Optika

Ievads

Ar šī referāta palīdzību es ceru iegūt jaunas zināšanas optikā. Mans mērķis ir uzzināt par ģeometrisko optiku, fotometriju, kvantu u.c.. Optika ir interesanta. Zināšanas optikā mums palīdz sadzīvē, kā arī izprast dažādas lietas, piemēram, kosmosu, mikroorganismus u.c. – teleskopi, mikroskopi. Optika palīdz labāk redzēt cilvēkiem, kuriem ir problēmas ar redzi – brilles. Agrāk lēcas pat izmantoja noziegumu atklāšanā – palielināmos stiklus, lai atrastu pirkstu nospiedumus un izpētītu tos. Protams, optikai ir vēl daudzi pielietojumi.

Ģeometriskā optika

Attēlu veidošanās likumus optiskajās sistēmās noskaidro ģeometriskā optika. Ģeometriskās optikas li

i
ikumsakarības ir pareizas, ja optiskās sistēmas elementu, piemēram, lēcu, spoguļu un diafragmu lineārie izmēri ir daudzkārt lielāki par gaismas viļņa garumu λ.

Viens no ģeometriskās optikas pamatjēdzieniem ir gaismas stars. Ar gaismas staru parasti saprot šaurā kūlītī virzītu gaismu. Precīzāk, gaismas staru virzienā izplatās gaismas viļņa enerģija. Gaismas stars katrā punktā ir perpendikulārs gaismas viļņa frontei. Ja gaisma izplatās vidē, kura gaismu izkliedē, tad staru var ieraudzīt. Tas kļūst redzams, piemēram, lāzera stars vai Saules stari, kas iekļuvuši putekļainā telpā caur ša
a
auru spraugu.

Gaismas atstarošana un laušana

Gaismas vilnis, sasniedzot robežvirsmu, kas atdala divas dzidras, bet optiski dažādi blīvas vides, sadalās atstarotajā un lauztajā vilnī. Atstarotais vilnis atgriežas vidē, kurā gaisma krīt, lauztais vilnis izplatās aiz robežvirsmas. Staru gaitu, gaismai atstarojoties un lūstot, at

t
ttēlo krītošais stars S, atstarotais stars S1 un lauztais stars S2.

Krītošajam gaismas vilnim atstarojoties un lūstot uz robežas virsmas starp divām vidēm, ir spēka gaismas enerģijas nezūdamības likums. Atstarotā viļņa un lauztā viļņa enerģijas summa ir vienāda ar krītošā viļņa enerģiju.

Fotometrija

Ar gaismas vilni telpā izplatās gaismas enerģija, kuru var uztvert cilvēka acs tīklenē izvietoti gaismjūtīgi elementi, kā arī citas gaismjūtīgas vielas (fotomateriāli). Cilvēka acs jutība dažāda viļņa garuma gaismas viļņiem ir atšķirīga. Šī iemesla dēļ novērotājs ne vienmēr divus gaismas avotus, kas izstaro telpā vienādas enerģijas plūsmas. Tāpēc gaismas avotu izstarotās enerģijas plūsma nevar būt avotu spožuma vai ķermeņu apgaismojuma mērs. Lai salīdzinātu ķermeņu apgaismojumus, kā arī dažādus gaismas avotus pēc to gaismas stipruma un spožuma, jāveic t.s. fotometriskie mērījumi. Fo

o
otometrijā lieto speciālu gaismas stipruma etalonu – gaismas avotu, kura starojums ir gaismas stipruma vienība.

Difrakcija

Kad gaismas viļņi iziet caur nelielu atvērumu vai spraugu, kuras platums ir salīdzināms ar gaismas viļņa garumu, tie izplatās visos virzienos. Šo parādību sauc par difrakciju. Viļņi, kas izgājuši cauri tuvu esošiem atvērumiem, var interferēt cits ar citu. Atkarībā no virziena viļņi var vai nu pastiprināt cits citu, vai pavājināt. Veidojot interferences ainu.

Šķiet, ka, samazinot caurumiņu, varētu iegūt ļoti tievu kūli un tādā veidā precīzi noteikt gaismas iz

z
zplatīšanās virzienu. Taču īstenībā, samazinot caurumiņu, gaismas kūlis sašaurinās tik ilgi, kamēr caurumiņa diametrs vēl ir stipri lielāks par gaismas viļņa garumu. Kad caurumiņa diametrs jau salīdzināms ar gaismas viļņa garumu, gaismas kūlis sāk paplašināties, jo notiek difrakcija. Gaisma apliecas ap ekrāna malām, līdzīgi tam, kā tas notiek ar viļņiem uz ūdens virsmas. Tāpēc nevar iegūt pēc patikas tievu gaismas kūli, kuru varētu saukt par gaismas staru.

Kvants

Gaismas vilnis nes elektromagnētiskā starojuma enerģiju, kuru izstaro gaismas avoti. Eksperimenti liecina, elektromagnētisko viļņu avoti enerģiju izstaro tikai pa porcijām – kvantiem. Kvanta enerģija nav dalāma: vielas atomi, molekulas, cietvielas, kristālrežģis ne tikai izstaro, bet arī absorbē gaismu pa kvantiem. Pastāv infrasarkanās, redzamās un ultravioletās gaismas kvanti, rentgenstarojuma kvanti, γ kvanti.

Priekšstats par elektromagnētiskā starojuma kvantiem radās 20. gs. sākumā. To ieviesa Maksis Planks un Alberts Einšteins.

Fotoni

Par fotoniem sauc redzamās gaismas kvantus. Elektromagnētiskā starojuma kvantiem, kuri atbilst citiem viļņa garuma diapazoniem, speciālu nosaukumu nav. Tomēr elementārdaļiņu fizikā dažkārt par fotoniem sauc jebkura elektromagnētiskā lauka enerģijas kvantus. 1905. gadā vācu izcelsmes ASV fiziķis A. Einšteins ierosināja vienkāršu fotoefekta skaidrojumu. Tas pamatojās uz pieņēmumu, ka gaisma izturas kā daļiņu plūsma.

Vielā elektronus notur tajā darbojošies kodolu pievilkšanās spēki. Lai elektronus atbrīvotu ir vajadzīga noteikta enerģijas deva. Fotoefektā šo enerģijas daļu iegūst no gaismas. Einšteins apgalvoja, ka gaisma ir enerģijas porciju jeb elementārdaļiņu – fotonu plūsma. Katra fotona enerģija ir atkarīga no tā frekvences. Ja gaismas frekvence ir pārāk zema, tad enerģija, ko fotons var piešķirt elektronam, ir nepietiekama, lai elektrons varētu izrauties no vielas. Tikai tad, ja gaismas frekvence sasniedz noteiktu lielumu, katram fotonam ir pietiekama enerģija, lai izsistu elektronu. Tas arī notiek fotoefektā.

Interference

Vairākiem viļņiem pārklājoties, veidojas vilnis, kura amplitūda vides dažādos punktos ir atšķirīga. Ja viļņus rada avoti, kuri svārstās vienādās fāzēs vai arī fāzu starpība nemainās laikā, tad tādus avotus sauc par koherentiem. Koherenti avoti veido telpā un laikā nemainīgu viļņu pārklāšanās – interferences ainu. Šai interferences ainai raksturīgi mezglu un blīzumu punkti. Mezglos vides daļiņas nesvārstās, bet blīzumos tās svārstās ar maksimālu amplitūdu.

Spektrs, tā iegūšana, pamatkrāsas

Neviens gaismas avots nedod pilnīgi monohromatisku gaismu, t.i., gaismu, kurai stingri noteikts viļņa garums. Par to var pārliecināties mēģinājumos, kur gaismu sadala spektrā, izmantojot prizmu, kā arī mēģinājumos par interferenci un difrakciju.

Kad prizma sadala baltu gaismu krāsās. Tā vienmēr iznāk no prizmas vienā un tai pašā kārtībā: sarkanā krāsa vienā galā un violetā krāsa otrā galā. To sauc par krāsu spektru. Kad saule atstarojas no lietus pilieniem, veidojas varavīksne, kurā ir visas spektra krāsas. Šīs krāsas ir: Violeta, tumši zila (indigo), zila, zaļa, dzeltena, oranža, sarkana un tieši šādā secībā sākot no augšas.Sarkano, zaļo un zilo krāsu sauc par pamatkrāsām. Tas ir tāpēc, ka tu vari sajaukt tās dažādās attiecībās, lai iegūtu jebkuru spektra krāsu.

Gleznu pamatkrāsas – sajaucot kopā trīs pamatkrāsas, iegūst melno krāsu. Gleznotāji jauc krāsas, lai veidotu simtiem dažādu gaismēnu un nokrāsu.

Gaismas pamatkrāsas – Sajaucot pareizās attiecībās gaismas trīs pamatkrāsas, veidojas baltā krāsa.

Prizmas, lēcas

Trīsstūrains stikla gabals, kuru sauc par prizmu, sadala balto gaismu visās krāsās. Gaismai izejot caur prizmu tā tiek lauzta vai noliekta, jo stikls to bremzē. Katras krāsas gaisma iziet cauri stiklam ar dažādu ātrumu un dažādi noliecas. Tādejādi krāsas, gaismai izejot no prizmas, izvēršas spektrā. Gaismas laušanas rezultātā mainās priekšmeta izskats un šķietamais novietojums. Attēli, kurus mēs redzam, nav tieši tādi paši kā to oriģināli. Šo efektu izmanto, lai ar lēcām iegūtu palielinātus attēlus. Lēcas parasti izgatavo no stikla vai plastmasas.

Pirms vairāk nekā 300 gadiem zinātnieki atklāja, kā izgatavot teleskopus un mikroskopus, iemontējot caurulē vairākas stikla lēcas. Drīz viņi atklāja, ka lēcu iespējas ierobežo dispersija. Šī iemesla dēļ sākotnēji attēliem mikroskopos un teleskopos bija krāsaini, izplūduši oreoli. Modernajos optiskajos instrumentos to novērš, izmantojot dažādu lēcu kombinācijas.

Lēcas izmanto ne tikai teleskopos un mikroskopos, bet arī brillēs. Gan izliektas, gan ieliektas, tas atkarīgs vai cilvēks ir tuvredzīgs, vai tālredzīgs.

Spoguļi, spoguļu veidi

Gaisma viegli iet cauri tādām caurspīdīgām vielām kā stiklam, bet neiet cauri necaurspīdīgiem priekšmetiem, piemēram, papīram. Gaismu vismazāk laiž cauri tie priekšmeti, kuriem ir nelīdzena virsma, jo tā izkliedē gaismu visos virzienos. Tā kā spogulim ir līdzena virsma, tas labi atstaro gaismu. Kad tu skaties uz savu seju spogulī, gaisma atstarojas tieši atpakaļ, veidojot asu attēlu. Vairums spoguļi ir izgatavoti no stikla. Taču tava seja atstarojas no spīdoša metāla pārklājuma spoguļa aizmugurē, nevis no stikla.

Ieliekta spoguļa atstarojošā virsma ir ieliekta, un tas atstaro gaismu uz ieliekuma iekšpusi. Stari, kas krīt uz spoguli paralēli tā galvenajai optiskajai asij, pēc lūšanas krustojas vienā punktā, ko sauc par fokusu. Attālumu no fokusa līdz spoguļa virsmai sauc par fokusa attālumu. Jo mazāks fokusa attālums, jo lielāks palielinājums.

Izliektie spoguļi ir līdzīgi ieliektajiem spoguļiem, taču tie atstaro gaismu uz liekuma ārpusi. Kad paralēli stari krīt uz izliektu spoguli, tie atstarojas uz ārpusi. Izliekta spoguļa fokuss atrodas aiz spoguļa punktā no kura šķietami izplatās atstarotie stari. Jo mazāks fokusa attālums, jo mazāks ir atstarotais attēls.