Rozszczepienie światła – optyka

Dzisiaj będzie coś z optyki czyli rozszczepieniu światła i o zjawisku tęczy.
Przypomnijmy na początek

prawo załamania światła

na granicy dwóch różnych ośrodków – na przykład strumień światła lecąc przez powietrze wnika w szkło albo wodę.

Teleskop orbitalny – prawo odbicia i załamania światła

W takim wypadku sinus kąta załamania jest proporcjonalny do prędkości (rozchodzenia się światła w danym ośrodku/materiale) i odwrotnie proporcjonalny do współczynnika załamania.

sinα / sin β = v1 / v2 = n2 / n1

gdzie:
α i β – kąty załamania światła
v1 i v2 – odpowiednie wartości prędkości rozchodzenia się światła w odpowiednich ośrodkach
n2 i n1 – współczynniki załamania światła

Współczynniki załamania zależą od rodzaju materiału i dodatkowo od długości fali świetlnej czyli od koloru światła. Zakres światła widzialnego obejmuje promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 400 nm (światło fioletowe) do 700 nm (światło czerwone).
W przypadku światła białego (złożenie wszystkich długości fali światła widzialnego) każdą z długości fali charakteryzuje inny współczynnik załamania, wobec tego różne są kąty załamania i dochodzi do zjawiska optycznego zwanego

ROZSZCZEPIENIEM

światła białego na światło monochromatyczne.
Na poniższym szkicu widzimy

kroplę wody

zawieszoną w powietrzu, na którą (pod odpowiednim kątem) pada białe światło Słońca i wnikając w te kroplę ulega załamaniu i przy okazji dochodzi do rozszczepienia.
rozszczepienie1 - Rozszczepienie światła - optyka
Kolejno strumień światła biegnąc wewnątrz kropli uderza w granicę woda-powietrze i odbija się od niej

(całkowite wewnętrzne odbicie – o tym opowiemy sobie innym razem) dalej lecąc wewnątrz kropli. Następnie pada na kolejną granicę woda-powietrze i załamuje się po przejściu przez tą granicę.
W rezultacie kąt ostry zawarty między strumieniem światła wpadającym na kroplę i strumieniem z niej wylatującym wynosi 42 stopnie. Ta dokładnie określona wartość wynika z relacji pomiędzy współczynnikami załamania na granicy powietrze-woda i woda-powietrze.
Odpowiednie położenie obserwatora w stosunku do oświetlanej kropli skutkuje obserwacją wszystkich kolorów światła od fioletu do czerwieni. Jeżeli kropli położonych odpowiednio względem obserwatora będzie dużo (mówiąc precyzyjnie bardzo dużo) to obserwator zaobserwuje tęczę. Jej łukowaty kształt wynika z położenia wzajemnego obserwator-krople wody.
Obserwujemy takie zjawisko na przykład gdy Słońce wyjdzie zza chmur chwilę po opadach deszczu. Tylko że ten deszcz pada teraz w innym miejscu (na przykład ściana deszczu przed nami a Słońce za nami).

Teleskop orbitalny – prawo odbicia i załamania światła

Dzisiaj opowiemy o prawach odbicia i załamania światła oraz jak działa teleskop orbitalny. Codziennie przeglądamy się w lustrze i świadomie lub nieświadomie wykorzystujemy prawo odbicia światła. Spójrz na poniższy szkic:
prawoodbiciazalamania1 - Teleskop orbitalny - prawo odbicia i załamania światła
Wiązka światła pada na granicę dwóch ośrodków (materiałów), albo mówiąc jaśniej – ktoś świeci na przykład na szkło światłem. Czyli wiązka światła leci przez powietrze i pada na granicę powietrza i szkła.

W zależności od tego jakie są to ośrodki/materiały i pod jakim kątem pada promień światła może dojść do różnych sytuacji:
światło odbije się od granicy ośrodków (pod warunkiem że ta granica jest powierzchnią gładką)
światło załamie się na granicy ośrodków i w drugim materiale będzie leciało pod innym kątem (po prostu nagle skręci przelatując przez granicę ośrodków)
światło odbije się i załamie jednocześnie.

Tu i teraz omówimy sobie oba te zjawiska czyli odbicie i załamanie. Na początek:

PRAWO ODBICIA ŚWIATŁA

Wiązka światła padająca pod kątem α na granicę dwóch ośrodków po odbiciu będzie lecieć pod takim samym katem α do tej granicy (widać to na powyższym szkicu)

lub

kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Można to porównać do kuli bilardowej która poruszając się uderza w barierę pod kątem α i po odbiciu porusza się pod takim samym katem α do tej bariery.

Zanim przejdziemy do zjawiska załamanie światło to warto zrobić delikatny wstęp:
Wiesz o tym, że prędkość światła w próżni wynosi około:

c = 300 000km/s

W każdym innym ośrodku ta prędkość będzie mniejsza, ponieważ światło musi przejść przez coś, co mu w tym przeszkadza. W związku z tym prędkości światła będą różne w różnych materiałach. Taką drogą dochodzimy do

PRAWA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA

Sinus kąta załamania wiązka światła
jest wprost proporcjonalny
do prędkości rozchodzenia się światła w danym ośrodku:

sinα / sin β = v1 / v2

gdzie:
α i β – katy załamania światła
v1 i v2 – odpowiednie wartości prędkości rozchodzenia się światła w odpowiednich ośrodkach

Można powiedzieć jeszcze prościej że jeżeli światło ulega załamaniu, to kąt tego załamania jest tym większy im większa prędkość światła w danym materiale.

Przyjmując że już znamy prawa odbicia i załamania możemy opowiedzieć jak działają zwierciadła i soczewki. Każdy wie czym jest soczewka – jest to przezroczysta bryła ograniczona dwoma powierzchniami sferycznymi.
prawoodbiciazalamania2 1024x462 - Teleskop orbitalny - prawo odbicia i załamania światła
Zgodnie z powyższym szkicem można spotkać różne rodzaje i kształty soczewek ale generalnie soczewki dzielą się na dwie grupy (w zależności od zachowania wiązki światła padającej na soczewkę równolegle do osi optycznej):
– soczewki rozpraszające
– soczewki skupiające
prawoodbiciazalamania3 - Teleskop orbitalny - prawo odbicia i załamania światła
Na powyższym szkicu widzimy soczewkę skupiającą. Dla każdej z nich należy wyodrębnić 2 kluczowe pojęcia: ognisko oraz ogniskowa. Równoległa do osi optycznej wiązka światła po przejściu przez soczewkę załamuje się w taki sposób, że wszystkie promienie zostają skupione (w końcu to soczewka skupiająca) . Po skupieniu wiązka światła przechodzi przez OGNISKO.
Z drugiej strony jeżeli wiązka rozbieżnych promieni wychodzi z OGNISKA soczewki, to po przejściu przez soczewkę ulegają załamaniu w taki sposób że za soczewką lecą równolegle do osi optycznej.
Odległość od soczewki do ogniska nazywa się OGNISKOWĄ.
prawoodbiciazalamania4 - Teleskop orbitalny - prawo odbicia i załamania światła
Kolejny szkic przedstawia, jak wiązka promieni świetlnych przechodzi przez soczewkę rozpraszającą. Wiązka równoległa do osi optycznej padając na soczewkę rozpraszającą załamuje się w taki sposób, że po przejściu przez nią przedłużenia promieni świetlnych skupiają się w OGNISKU.
Druga sytuacja wystąpi, jeżeli wiązka promieni zbieżnych pada na soczewkę (zbieżnych w taki sposób że ich przedłużenie zbiega się w ognisku), to po przejściu przez nią rozprasza się w taki sposób , że powstaje wiązka równoległa do osi optycznej.

O soczewkach coś już wiemy, to teraz opowiemy jak działają zwierciadła wklęsłe:
prawoodbiciazalamania5 - Teleskop orbitalny - prawo odbicia i załamania światła
Zwierciadło wklęsłe również posiada ogniska i również posiada ogniskową (odległość od zwierciadła do ogniska). Wobec tego wiązka światła równoległa do osi optycznej pada na zwierciadło i po odbiciu skupia się w ognisku.
prawoodbiciazalamania6 - Teleskop orbitalny - prawo odbicia i załamania światła
Zwierciadło wypukłe przedstawia odwrotną sytuację, ponieważ wiązka światła (równoległa do osi optycznej) po odbiciu rozprasza się i w rezultacie przedłużenia promieni skupiają się w ognisku.

Dowiedzieliśmy się tak wiele na temat soczewek i zwierciadeł, oraz znamy prawa odbicia i załamania, to teraz opowiemy o teleskopach orbitalnych (przykładem niech będzie ciągle działający na orbicie okołoziemskiej teleskop Hubble’a).
prawoodbiciazalamania7 1024x411 - Teleskop orbitalny - prawo odbicia i załamania światła
Najpopularniejszą obecnie konstrukcją teleskopu jest odmiana składająca się z dwóch zwierciadeł:
– głównego wklęsłego
– oraz wtórnego wypukłego umieszczonego przed ogniskiem tego głównego
Jest to odmiana teleskopu zwierciadlanego zwana inaczej reflektorem.
Strumień światła wpadając do teleskopu odbija się od głównego zwierciadła i po skupieniu wraca w kierunku zwierciadła wtórnego. Po odbiciu od niego zmierza ponownie w stronę głównego zwierciadła i przebiega przez otwór w nim wykonany. Tam strumień światła trafia na elementy przetwarzające obraz.
Drugim rodzajem teleskopu jest teleskop soczewkowy czyli refraktor.
teleskop1 - Teleskop orbitalny - prawo odbicia i załamania światła
Jednym z nich jest przedstawiony na powyższym zdjęciu teleskop o średnicy obiektywu równej 49cm pochodzący z końca XIX wieku.