Optika

Az optika vagy fénytan a fizikának a fény és általában az elektromágneses hullámok terjedésével foglalkozó tudományága. A fény tulajdonságait, a fényjelenségeket – fénytörés, fényvisszaverődés, visszatükrözés – vizsgálja.

Az optika szó a görög optikosz (ὀπτικός = látás) szóból származik.

Részterületei

• A geometriai optika a fényt mint egy sugarat tekinti, mely egyenes vonalban halad az egyes közegekben, a közeghatárokon pedig visszaverődik vagy megtörik.
• A hullámoptika a fényt hullámként modellezi, és a fény terjedésével kapcsolatos jelenségekkel foglalkozik. Így magyarázható a fényelhajlás, az interferencia és a polarizáció jelensége.
• A kvantumoptika a fény anyaggal való kölcsönhatását írja le, amely során fény keletkezik vagy megsemmisül, ezért vékony rétegek és határjelenségek magyarázatául szolgál.

Színkép vagy spektrum

A színeket a fény frekvenciája határozza meg. A különböző színeknek megfelelő hullámhosszak a fázissebesség és a frekvencia értékének a hányadosa.

Színkép vagy spektrum valamely fényforrástól kibocsátott fény hullámhossz szerinti felbontásánál a színekhez tartozó intenzitás frekvenciára való eloszlását leíró függvény által adható meg, illetve a fényspektrográfok által a hullámhossz szerint felbontással a térben.

Emissziós színkép

A gerjesztett atomi vagy molekuláris rendszer által kibocsátott elektromágneses hullámok hullámhossz szerinti rendszere.

Folytonos színkép

Olyan emissziós színkép, amelynek az intenzitása a frekvencia folytonos függvénye, és széles tartományban különbözik nullától.

Fényforrások

Meg kell említenünk a fényforrásokat is, mert fényforrás nélkül nincs fény. Két fajta fényforrást különböztetünk meg:

1. az elsődleges
2. a másodlagos fényforrásokat.

Elsődleges fényforrás

Elsődleges (valódi) fényforrásnak tekintjük azokat a tárgyakat, amelyek fényt bocsátanak ki. Elsődleges fényforrások: a Nap, a csillagok, a gyertya lángja, a lámpa stb.

Másodlagos fényforrások

Minden test, ami csak a rá sugárzott és róla visszaverődő fény miatt látható azt másodlagos fényforrásnak nevezzük.

Ez alapján vehetjük úgy is, hogy minden test másodlagos fényforrás, mint például az asztal, tábla, ember stb.

Fényjelenségek

Ha a fény két eltérő optikai sűrűségű közeg határára érkezik, akkor egy része visszaverődik, másik része pedig belép az új közegbe. Az új közegben haladó fénysugár általában megtörik. A közegek és a határfelület tulajdonságaitól, valamint a beesés szögétől függ, hogy a fényvisszaverődés vagy a fénytörés az erőteljesebb.

A Huygens–Fresnel-elv

Hullámtörés a Huygens-elv alapján

Christiaan Huygens holland fizikus és csillagász (1629–1695) dolgozta ki az optikai rendszerek elemzésének hasznos módszerét.

A hullámfront minden pontja elemi gömbhullámok kiindulópontja. Az elemi hullámok a fény sebességével terjednek. Egy későbbi „t” időpontban a hullámfront új helyzetét az elemi hullámok interferenciájának burkolója adja meg.

(Megjegyzés: A hátrafele terjedő elemi hullámok az interferencia miatt kioltódnak.)

Fényvisszaverődés

Hogyha a közegek és a határfelület tulajdonságai úgy hozzák, hogy a visszaverődés erőteljesebb, a jelenséget fényvisszaverődésnek nevezzük.

Teljes visszaverődés (totálreflexió)

Teljes visszaverődés

Ha egy fénysugár az optikailag sűrűbb közeg felől a ritkább közeg felé halad, akkor a határfelületen nem törik meg, hanem azon – mint tökéletes tükrön – visszaverődik. Ilyenkor teljes fényvisszaverődésről vagy más néven totális reflexióról beszélünk, mivel a határfelület a ráeső fény 100%-át visszaveri. A határszöget a törési törvényből könnyedén meghatározhatjuk:

${\frac {\sin \alpha }{\sin 90^{\circ }}}={\frac {1}{n}}$

ebből:

$\sin \alpha _{h}={\frac {1}{n}}$

Brewster törvénye

A visszavert sugár teljesen poláros lesz, ha a visszavert, valamint a közegbe behatoló megtört sugár egymásra merőleges. A teljes polarizációhoz tartozó $\alpha _{b}$ beesési szög és a törésmutató kapcsolata:

$n={\frac {\sin \alpha _{b}}{\sin \beta }}={\frac {\sin \alpha _{b}}{\sin(90^{\circ }-\alpha _{b})}}={\frac {\sin \alpha _{b}}{\cos \alpha _{b}}}=\operatorname {tg} \alpha _{b}$

Kísérlet

Fényvisszaverődés sík felületről

Hogy a törvényt ki tudjuk mondani, egy kísérletet kell elvégeznünk, amihez optikai korongot használunk. Az optikai vagy Hartl-korong három részből áll:

• beosztásos korong
• szűrő, ami kiszűri a nem megfelelő irányba haladó fénysugarakat
• tartószerkezet, amire tükröket, illetve lencséket rakhatunk

Jelen esetben a tartószerkezetre egy síktükröt raktunk. A képen látszik, hogy merre halad a fénysugár, és elvileg azt látjuk, ami a mellékelt képen látható.

Törvény

A törvény meghatározásához értelmeznünk kell a képet. Az alábbi elnevezéseket használjuk:

• beeső fénysugár (s): a felülethez tartó fénysugár
• visszavert fénysugár (s’): a felülettől távolodó fénysugár
• beesési pont (O): ahol a beeső fénysugár a felületet éri
• beesési merőleges (n): a beesési pontban a felületre állított merőleges
• beesési szög (α): a beeső fénysugárnak a beesési merőlegessel bezárt szöge
• visszaverődési szög (β=α’): a visszavert fénysugárnak a beesési merőlegessel bezárt szöge

A kísérletből megállapíthatjuk a törvényt:

1. A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van.
2. A visszaverődési szög egyenlő a beesési szöggel.

Ezt Eukleidész Kr. e. 300 körül már bebizonyította.

Fénytörés

Fénytörés

Fénytörés

Ha egy üvegpohárba vizet öntünk, s rajta átnézve vizsgáljuk a hozzá közel lévő tárgyakat, eltorzult képet látunk. A vízbe helyezett szívószál például megtörtnek látszik, pedig ha kivesszük a vízből, látható, hogy változatlan az alakja. Nem a szívószál törik meg, hanem a fény, amely a vízből érkezik a szemünkbe.

Ha a fénysugár eltérő fénytani sűrűségű anyagok határán átlép, iránya megváltozik. A víz és a levegő határán mindig megtörik a fény, kivéve, ha éppen merőlegesen esik a vízfelületre.

A fény fázissebességének nagysága

Vákuumban:

$c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}=299792458{\frac {m}{s}}$

Szigetelőben:

$c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}\varepsilon _{r}\mu _{r}}}}={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon \mu }}}\approx {\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}\varepsilon _{r}}}}={\frac {c_{0}}{\sqrt {\varepsilon _{r}}}}<c_{0}$

(ugyanis $\mu _{r}\approx 1$)

A közeg abszolút törésmutatója

$n={\frac {c_{0}}{c}}={\sqrt {\varepsilon _{r}\mu _{r}}}\approx {\sqrt {\varepsilon _{r}}}$

Diszperzió (színszórás)

A prizma fénytörése az eltérő hullámhosszok miatt alakul ki

$\varepsilon _{r}$ frekvenciafüggése miatt különböző hullámhosszú fénysugarak ugyanabban a közegben különböző sebességgel terjednek. Az új közegben a fényhullámok különböző frekvenciájú komponensei különböző mértékben térnek el a becslési irányhoz képest, azaz szóródnak. Emiatt bontja színeire a különböző frekvenciájú (színű) fények keverékét a prizma.

Relatív törésmutató

A második közeg első közegre viszonyított relatív törésmutatója:

$n_{21}={\frac {c_{1}}{c_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}$

Az első közeg optikailag akkor sűrűbb a második közegnél, ha $n_{21}\!<\!1$, ellenkező esetben a közeg optikailag ritkább. (Az optikai sűrűség nem azonos a mechanikai sűrűséggel.)

Snellius–Descartes fénytörési törvénye

Ugyanazon közegben a beesési és törési szög szinuszának aránya állandó, és egyenlő az első, illetve második közegben mért terjedési sebességek hányadosával.

${\frac {\sin \alpha }{\sin \beta }}={\frac {c_{1}}{c_{2}}}=n_{21}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}$

Az $\alpha$ beesési szög növelésével a fény energiájának egyre kisebb hányada jut be az új közegbe.

Optikai eszközök

• Optikai lencse (domború, homorú)
• Tükör (sík, homorú, domború)
• Prizma
• Szem
• Szemüveg és Kontaktlencse
• Optikai távcsövek
  • Galilei-távcső (hollandi távcső)
  • Kepler-távcső
  • Newton-távcső
  • Cassegrain-távcső
  • Ritchey–Chrétien-távcső
• Mikroszkóp
• Fényképezőgép és őse, a camera obscura
• Kamera
• Diavetítő
• Optikai szál

Források

• Csákány Antal; Flórik György; Gnädig Péter; Holics László; Juhász András; Sükösd Csaba; Tasnádi Péter. Fizika. Akadémia Kiadó (2009). ISBN 978 963 05 8487 6 

További információk

• Optika.lap.hu - linkgyűjtemény
• Fizkapu portál FizFotó rovatának optika tárgyú fotói
• Hétköznapi fénytani jelenségek

Kapcsolódó szócikkek

• Fermat-elv
• Fénysebesség
• Geometriai optika
• Prizma
• Spektrum