivé. Nejcitlivější je na světlo žlutozelené barvy o vlnové délce okolo 550 nm, která je přibližně uprostřed spektra.
Světlo ze zdrojů, které běžně používáme k osvětlování (žárovky, zářivky nebo i Slunce), ovšem nevnímáme jako barevné, ale označujeme ho jako bílé světlo. Je to světlo složené z barevných světel všech vlnových délek.
Bílé světlo, popř. světlo určité barvy, můžeme získat i mísením menšího počtu barev. Např. obraz barevné televize vzniká mísením světel tří barev červené, zelené a modré.
Důležitou charakteristikou světla je rychlost světla c, kterou se světelné vlnění šíří prostorem. Ve vakuu je u všech druhů elektromagnetického vlnění stejná. I snaha změřit rychlost světla má dlouhou historii a první poměrně zdařilá měření byla provedena již v 17. století. Maxwell určil rychlost elektromagnetického vlnění teoretickým výpočtem a shoda s experimentálním měřením rychlosti světla je jedním z důkazů, že světlo je elektromagnetické vlnění.
Rychlost světla ve vakuu c = 299 792 458 m.s-1.
Při většině výpočtů vystačíme s přibližnou hodnotou c ~ 3.108 m.s-1 = 300 000 km.s-1.
Rychlost světla ve vakuu je důležitá fyzikální konstanta; je to největší rychlost, které lze dosáhnout. V látkovém prostředí má světlo vždy menší rychlost. Ve vzduchu má světlo přibližně stejnou rychlost jako ve vakuu. Ve vodě je rychlost světla přibližně 225 000 km.s-1. Ve skle se rychlost světla liší podle druhu skla a její velikost má hodnotu od 200 000 km .s-1 (u běžného skla) až do 150 000 km.s-1 (u speciálního skla pro optické účely).
Poněvadž rychlost světla v látkách se mění, mění se i jeho vlnová délka λ = c/f, kde f je frekvence světelného vlnění. Jestliže tedy světlo přechází např. ze vzduchu do skla, má ve skle kratší vlnovou délku. Avšak frekvence světla se přitom nemění. Nemění se ani barva světla, která je frekvencí určena.
Šíření světla
Šíření světla ovlivňují vlastnosti prostředí, kterým světlo prochází:
-
čirým sklem světlo prochází téměř beze změny;
-
barevným sklem projde jen světlo určitých vlnových délek. Nastává absorpce (pohlcování) světla;
-
matné sklo nepravidelně mění směr šíření světla. Nastává rozptyl světla;
- zrcadlem, což je např. sklo pokryté vrstvou kovu, světlo neprochází, ale jen se od povrchu zrcadla odráží, nastává odraz světla.
Tyto jednoduché příklady ukazují různé vlastnosti látek, které z hlediska šíření světla označujeme jako optická prostředí.
Optické prostředí může být:
-
průhledné – nedochází v něm k rozptylu světla;
-
průsvitné – světlo prostředím prochází, ale zčásti se v něm rozptyluje;
-
neprůhledné – světlo se v něm silně pohlcuje nebo se na povrchu odráží.
Průhledná prostředí mohou být čirá (např. voda nebo bezbarvé sklo) nebo barevná, kdy prostředí propouští světlo jen některých vlnových délek. Pokud má optické prostředí kdekoli ve svém objemu stejné optické vlastnosti, je to prostředí opticky homogenní neboli stejnorodé.
Jestliže rychlost šíření světla v optickém prostředí nezávisí na směru, nazýváme toto prostředí opticky izotropní. Když rychlost světla na směru šíření závisí, je prostředí anizotropní. Izotropním prostředím je např. sklo. Anizotropní jsou některé krystaly, např. krystal křemene. Ze zdroje světla, umístěného v opticky homogenním izotropním prostředí, se světlo šíří všemi směry stejně. Tento děj můžeme popsat Huygensovým principem známým z učiva o mechanickém vlnění. Ve zdroji světla vzniká světelné vlnění a to se šíří ve vlnoplochách směrem od zdroje. Pokud můžeme rozměry zdroje světla zanedbat vzhledem ke vzdálenostem šíření světla, mluvíme o bodovém zdroji světla. Vlnoplochy v mají v tomto případě tvar soustředných koulí (obr. 3a). Ve velké vzdálenosti od zdroje lze považovat části kulové vlnoplochy za rovinné vlnoplochy (obr. 3b).
Obr. 3: a) kulová vlna; b) rovinná vlna
Směr šíření světla ve stejnorodém optickém prostředí udávají přímky kolmé na vlnoplochu, které se nazývají světelné paprsky (p na obr. 3b). Ve stejnorodém optickém prostředí se světlo šíří přímočaře.
Skutečné zdroje světla obvykle nemůžeme považovat za bodové zdroje, protože světlo vychází současně z mnoha bodů, např. z vlákna žárovky. Šíření světla ze zdroje si zjednodušeně představujeme tak, že z každého bodu vycházejí všemi směry paprsky, které se navzájem protínají. Přitom se však neovlivňují a postupují prostředím nezávisle jeden na druhém. Tento poznatek, potvrzený zkušeností, nazýváme princip nezávislosti chodu světelných paprsků. Na přímočarém šíření světla a na nezávislosti chodu světelných paprsků je založena paprsková optika, která se uplatňuje při popisu optického zobrazení. Je přitom zanedbávána vlnová povaha světelného záření.
Jevy na rozhraní dvou prostředí
Při šíření světla často nastane případ, kdy světlo dopadá na rozhraní dvou optických prostředí, např. na skleněnou desku. Jedním optickým prostředím je vzduch a druhým sklo. V každém z těchto prostředí se světlo šíří jinou rychlostí. Ze zkušenosti víme, že světlo nejen přechází ze vzduchu do skla, ale také se od povrchu skleněné desky odráží. Oba tyto případy představují nejdůležitější optické jevy na rozhraní dvou prostředí. Jsou to: odraz světla a lom světla.
Odraz světla
Světelný paprsek dopadá na rozhraní pod úhlem dopadu α, který paprsek svírá s kolmicí dopadu k, vztyčenou v místě dopadu O na
rozhraní optických prostředí. Paprsek dopadajícího světla a kolmice dopadu leží v rovině, kterou nazýváme rovina dopadu.
Obr. 4: Odraz světla
Odražené světlo se šíří od rozhraní ve směru určeném odraženým paprskem. Ten svírá s kolmicí dopadu úhel odrazu α. Vztah mezi úhlem dopadu a úhlem odrazu určuje zákon odrazu světla:
Velikost úhlu odrazu α´ se rovná velikosti úhlu dopadu α.
α´ = α
Odražený paprsek leží v rovině dopadu.
Lom světla Při dopadu světelného paprsku na rozhraní vzduchu a skla pozorujeme, že úhel lomu β, který svírá lomený paprsek s kolmicí k rozhraní, je menší než úhel dopadu α (α > β). Nastal lom ke kolmici. Jestliže skleněný půlválec otočíme tak, že světlo přechází ze skla do vzduchu, je úhel lomu větší než úhel dopadu (α < β). Nastal lom od kolmice.
Obr. 5: Lom světla
Příčinou lomu světla je různá rychlost světla v optických prostředích. Například ve vzduchu má světlo rychlost c a rychlost světla ve skle označíme v. Poměr obou rychlostí je pro rozhraní mezi optickými prostředími konstantní a je v optice důležitou látkovou konstantou. Nazýváme ji index lomu n:
`n = c/v` (1)
Z definice indexu lomu vyplývá, že při průchodu světla z vakua (i ze vzduchu) do optického prostředí je index lomu vždy větší než 1 (n > 1). Použijeme-li např. údaje o rychlosti světla, zjistíme, že index lomu vody je přibližně 1,33 a index lomu skla dosahuje hodnot podle druhu skla od 1,5 do 2.
Čím větší je index lomu optického prostředí, do něhož přechází světlo z vakua (vzduchu), tím více se světlo láme a úhel lomu je menší. Tuto závislost mezi úhlem dopadu α a úhlem lomu β vyjadřuje zákon lomu:
`sin alpha / sin beta = c/v = n` (2)
Zákon lomu objevil v 17. století Holanďan W. Snell (1591-1626) a po něm se také nazývá Snellův zákon.
Při srovnávání dvou optických prostředí o různém indexu lomu nazýváme prostředí o menším indexu lomu prostředí opticky řidší a prostředí o větším indexu lomu prostředí opticky hustší.
Podle zákona lomu nastává při přechodu světla z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího lom světla ke kolmici (β < α) a při přechodu světla z opticky hustšího prostředí do prostředí opticky řidšího nastává lom světla od kolmice (β > α).
Při odrazu a lomu světla platí, že dopadající a odražený, popř. dopadající a lomený, paprsek můžeme vzájemně zaměnit. Světlo dopadající na rozhraní pod úhlem odrazu se odráží pod úhlem dopadu. Tento poznatek o záměnnosti chodu paprsků neplatí pouze pro odraz a lom světla, ale je obecným zákonem paprskové optiky.
Zvláštní případ lomu světla nastává při přechodu světla z opticky hustšího prostředí do prostředí opticky řidšího. Světlo se láme od kolmice a při určitém úhlu dopadu dosáhne největší možné hodnoty, β = 90° (obr. 6). Při větších úhlech dopadu už lom světla nemůže nastat a světlo se od rozhraní jen odráží.
Tento jev nazýváme úplný odraz a úhel dopadu α je mezní úhel.
Obr. 6: Úplný odraz
Úplný odraz se využívá ke konstrukci odrazných hranolů (obr. 7), které v mnoha optických přístrojích slouží ke změně směru paprsků. Na rozhraní skla a vzduchu je mezní úhel α = 42°, takže při úhlu dopadu 45° dochází k úplnému odrazu. Významné je využití úplného odrazu v konstrukci optických kabelů, kterými se přenášejí informace v podobě světelných impulzů.
Obr. 7: Odraz světla hranolem
Rozklad světla hranolem
Při demonstraci lomu bílého světla pomocí optického si můžeme všimnout, že lomené světlo již není bílé, ale jeho okraje jsou zbarvené. Okraj vzdálenější od kolmice je zbarven červeně a okraj bližší ke kolmici je zbarven fialově (obr. 8). Pozorujeme, že bílé světlo se při lomu rozložilo na barevné složky. Příčinou rozkladu světla je skutečnost, že rychlost světla v látkovém prostředí, a tedy i index lomu závisí na frekvenci světelného vlnění, která určuje barvu světla. Poněvadž při pokusu podle obrázku 8 se fialové světlo láme více než světlo červené, je zřejmě index lomu pro fialové světlo větší než pro světlo červené. Tento jev nazýváme disperze světla.
Po jednom lomu však rozklad světla není příliš výrazný, poněvadž paprsky červeného a fialového světla svírají malý úhel. Proto pro rozklad světla používáme vícenásobný lom světla na několika rozhraních. Nejčastěji se k rozkladu světla lomem používá optický hranol vyrobený ze skla, které vykazuje značnou dispersi světla.
Na lámavých plochách optického hranolu se světlo láme dvakrát, a proto je odchylka od původního směru větší než při lomu na jednom rozhraní.
Úzkou štěrbinou vymezíme svazek paprsků bílého světla, který dopadá na lámavou plochu optického hranolu, na stínítku se štěrbina zobrazí jako řada na sebe navazujících barevných proužků. Vzniklý obraz nazýváme hranolové spektrum (obr. 8).
Obr. 8: Hranolové spektrum
Bílé světlo se hranolem rozloží na spektrum, v němž jsou zastoupeny všechny barvy v posloupnosti červená (nejmenší hodnota indexu lomu), oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová (největší hodnota indexu lomu). Světlo dané frekvence je jednoduché (monochromatické) světlo, které již rozložit nelze. Charakterizuje ho také určitá vlnová délka ve vakuu.
Uvedené skupiny vlnových délek však nejsou od sebe ve spektru nijak výrazně oddělené, spektrum je spojité – jedna barva přechází v druhou plynule a zcela neznatelně, takže předěly mezi barvami spektra je nesnadné přesně určit. Dalo by se říci, že co nanometr vlnové délky, to zvláštní barevný tón, i když jen nepatrně odlišný od sousedního.