ОПТИЧКА ФИЗИКА: ИСТОРИЈА, ЧЕСТИ ПОЈМОВИ, ЗАКОНИ, АПЛИКАЦИЈЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

У Физички оптика је део оптичког проучавања таласа природу светлости и физичке феномене које само разумели из таласа модела. Такође проучава феномене интерференције, поларизације, дифракције и друге појаве које се не могу објаснити из геометријске оптике.

Таласни модел дефинира свјетлост као електромагнетски вал чија електрична и магнетска поља осцилирају окомито једни на друге.

Електромагнетни талас

Електрично поље (Е) светлосног таласа се понаша слично као магнетно поље (Б), али електрично поље преовлађује над магнетним пољем због Максвелове везе (1831–1879), која успоставља следеће:

Где ц = брзина ширења таласа.

Физичка оптика не објашњава спектар апсорпције и емисије атома. С друге стране, квантна оптика се бави проучавањем ових физичких феномена.

Историја

Историја физичке оптике започиње експериментима које је извео Грималди (1613-1663), који је приметио да се сенка коју баца осветљени предмет појављује шира и окружена обојеним пругама.

Назвао је дифракцију посматране појаве. Његов експериментални рад натерао га је да предложи таласну природу светлости, за разлику од концепције Исака Њутана која је преовлађивала током 18. века.

Њутонска парадигма је утврдила да се светлост понашала попут зрака малих труплица који су се кретали великом брзином правоугаоним стазама.

Роберт Хооке (1635-1703) бранио је таласну природу светлости, у својим студијама о боји и рефракцији, рекавши да се светлост понаша као звучни талас који се брзо шири, готово тренутно кроз материјални медијум.

Касније је Хуигенс (1629–1695), на основу Хоокеових идеја, консолидовао таласну теорију светлости у свом Траите де ла лумиере (1690) у коме претпоставља да се светлосни таласи које емитују светлосна тела шире. суптилног и еластичног медијума званог етер.

Хуигенсова теорија таласа објашњава појаве рефлексије, рефракције и дифракције много боље него Невтонова корпускуларна теорија и показује да се брзина светлости смањује при преласку из мање густе средине у гушћу.

Хуигенсове идеје научници тада нису прихватили из два разлога. Прво је било немогуће задовољавајуће објаснити дефиницију етра, а друго је престиж Њутана око његове теорије механике који је утицао на огромну већину научника који су одлучили да подрже корпускуларну парадигму светлости.

Рођење теорије таласа

Почетком 19. века Томас Иоунг (1773–1829) успео је да научна заједница прихвати Хуигенсов модел таласа на основу резултата његовог експеримента мешања светлости. Експеримент је омогућио одређивање таласних дужина различитих боја.

Године 1818. Фреснелл (1788–1827) је поновио Хуигенсову теорију таласа у смислу принципа интерференције. Такође је објаснио феномен бифрефенције светлости, што му је омогућило да потврди да је светлост попречни талас.

1808. Араго (1788–1853) и Малус (1775-1812) објаснили су феномен поларизације светлости из таласног модела.

Експериментални резултати Физеауа (1819-1896) 1849. и Фоуцалта (1819-1868) 1862. омогућили су проверу да ли се светлост шири брже у ваздуху него у води, контрадикујући с објашњењем Невтона.

1872. Маквелл је објавио свој Трактат о електричној енергији и магнетизму у којем је навео једначине које синтетизирају електромагнетизам. Из својих једначина добио је таласну једначину која му је омогућила да анализира понашање електромагнетног таласа.

Маквелл је открио да је брзина ширења електромагнетног таласа повезана са средством за ширење и да се подудара са брзином светлости, закључујући да је светлост електромагнетни талас.

Коначно, Хертз (1857-1894) 1888. успео је да произведе и детектује електромагнетне таласе и потврди да је светлост врста електромагнетног таласа.

Шта проучава физичка оптика?

Физичка оптика проучава појаве повезане са таласном природом светлости, попут интерференције, дифракције и поларизације.

Сметање

Интерференција је појава код које се два или више светлосних таласа преклапају, коегзистирају у истом простору простора, формирајући појасеве јарке и тамне светлости.

Свијетле траке настају када се додају више таласа како би се створио већи вал амплитуде. Ова врста интерференције назива се конструктивним сметњама.

Када се таласи преклапају да би произвели талас ниже амплитуде, сметња се назива деструктивна интерференција и стварају се појасеви тамне светлости.

Сметање

Начин на који се распоређују обојене траке назива се интерференцијски образац. Сметње се могу видети у мехурићима сапуна или слојевима уља на влажном путу.

Дифракција

Феномен дифракције је промена смера ширења коју светлосни талас доживљава када погоди препреку или отвори, мењајући своју амплитуду и фазу.

Као и појава интерференције, дифракција је резултат суперпозиције кохерентних таласа. Два или више светлосних таласа су кохеренти када осцилирају истом фреквенцијом одржавајући константан фазни однос.

Како препрека постаје све мања и мања у односу на таласну дужину, феномен дифракције доминира над феноменом рефлексије и рефракције у одређивању расподјеле зрака свјетлосног таласа након што погоди препреку. .

Поларизација

Поларизација је физичка појава којом талас вибрира у једном правцу окомитом на равнину која садржи електрично поље. Ако талас нема фиксни правац ширења, каже се да талас није поларизован. Постоје три врсте поларизације: линеарна поларизација, кружна поларизација и елиптична поларизација.

Ако талас вибрира паралелно са фиксном линијом која описује равну линију у равнини поларизације, каже се да је линеарно поларизована.

Када вектор електричног поља таласа описује круг у равнини окомито на исти смјер ширења, одржавајући своју магнитуду константном, талас се каже да је талас кружно поларизован.

Ако вектор електричног поља таласа описује елипсу у равнини окомито на исти смер ширења, каже се да је талас елиптично поларизован.

Чести појмови у физичкој оптици

Поларизирање

То је филтер који омогућава да кроз њега прође само део светлости који је оријентисан у једном одређеном правцу, а да не пропушта да пролазе кроз оне таласе који су оријентисани у другим правцима.

Ваве фронт

То је геометријска површина на којој сви делови таласа имају исту фазу.

Амплитуда и фаза таласа

Амплитуда је максимално продужење таласа. Фаза таласа је стање вибрације у тренутку. Два таласа су у фази када имају исто стање вибрације.

Бревстер англе

То је угао упадања светлости под којим се светлосни талас одбијен од извора потпуно поларише.

Инфрацрвени

Светлост која није видљива људском оку у спектру електромагнетног зрачења од 700 нм до 1000 μм.

Брзина светлости

То је константа брзине ширења светлосног таласа у вакууму чија је вредност 3 × 10 ⁸ м / с. Вредност брзине светлости варира када се шири у материјалном медијуму.

Таласна дужина

Мера растојања између гребена и другог гребена или између долине и друге долине таласа док се шири.

Ултраљубичасто

Невидљиво електромагнетно зрачење са спектром таласних дужина мањим од 400 нм.

Закони физичке оптике

Испод су наведени неки закони физичке оптике који описују појаве поларизације и интерференције

Закони Фреснелл и Араго

1. Два светлосна таласа са линеарном, кохерентном и правокутном поларизацијом не ометају се међусобно како би формирали интерференцијски образац.
2. Два таласа светлости са линеарном, кохерентном и паралелном поларизацијом могу се ометати у неком простору простора.
3. Два таласа природне светлости са линеарном, некохерентном и правокутном поларизацијом не ометају се међусобно како би формирали интерференцијски образац.

Малус Лав

Малусов закон каже да је интензитет светлости који преноси поларизер директно пропорционалан квадрату косинуса угла који формира ос преноса поларизатора и ос поларизације упадне светлости. Другим речима:

И = интензитет светлости коју преноси поларизер

θ = Угао између оси преноса и оси поларизације падајућег снопа

И ₀ = Интензитет светлости

Малус Лав

Бревстер'с Лав

Свјетлосни сноп који се рефлектира површином потпуно је поларизиран, у смјеру нормалном према равнини упада свјетлости, када је угао који рефлектирани сноп формира с преломљеним снопом једнак 90 °.

Бревстер'с Лав

Апликације

Неке примене физичке оптике су у истраживању течних кристала, у дизајну оптичких система и у оптичкој метрологији.

Течни кристали

Течни кристали су материјали који се задржавају између чврстог и течног стања, чији молекули имају диполни момент који индукује поларизацију светлости која пада на њих. Из овог својства развијени су екрани за калкулаторе, мониторе, лаптопове и мобилне телефоне.

Дигитални сат са течним кристалним екраном (ЛЦД)

Дизајн оптичких система

Оптички системи се често користе у свакодневном животу, науци, технологији и здравству. Оптички системи омогућавају обраду, снимање и пренос информација из извора светлости, као што су сунце, ЛЕД, волфрамова лампа или ласер. Примери оптичких система су дифрактометар и интерферометар.

Оптичка метрологија

Одговорна је за вршење мерења физичких параметара високе резолуције на основу светлосног таласа. Ова мерења се раде помоћу интерферометра и рефрактивних инструмената. У области медицине, метрологија се користи за стално праћење виталних знакова пацијената.

Последња истраживања физичке оптике

Оптомеханички Керкер ефекат (АВ Посхакинскии1 и АН Поддубни, 15. јануара 2019.)

Посхакинскии и Поддубни (1) показали су да нанометријске честице са вибрацијским кретањем могу испољити оптичко-механички ефекат сличан ономе који су предложили Керкер и остали (2) 1983. године.

Керкеров ефекат је оптичка појава која се састоји у добијању снажне смерности светлости распршене сферним магнетним честицама. Ова смерност захтева да честице имају магнетне реакције истог интензитета као и електричне силе.

Керкеров ефекат је теоретски предлог који захтева да се материјалне честице са магнетним и електричним карактеристикама које тренутно не постоје у природи.Посхакинскии и Поддубни постигну исти ефекат на нанометријске честице, без значајног магнетног одзива, које вибрирају у простору.

Аутори су показали да вибрације честица могу створити на одговарајући начин интерферирајућу магнетну и електричну поларизацију, јер се у честици индукују магнетне и електричне поларитетне компоненте истог реда величине када се разматра нееластично распршивање светлости.

Аутори предлажу примену оптичко-механичког ефекта у нанометричким оптичким уређајима чинећи их вибрацијама применом акустичких таласа.

Екстракорпорна оптичка комуникација (ДР Дхатцхаиени и ИХ Цхунг, мај 2019)

Дхатцхаиени и Цхунг (3) предлажу експериментални систем ваннаставне оптичке комуникације (ОЕБЦ) који може преносити виталне информације о људима путем апликација на мобилним телефонима са Андроид технологијом. Систем се састоји од низа сензора и диодног чворишта (ЛЕД низ).

Сензори се постављају на различите делове тела како би открили, обрадили и комуницирали виталне знакове као што су пулс, телесна температура и брзина дисања. Подаци се прикупљају кроз ЛЕД низ и преносе се путем камере мобилног телефона помоћу оптичке апликације.

ЛЕД низ емитује светлост у распону таласних дужина таласне дужине Раилеигх Ганс Дебие (РГБ). Свака комбинација боја и боја емитоване светлости повезана је са виталним знаковима.

Систем који су предложили аутори може олакшати праћење виталних знакова на поуздан начин, јер су грешке у експерименталним резултатима биле минималне.

Референце

1. Оптомеханички Керкер ефекат. Посхакинскии, АВ и Поддубни, А Н. 1, 2019, Физички преглед Кс, вол. 9, стр. 2160-3308.
2. Електромагнетно распршивање магнетним сферама. Керкер, М, Ванг, ДС и Гилес, Ц Л. 6, 1982, Јоурнал оф тхе Оптицал Социети оф Америца, вол. 73.
3. Оптичка комуникација ван тела помоћу камера за паметни телефон за пренос виталног знака. Дхатцхаиени, Д и Цхунг, И. 15, 2019, Аппл. Опт., Вол. 58.
4. Ал-Аззави, А. Начела и праксе физичке оптике. Боца Ратон, ФЛ: ЦРЦ Пресс Таилор & Францис Гроуп, 2006.
5. Граттан-Гуинесс, И. Пратећа енциклопедија историје и филозофије математичких наука. Нев Иорк, УС: Роутледге, 1994, вол. ИИ.
6. Акхманов, СА и Никитин, С Иу. Физичка оптика. Нев Иорк: Окфорд Университи Пресс, 2002.
7. Липсон, А, Липсон, СГ и Липсон, Х. Физичка оптика. Цамбридге, Велика Британија: Цамбридге Университи Пресс, 2011.
8. Мицкелсон, А. Р. Физичка оптика. Нев Иорк: Спрингер Сциенце + Бусинесс Медиа, 1992.
9. Јенкинс, ФА и Вхите, Х Е. Основе оптике. НИ: МцГрав Хилл високо образовање, 2001.