Optyka
Optyka - wstęp

Czym jest światło

Optyka geometryczna

Wprowadzenie
Zjawiska
Wiązka vs promień

Odbicie

Załamanie
..Prawo zał...
..Współczynniki
..Tabela

Rozszczepienie

Soczewki
Soczewka i jej ognisko 
Soczewki rozpraszające
Równanie soczewki

Aberracja chromatyczna
Aberracja sferyczna

Optyka falowa

Obserwacja dyfrakcji światła

Kąty padania, odbicia, załamania

Linki

Optyka falowa - wprowadzenie

Zanim odkryto, że światło jest falą, przez długi czas królował wyłącznie model optyki geometrycznej - czyli taka wizja rozchodzenia się światła, w której "cząstki" świetlne poruszają się od źródła po liniach prostych, odbijając co najwyżej od niektórych przedmiotów. 

Dziś wiemy, że model optyki geometrycznej jest niepełny, a w szczególnych sytuacjach w ogóle się załamuje, dając błędne przewidywania. Przyczyną tego jest m.in. to, że 

Światło jest falą.

– Odkrycie to zawdzięczamy przede wszystkim fizykom francuskim, którzy w początkach XIX wieku tworzyli podwaliny wiedzy o zjawiskach falowych.

Teraz należałoby wytłumaczyć wreszcie „no to co to jest właściwie ta fala?”.
Niestety, pojęcie fali nie jest proste. Wiele osób ma poważny problem z jego  zrozumieniem, a do tego typowe źródła mało wyjaśniają w tej materii. Przynajmniej mało wyjaśniają w sposób użyteczny dla przeciętnego zjadacza ostryg z kawiorem i truflami.

Dlatego w skrócie:
Model ruchu falowego zakłada, że energia fali przenosi się nie poprzez ściśle określony tor (tak jak to jest dla cząstki przebywającej przestrzeń, czyli jak to jest dla tzw. "modelu korpuskularnego"). W zamian za to fala porusza się na raz wieloma drogami – właściwie całą dostępną przestrzenią. Okazuje się przy tym, że to całkowity efekt dotarcia fali w różne obszary zależy w jakimś stopniu od dowolnego innego fragmentu przestrzeni (przynajmniej tych części przestrzeni, przez które przenosi się fala).

Wielkością charakterystyczną dla modelu falowego jest długość fali. W przypadku światła długość ta oscyluje w okolicach 0,5 μm - czyli pół tysięcznej części milimetra. 
Dokładniej - widzialny zakres promieniowania elektromagnetycznego zawiera się w granicach od 0,39 μm (światło fioletowe) do 0,74  μm (światło czerwone).

Podsumowując te wstępne wiadomości

Na początek warto zapamiętać przynajmniej taką wiedzę o falach świetlnych, że 
w rzeczywistości światło rozchodzi się inaczej niż by to wynikało z prostego modelu promieni. 
Jak z tego wynika, w swoich podstawowych zasadach optyka falowa jest sprzeczna z optyką geometryczną, czyli z modelem światła rozumianego jako cienkie, prostoliniowe wiązki światła. Bo w optyce falowej (a także w rzeczywistości) światło może np. omijać przeszkody, ni stąd ni zowąd rozdzielać się na  wiązki, rozszczepiać na kolory tylko z powodu różnic przebytej przez światło drogi.

O tym jak zrozumieć falę będzie (w kawałkach) dalej, w tym rozdziale zajmiemy się jedynie tym, jak za pomocą prostych doświadczeń przekonać się, że światło jest falą.

Doświadczenie - obserwowanie interferencji i dyfrakcji światła na płycie kompaktowej

Najprostszą metodą zaobserwowania zjawisk falowych światła jest posłużenie się płytą kompaktową. Spróbujmy w ciemnym pokoju oświetlić płytę kompaktową zwykłą latarką (od strony przeciwnej niż napisy), tak aby odbite światło padło na ścianę, czy inną powierzchnię pełniącą rolę ekranu. Przy pewnym ustawieniu płyty i latarki odbite światło wyraźnie rozszczepi się na wielokolorową piękną tęczę.

To co obserwujemy, to zjawisko dyfrakcji światła. Płyta kompaktowa pełni tu rolę odbiciowej siatki dyfrakcyjnej. A fakt, że taka tęcza powstaje jest dowodem, że światło jest falą.

W bardziej czystej postaci zjawisko dyfrakcji światła daje się zaobserwować po oświetleniu płyty kompaktowej laserem – np. takim kupionym za kilkanaście zł jako wskaźnik do prezentacji. Światło lasera ma tę własność, że zawiera w sobie ściśle określoną długość fali (czasami dwie długości fali), czyli, w uproszczeniu mówiąc, bardzo ściśle określoną barwę światła. Dzięki temu nie rozszczepia się ono na kolorową tęczę. Dla takiej pojedynczej fali widać wyraźnie na czym polega dyfrakcja – z jednego strumienia (promienia) światłą tworzy się ich cała gromada, co można zaobserwować jako rząd świecących plamek. Gdyby światło zwyczajnie się odbijało jak pojedyncza wiązka, to na ekranie powstałaby tylko jedna plamka.

Innym prostym doświadczeniem ujawniającym falową naturę światła jest spoglądanie przez wąską szczelinę - np. szczelinę między dwoma złożonymi palcami. Jeżeli szczelina jest rzeczywiście wąska, to spoglądając przez nią na światło zauważymy w niej pionowe paski - prążki. Im mniejsza staje się szczelina, tym paski robią się wyraźniejsze.
Kto nie wierzy - nie spróbuje. To proste doświadczenie i całkowicie "bezpieczne". 

Co to jest fala? - jeszcze raz