Svetlo – niektoré jeho vlastnosti

Pred vyše ½ miliardou rokov sa mrvil na dne pramora drobný organizmus, ktorý bol schopný vidieť. Aj keď tento prvý zrakový orgán nerozoznával viac než len svetlo a tmu, odštartoval jeden z najvzrušujúcejších vývojových procesov na planéte Zem. Vedci sa domnievajú, že počas evolúcie sa vyvinula z fľaku citlivého na svetlo bohatá paleta dnes jestvujúcich očí (45 – 65 typov očí, ktoré vznikli nezávisle od seba). Všetky typy očí sa prispôsobili životnému prostrediu jednotlivých organizmov. Úlohou oka je zachytávať fotóny – elementárne častice svetla, teda vidieť. Videnie uľahčuje organizmu lepší prístup k potrave, úspešnejšie uniknutie pred predátorom.

Svetlo je elektromagnetické žiarenie o vlnových dĺžkach 360 nm až 780 nm. V tomto intervale je obsiahnuté spektrum siedmych základných farieb, ktoré je schopné vnímať ľudské oko. Spektrum je rozdelenie svetelnej energie podľa jednotlivých vlnových dĺžok, resp. frekvencií.

Sú to farby: fialová (360nm – 420nm),

indigová (420nm – 480nm),

modrá (480nm – 540nm),

zelená (540nm – 600nm),

žltá (600nm – 660nm),

oranžová (660nm – 720nm) a 

červená (720nm – 780nm).

Oko vníma najintenzívnejšie stred spektra – žltú a zelenú.

Rozklad bieleho svetla na jeho zložky nazývame disperzia (disperzia je založená na lome svetla). Tento jav je možné pozorovať pri pokuse: Majme svetlo malého reflektora, ktoré je biele. Ak toto svetlo dopadne na sklenený hranol, biele svetlo sa rozloží na spektrum farieb a na stene hranola môžeme pozorovať dúhu. Z toho vyplýva, že biele svetlo je v skutočnosti zložené z farebných svetiel. Tento jav môžeme pozorovať aj vo volnej prírode. Ak dážď ešte padá, ale slnečné lúče už osvetľujú dažďové kvapky. V nich sa láme svetlo, rozkladá sa a odráža a tak na opačnej strane ako svieti slnko môžeme pozorovať dúhu. Tá opisuje časť kružnice o polomere asi 42° okolo miesta kam smeruje tieň pozorovateľovej hlavy. Preto je možné pozorovať dúhu ak je slnko nižšie ako 42° nad obzorom. Čím je Slnko nižšie nad obzorom, tým je dúhový oblúk vyšší.

Jednotlivé zložky farebného spektra sa lámu rôzne. Najmenej sa láme červené a najviac fialové svetlo. Zákon lomu je jedným zo štyroch základných zákonov geometrickej optiky.

Štyri základné zákony geometrickej optiky

1. V homogénnom a izotropnom prostredí sú svetelné lúče priamky. V niektorých prípadoch však môžeme hovoriť o difrakcii (ohybe svetla). Ohyb svetla – rozumieme pod ním tie javy, pri ktorých sa svetlo v homogénnom prostredí nešíri priamočiaro. Možno ho pozorovať napr. v prípade, keď osvetlíme nejakú ostrú hranu bodovým zdrojom svetla. Na tienidle za prekážkou s touto ostrou hranou sa nezjaví ostré rozhranie medzi svetlom a tieňom, ako by sme očakávali pri prechode priamočiareho šírenia svetla. Prechod z oblasti svetla do oblasti tieňa je postupný, pričom sa tu striedajú svetlejšie a tmavšie pruhy, ktoré sú stále bližšie k sebe a rýchlo miznú. Tento jav je spôsobený práve ohybom svetla.

2. Daným bodom priestoru môže súčasne prechádzať viac svetelných lúčov bez toho, aby sa vzájomne ovplyvňovali – interferencia svetla.

3. Zákon odrazu: pri dopade na rozhranie dvoch prostredí sa svetelný lúč (čiastočne alebo úplne) odráža tak, že uhol dopadu a sa rovná uhlu odrazu a´ a lúč zostáva v rovine dopadu (v rovine tvorenej lúčom a kolmicou dopadu, t.j. kolmicou na rovinné rozhranie).

Odraz svetla na rozhraní

4. Zákon lomu: Na rozhraní dvoch prostredí sa svetelný lúč láme tak, že podiel sínusov uhla dopadu a uhla lomu sa rovná konštante, nazývanej relatívny index lomu n₂₁.

n₂₁=sina/sinb

Relatívny index lomu charakterizuje lom svetla na rozhraní dvoch prostredí a rovná sa podielu rýchlosti šírenia svetla v prvom a v druhom prostredí, resp. podielu absolútnych indexov lomu N₂/N₁ definovaných podielom rýchlosti svetla vo vákuu a v danom prostredí.

n₂₁=v₁/v₂=(c/v₂)/(c/v₁)=N₂/N₁

Lom svetla na rozhraní

Uvažujme o rovinnej vlne, ktorá v oblasti medzi bodmi A a B dopadá na rozhranie a po odraze pokračuje opäť ako rovinná vlna v smere odklonenom od kolmice dopadu o uhol a´. Za čas Dt, za ktorý dorazí časť pôvodnej vlny z bodu D do bodu B, prejde časť odrazenej vlny z bodu A do bodu C. Keďže obidva presuny sa odohrávajú rovnakou rýchlosťou c₁ (vlna zostáva v pôvodnom prostredí), musí platiť rovnica

|AB|=|CB|/ sina = c₁Dt/sina= c₁Dt/sina´.

V druhom prostredí sa svetlo šíri inou rýchlosťou c₂, preto za čas Dt, za ktorý sa v prvom prostredí prejde dráha |DB|=|AB|sina =c₁Dt, prejde sa v druhom prostredí dráha |AE|=|AB|sinb = c₂Dt, takže je správna rovnica

|AB| =c₁Dt/sina = c₂Dt/sinb.

Z nej bezprostredne vyplýva zákon lomu v tvare sina/sinb = n₂₁ i vyjadrenie relatívneho indexu lomu podielom rýchlosti v obidvoch prostrediach n₂₁ = v₁/v_2.

Ak uhol lomu splňuje podmienku b³90° (90° je hraničný uhol), nenastáva lom, ale len odraz. Nazývame ho totálna reflexia. Podmienkou jej vzniku je rovnica

sina = n_21.

Ak chceme z optickej stránky charakterizovať iba jediné prostredie, zavádzame tzv. absolútny index lomu – index lomu optického prostredia vzhľadom na vákuum.

N = sina₀/sina, kde a₀ je uhol dopadu lúča postupujúceho vo vákuu a a je uhol lomu lúča postupujúceho príslušným optickým prostredím. Súvis medzi relatívnym indexom lomu a príslušnými absolútnymi indexami lomu nájdeme touto úvahou. Nech dve prostredia s absolútnymi indexami lomu N₁ a N₂ sú oddelené planparalelnou vrstvou vákua. Pre lom svetla na obidvoch rozhraniach platí:

sina₁/sina₀ = 1/N₁ , sina₀/sina₂ = N₂

Keď šírku vákuovej vrstvy budeme postupne zmenšovať až na nulu, smer vystupujúceho lúča sa tým nezmení a dva po sebe nasledujúce lomy svetla prejdú postupne do jediného lomu. Ak vzájomne vynásobíme posledné dve rovnice dostaneme sina₁/sina₂ = N₂/N₁ = n₁₂ .

Relatívny index lomu na rozhraní dvoch rozličných optických prostredí sa teda rovná podielu ich absolútnych indexov lomu (v obrátenom poradí).

Lom svetla v dvoch rozhraniach

Z dvoch prostredím s absolútnym indexom lomu N₁ a N₂ je opticky hustejšie to, ktorého absolútny index lomu je väčší. Pri lome z redšieho prostredia do hustejšieho (N₂>N₁) je n₁₂>1, takže a₁>a₂, dopadajúci lúč sa pri lome odchýli od pôvodného smeru u kolmici.

Pri lome z husejšieho prostredia do redšieho(N₂<N₁) ne n₁₂<1, takže a₁<a₂, dopadajúci lúč sa odchyľuje od kolmice

Indexy niektorých prostredí

Látka	N	Látka	N
Voda	1,3330	Ľahké flintové sklo	1,5822
Kamenná soľ(NaCl)	1,5443	Diamant	2,4173
Ťažké korunové sklo	1,6102	Kanadský balzam	1,5420
Kremenné sklo(SiO2)	1,4589	Benzol(C6H6)	1,5013

Pozn.: N – absolútny index lomu

Niektoré základné vlastnosti a pojmy

Svetlo sa šíri rýchlosťou 3,108 m.s^-1. Ide o rýchlosť svetla vo vákuu.

Základným zdrojom svetla pre našu planétu ja Slnko. Považujeme ho za prírodný zdroj svetla. Okrem Slnka tu patria aj hviezdy a Mesiac, ktorý však iba odráža svetlo zo Slnka. Ďalšími zdrojmi svetla sú umelé zdroje, ktoré si vytvoril človek pre svoje potreby. Ide najmä o žiarovky, žiarivky, laser.

Prostredie v ktorom sa šíri svetlo nazývame optickým prostredím. Podľa účinkov svetla na toto prostredie rozdeľujeme ho na: priehľadné, priesvitné a nepriehľadné.

· priehľadné – (vzduch, voda, sklo) – smer svetla sa nemení, šíri sa priamočiaro od zdroja až k nášmu oku

· priesvitné – (hmla, mliečne sklo) – svetlo sa v prostredí rozptyľuje

· nepriehľadné – (väčšina pevných látok) – svetlo pohlcujú, v látke sa stráca

V rovnorodom prostredí sa svetlo šíri priamočiaro. Toto umožňuje zaviesť pojem svetelný lúč. Priamka kolmá na vlnoplochu udáva smer, v ktorom sa šíri svetlo a nazýva sa svetelný lúč. Svetelné lúče, ktoré vzchádzajú y priestorového zdroja svetla, navzájom sa pretínajú, pričom sa neovplyvňujú a postupujú prostredím nezávisle jeden od druhého. Táto vlastnosť sa volá princíp nezávislosti chodu lúčov.

Monika Kuljovská & Martin Vaško