B2. A FÉNY FOGALMA, FÉNYJELENSÉGEK ISMERTETÉSE,

Átírás

1 B2. A FÉNY FOGALMA, FÉNYJELENSÉGEK ISMERTETÉSE, FÉNYVISSZAVERŐDÉS, FÉNYTÖRÉS, FÉNYINTERFERENCIA, FÉNYPOLARIZÁCIÓ, FÉNYELHAJLÁS Fény: elektromágneses sugárzás (Einstein meghatározása, hogy idesorolta a sugárzáshoz a fényt, ezt a megfogalmazást Max Planck kutatásaira alapozta, mindketten Nobel-díjasok) Max Planck ( ) 900: felfedezésével a modern kvantum-elmélet megalapítója, a 98-ban fizikai Nobel-díjjal jutalmazták. Megállapította, hogy a sugárzó anyagok nem folytonosan, hanem kvantumok formájában, szakaszos bocsátják ki a sugárzást. Energiaadagok hagyják el a sugárzó anyagot, ill. energiaadagok érik a besugárzott felületet. Ez az energiakvantum arányos a sugárzás frekvenciájával. Einstein ( ) 905-ben megalkotta a speciális relativitás-elméletet, és ezzel egyben a gravitáció modern elméletét is kidolgozta 96: befejezte az általános relativitás-elméletről szóló munkáját. Bevezette a fénykvantum fogalmát, megadta a fényelektromos jelenség elméleti magyarázatát is. 922: Nobel-díjat kapott a foto-elektromos effektusról szóló elméletéért. 949: új, általános relativitásról szóló elmélet + egységes tér-elmélet. Fénykvantum-elmélet (kvantum: egységnyi mennyiség): a fény életében az energia-egységet fotonnak hívjuk. A foton energiája számítható, ez a kvantum-energia E = h ν (nü) E: fényenergia [J]; a foton energiája h: Planck-féle állandó, természeti szám; h = 6, [Js] ν: rezgésszám vagy frekvencia [/s =Hz] Fényenergia keletkezése: a foton energiáját kisugározza, mikor visszalép egy alacsonyabb energiaszintű elektronpályára. Δ E: energiaszintek közötti különbség. Fény jellemzői: fénysebesség; jele: c [km/s] c km/s hullámhossz; jele: λ (lambda) [nm] (nanométer) λ 380 nm 760 nm a látható fény hullámhossztartománya. Hullámhossz: az a távolság, amit a hullám egy teljes periódus alatt megtesz. nm = 0-6 mm frekvencia; jele: ν [Hz] Egy másodperc alatti rezgések száma. c=λ ν Állandó érték: c A tényezők fordított arányban állnak: λ és ν Sugárzás egyenes:

2 Spektrum: Spektrum: a napfényt alkotó színek tartománya. Newton bebizonyította, hogy a napfény alkotóira bontható fénysugarat bocsátott egy prizmára, mely felbontotta a napfényt szivárvány színekre, majd a színes fények útjába gyűjtőlencsét tett, ez összegyűjtötte a fényeket, így visszakapta a fehér színt. Egyéb fényelméletek: egy ókori elmélet szerint a látáshoz vékony hártyák válnak le a szemről, nem feltételezték a fény szükségességét, de nem volt magyarázható, hogy miért nem látunk teljes sötétségben. ókori gondolkodók, arabok, Arisztotelész is végeztek kísérleteket. Arisztotelész megállapította, hogy a fény a napból érkezik. XIX. század: Maxwell elektromágneses-hullám elmélete (fényhullám elmélet). Az elgondolásával közel állt a valósághoz, de voltak olyan jelenségek, amelyeket nem tudtak az elméletével megmagyarázni. Kimaradt belőle, hogy a fény egyenes vonalban terjed. Newton korpuszkuláris elmélete: a fény kis tömeggel rendelkező szemcsék (korpusz=testek) formájában terjed. Feltételeznie kellett az éter jelenlétét, mely lebegteti a szemcséket. Melyik szín nagyobb energiájú, a kék vagy a vörös? A kék fénynek van akkora energiája, hogy fényérzékeny rendszerekben kémiai változást hoz létre. Léteznek kékérzékeny anyagok Pl. Ag-halogenides rendszerek (fényképészeti filmek), kromát-kolloid rendszerek, fotopolimerek, dianovegyületek. A fényérzékeny anyagok kékérzékenyek, és ezt az érzékenységi tartományt szélesítik vegyi beavatkozással. Fényjelenségek A fény duális (kettős) természetű jelenség: egyenes vonalban és hullámmozgással is terjed egyszerre. A fényjelenségeket ezen természetek alapján magyarázzuk: Az egyenes vonalú mozgással magyarázható a fényvisszaverődés és a fénytörés Hullámmozgással pedig a fényinterferencia, a fénypolarizáció és a fényelhajlás. I. FÉNYVISSZAVERŐDÉS Tükrös visszaverődés: sima és fényes felületen a) A fény irányvonala megegyezik a beesési merőlegessel, ilyenkor önmagában verődik vissza. Beesési szöge 0. b) Beesési szög: beesési merőleges és beeső fénysugár által bezárt szög: α. Visszaverődési szög: beesési merőleges és visszaverődő fénysugár által bezárt szög: β. A három elem egy síkban van, α = β. Párhuzamosan érkező sugarak párhuzamosan verődnek vissza. 2

3 Szórt visszaverődés (diffúz) Felülete érdes, matt. A párhuzamosan érkező fénysugarak szórtan verődnek vissza. II. FÉNYTÖRÉS Átlátszó anyagok optikai sűrűsége különböző. A különböző optikai sűrűségű anyagok határfelületén átlépve a fény megváltoztatja haladási irányát: megtörik. Ha merőlegesen érkezik a fénysugár: nem törik meg, a haladási irány nem változik. α > i h : teljes fényvisszaverődés Optikailag ritkább közegből sűrűbbe haladva a fény a beesési merőlegesbe törik: i>r. Abban az esetben, ha a fény az optikailag ritkább közegből a sűrűbb felé halad, a haladási irányától eltér, és a beesési merőlegeshez közelítve halad. Tehát a beesési szög nagyobb, mint a törési szög. Sűrűbből ritkábba haladva a fény a beesési merőlegestől törik: i<r. Abban az esetben, ha a fény az optikailag sűrűbb közegből a ritkább felé halad, a haladási irányától eltér, és a beesési merőlegestől távolodva halad. Tehát a beesési szög kisebb, mint a törési szög. i h: határszög (itt a beesési szög határszög) bizonyos (i h-nál nagyobb) szögnél a fény már nem lép ki az új közegbe Törésmutató (n) Törésmutató: viszonyszám, amely megmutatja, hogy a két átlátszó anyag optikailag milyen kapcsolatban van egymással. A viszonyszám ugyanarra a két anyagra vonatkoztatva állandó, és jellemzi a két anyag viszonyát. A második anyagnak az elsőre vonatkoztatott törésmutatója: n 2,= sin i sin r Ha ellentétes irányból érkezik a fény, akkor a törésmutató reciprokával számolunk. sin r Az első anyagnak a másodikra vonatkoztatott törésmutatója: n,2= sin = n,2 i = n2, 3

4 III. FÉNYINTERFERENCIA Fényhullámok találkozásánál megfigyelhető jelenségek. erősítés gyengítés kioltás t: idő A: amplitúdó λ: hullámhossz [nm] ν: frekvencia [Hz] A frekvencia és a hullámhossz fordítottan arányos. Ha az egyik nő, a másik csökken, és fordítva. Rövidebb hullámhossz nagyobb frekvencia Erősítés Ha 2 hullám azonos fázisban van erősítik egymást. A 2 hullám kitérése összeadódik eredő hullám Útkülönbség: s=2n λ/2 Gyengítés Ha 2 hullám ellentétes fázisban van gyengítik egymást Útkülönbség: s=(2n+) λ/2 Kioltás Ellentétes fázisú hullámok, azonos amplitúdó kioltják egymást Útkülönbség: s=(2n+) λ/2 Fényelnyelés esetén az elhajló fények eltérő fázisban vannak egymással, ezért interferálnak sötétebb, világosabb sávokat látunk a megvilágított terület körül, ahol sötétebb a sáv, ott gyengítették vagy kioltották egymást. 4

5 IV. FÉNYPOLARIZÁCIÓ (FÉNYSARKÍTÁS) A természetes fény transzverzális hullámokban terjed. Transzverzális hullám: a sugárzás a terjedési irányra merőlegesen minden irányban rezeg. Polarizált fény: a haladási irányra merőlegesen csak egy síkon két irányba, azaz két szélső pont között oda-vissza rezeg. A rezgés síkja bármilyen szögállású lehet. Minden visszaverődő fény polarizált. Polárszűrő: üveg vagy műanyag felületen (zselatinnal) rögzített kristályok, melyek csak egy bizonyos síkon rezgő fényeket engednek át Két szűrővel ki lehet oltani a fényt teljesen: V. FÉNYELHAJLÁS (DIFFRAKCIÓ) A fény keskeny résen áthaladva a rés széleinél megváltoztatja haladási irányát: elhajlik. E [lux] X [mm] E: megvilágítás Az elhajló fények interferálnak: gyengítik ill. erősítik egymást. Monokromatikus (egyszínű kék, vörös) fénynél világos és sötét sávok váltakoznak. Heterokromatikus (összetett, színes pl. fehér) fénynél színes sávokat látunk. A sötét és világos sávok váltakozásának az oka az interferencia. 5