Nejdůležitějším smyslem, který nás spojuje s okolním světem, je zrak a prostředníkem poznávání světa je světlo. Není proto divu, že již v dávné minulosti lidé zkoumali podstatu světla a jevy spojené s jeho šířením. Poznatky o světle a zákonitostmi světelných jevů se zabývá optika, která patří k nejstarším oborům fyziky.
Od starověku lidé znali zákonitosti zobrazování zrcadly a v 17. století optiku rozšířily poznatky o lomu světla a zobrazování čočkami. V druhé polovině 19. století bylo prokázáno, že světlo je elektromagnetické vlnění, a má tedy vlastnosti, které jsme poznali na příkladu elektromagnetického vlnění vyzařovaného rádiovými a televizními vysílači. Na počátku 20. století se začala rozvíjet kvantová optika, podle níž je světlo proudem částic s určitým množstvím (kvantem) energie.
V posledních třiceti letech prochází optika prudkým rozvojem, který je spojen s vynálezem a využitím laseru. Vznikl nový obor optiky - holografie, který se zabývá záznamem a trojrozměrným zobrazením předmětů. Vlastnosti laserového paprsku našly uplatnění v měřící a laboratorní technice, laser se využívá v lékařství, zásadním způsobem změnil některé výrobní technologie a je součástí řady přístrojů a zařízení, s nimiž se v životě stále častěji setkáváme.
Připomeňme jen laserové přehrávače kompaktních desek a laserové tiskárny počítačů. Bohužel rozvoj vědy má i své stinné stránky - využití laserů ve vojenství.
Optika má stále významnější místo v elektronických zařízeních. Vznikl samostatný obor optoelektronika, který řeší především přenos informací speciálními kabely tvořenými svazky skleněných vláken.
1.1. Podstata světla a jeho šíření ve stejnorodém prostředí.
Podle současných představ se světlo za určitých okolností chová jako vlnění (dané chování světla není možné vysvětlit jinak, např. interferenci světla), jiné jevy svědčí o tom, že světlo je proud částic tzv. fotonů (např. fotoelektrický jev). Optické jevy jako přímočaré šíření světla, jeho odraz a lom na rozhranní dvou prostředí je možné vysvětlit jak teorií vlnovou, tak teorií částicovou (kvantovou). Protože se budeme většinou zabývat jevy, které lze objasnit vlnovými vlastnostmi světla, vysvětíme si nyní pouze teorii vlnovou. Představu o částicové povaze světla si doplníme v článku 1. 9. Kvantová optika.
Autorem teorie, podle níž je světlo elektromagnetické vlnění, které vzniká při kmitání elektronů, je anglický fyzik James Clerk Maxwell. Zatímco elektromagnetické vlnění rozhlasových a televizních vysílačů vzniká v anténách velkých rozměrů, jsou vysílači světla atomy látek. Elektrony v atomech mění svoji energii a ta je z atomu vyzařována v podobě elektromagnetického vlnění - světla.
Uvážíme-li rozdíl mezi velikostí antény vysílače a velikostí atomu, snadno pochopíme, že vlnová délka světelného vlnění bude velmi malá a frekvence kmitání velmi vysoká. Vlnovou délku obvykle vyjadřujeme v nanometrech.
Světlo je elektromagnetické vlnění. které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 790 nm.
Kromě vlnové délky světla Ajsou důležitými charakteristikami světla frekvence světla f a rychlost světla c. Mezi těmito veličinami platí stejný vztah jako v případě mechanického vlnění:
Světlo různých frekvencí (různé vlnové délky) vyvolá u člověka zrakový vjem, který charakterizujeme jako barvu světla. Barva světla závisí na frekvenci světla.
Frekvence světla charakterizuje zdroj, kterým je světlo vysíláno a při průchodu světla různým látkovým prostředím se nemění.
Největší frekvenci (t.j nejkratší vlnové délce) odpovídá barva fialová a nejmenší frekvenci (t.j. nejdelší vlnové délce) barva červená. Mezi tím je řada dalších barev, které tvoří spektrum světla. Odpovídají jim ve vakuu vlnové délky vvznačené na obr. 1.
 |
| Obr. 1 |
Při průchodu látkovým prostředím se vlnová délka dané barvy mění v závislosti na její rychlosti v tomto prostředí.
Světlo ze zdrojů, které běžně používáme k osvětlování (žárovky, zářivky nebo i Slunce), ovšem nevnímáme jako barevné, ale jako bílé světlo. Je to světlo složené z barevných světel všech vlnových délek. O tom se přesvědčíme rozkladem bílého světla, který je popsán v článku 1. 3.
Bílé světlo, popř. světlo určité barvy můžeme získat i míšením menšího počtu barev. Např. obraz barevné televize vzniká míšením světel tří barev - červené, zelené a modré.
Další charakteristikou světla je rychlost světla, s níž se světelné vlnění šíří prostorem.
Tato rychlost je ve vakuu u všech druhů elektromagnetického vlnění stejná. Rychlost světla ve vakuu
Při většině výpočtů vystačíme s přibližnou hodnotou
Rychlost světla ve vakuu je důležitá fyzikální konstanta; je to největší rychlost, které lze dosáhnout.
V látkovém prostředí má světlo vždy menší rychlost než ve vakuu. 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. V látkovém prostředí se navíc světla různých barev, t.j. různých frekvencí, šíří různou rychlostí. Červené světlo se šíří v každém látkovém prostředí vždy rychlostí větší než světlo žluté, zelené nebo fialové.
Šíření světla ovlivňují vlastnosti prostředí, kterým světlo prochází.
· Čirým sklem světlo prochází téměř beze změny.
· Barevným sklem projde světlo jen 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.
Tyto jednoduché příklady ukazují různé vlastnosti látek, které z hlediska šíření světla označujeme jako optické prostředí. Optické prostředí může být průhledné (nedochází v něm k rozptylu světla), průsvitné (světlo prostředím prochází, ale zčásti se v něm rozptyluje) nebo neprůhledné (světlo se v něm silně rozptyluje nebo se na jeho povrchu odráží).
Pokud optické prostředí má 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. Izotropním prostředím je např. sklo, anizotropní jsou některé krystaly, např. krystal křemene.
Podle vlnové teorie světla můžeme šíření světla prostředím popsat podle stejného principu jako je princip šíření mechanického vlnění. Ve zdroji světla vzniká světelné vlnění a to se šíří ve vlnoplochách směrem od zdroje. Z bodového zdroje světla, umístěného navíc v opticky homogenním izotropním prostředí, se vlnění šíří ve vlnoplochách, které mají tvar soustředných koulí (obr. 2a). Ve velké vzdálenosti od zdroje lze části kulových vlnoploch považovat za rovinné vlnoplochy (obr. 2b).
 |
| Obr. 2 |
Směr šíření světla ve stejnorodém optickém prostředí udávají přímky kolmé na vlnoplochu, které nazýváme světelné paprsky.
Ve stejnorodém optickém prostředí se světlo šíří přímočaře.
Přímočaré šíření světla v homogenním prostředí dokazuje existence ostrého stínu za neprůhledným tělesem, osvětleným bodovým světelným zdrojem. Na přímočarém šíření světla je založena paprsková optika, která se uplatňuje při popisu optického zobrazení. Pracuje pouze se světelnými paprsky a existenci vlnoploch při tom zanedbává.
Otázky a úlohy.
1. Základní charakteristikou zdroje elektromagnetického vlnění je frekvence, s níž kmitá a kterou má i vyzařované vlnění. Pomocí vztahu pro výpočet vlnové délky určete frekvenci, která odpovídá fialovému a červenému světlu.
2. Frekvence světelného vlnění na rozdíl od rychlosti světla nezávisí na vlastnostech prostředí. Použijte výsledek z předcházející úlohy a určete vlnovou délku fialového a červeného světla ve vodě.
3. Určete, které veličiny se při průchodu světla do jiného prostředí změní a které nikoli: rychlost světla, vlnová délka světla, barva světla, frekvence světla.
4. V astronomii se jako jednotka délky používá světelný rok (značka l.y., zkratka anglického názvu - light year). Je to vzdálenost, kterou světlo urazí za jeden rok. Určete přibližně hodnotu světelného roku.
5. Určete dobu, za kterou světlo dorazí ze Slunce na povrch Země. (Střední vzdálenost Země od Slunce je 150. 106 km.)
6. Svazky slunečních paprsků, které vycházejí z jednotlivých bodů povrchu Slunce, můžeme považovat za rovnoběžné. Proč?
7. Které významné astronomické jevy souvisí s přímočarým šířením světla?
8. Vysvětlete, proč stíny objektů na povrchu Měsíce jsou kontrastní, a proč tomu tak není na Zemi?
9. Proč jsou některé mraky bílé a některé téměř černé?