Svetlo

Svetlo Svetlo je výraz, ktorý každý z nás použije za den minimálne raz! Ale preco by sme o svetle mali hovorit ako o výraze? Je to predsa jav, bez ktorého by náš život bol asi len sotva možný. Povedzme si teda, ktoré svetelné zdroje nám umožnujú ten luxus, vidiet okolité veci. Na prvé miesto by som dala Slnko, hviezdu našej slnecnej sústavy, ktorá poskytuje maximálne svetlo v okruhu niekolkých svetelných rokov okolo našej planéty. Dalej sú to okolité hviezdy, ktoré ožarujú našu nocnú oblohu, no ich svetlo k nám väcšinou letí niekolko stoviek rokov, a tak sa koncoví efekt javí len ako malá bodka na oblohe. Po Slnku druhým najžiarivejším prírodným telesom je urcite Mesiac, no ten len odráža svetlo zo Slnka, ciže je to opät len svetlo Slnka. Každý, kto pozná teóriu, môže rozdelit svetelné zdroje na umelé a prírodné. Ale len málokto sa zamýšla nad tým, preco vidíme v noci, ked Slnko zapadne, preco existujú zvláštne prírodné úkazy ako je dúha, preco vidíme svoj odraz na pokojnej hladine jazera, preco vlastne vidíme? Je to neuveritelné, ale všetko toto súvisí so svetlom. Keby sa so mnou chcel niekto hádat, mohol by povedat, že nemám pravdu. Ved to preco vidíme je predsa jasné! Súvisí to s optikou, co je tiež oblast fyziky. Nemôžem povedat, že to nie je pravda. Ale skúsme žit jeden den bez svetla. V noci, ked je zamracená obloha a silný vietor poruší elektrické vedenie, vtedy sme bez umelých svetelných zdrojov stratený. Obcas nám možno osvetlí naše tváre blesk, ale inak sa cítime ako slepý. Takže tu je dôkaz toho, že optika úzko súvisí so svetlom. Sedíme na jednom mieste a nevieme sa odhodlat vstat, aby sme náhodou nevrazili do predmetu, ktorý my bohužial po tme nevidíme, aj keby mal metrové rozmery. Hovorit o úplnej tme sa ale tiež nedá, lebo každý si asi všimol, že ked sme dlho v tmavom prostredí, oci sa prispôsobia, aby sme videli aspon tie najväcšie predmety. Potom, ked nájdeme sviecku a zapálime ju, celá miestnost sa rozžiari a my vidíme. Svetlo sviecky sa odrazí od okolitých predmetov do našich ocí. Mohli by sme povedat, že príroda to vymyslela skvele! Všetko so všetkým súvisí a je to také dokonalé. Je to fascinujúce, co môžeme v prírode pozorovat, zvlášt mna fascinuje to, co dokáže svetlo. Aby sme si vedeli predstavit, co to svetlo je, môžem ho v krátkosti charakterizovat. Je to vlastne elektromagnetické žiarenie takých vlnových dlžok, na ktoré je ludské oko citlivé. To znamená, že to, co sa v prítomnosti svetelnej vlny vlní, je elektromagnetické pole v priestore, ktorým sa svetlo šíri. Existujú aj iné elektromagnetické vlnenia ako je svetlo. Sú to napríklad rozhlasové vlny, mikrovlny, infracervené vlny, ultrafialové vlny, röntgenové žiarenie alebo gama žiarenie. Svetelné vlny lubovolnej vlnovej dlžky sa vo vákuu šíria rýchlostou svetla, ktorá je c = 299 792 458 km/s. Je to základná konštanta prírody a šíria sa nou vo vákuu všetky elektromagnetické vlny. Rýchlostou svetla sa zaoberal Galileo Galilei, ale ako prvý urcil hodnotu rýchlosti svetla Olavs Römer. Bolo to v 17.storocí a odvtedy používame pre rýchlost svetla hodnotu približne 300 000 km/s. Na to, že svetlo je vlnenie, prišiel anglický polyhistor, Thomas Young. K svojim prekvapujúcim záverom dospel, ked sa pokúšal odôvodnit dúhové farby, ktoré casto vidno na bublinách, ci olejových kalužiach. Vieme, že svetlo sa šíri priamociaro v nejakom prostredí, a toto prostredie nazývame optické prostredie. Poznáme rôzne materiály, cez ktoré svetlo bud prejde, alebo neprejde. Preto delíme optické prostredie na priesvitné (matné sklo), priehladné (vzduch), círe (sklo, tenká vrstva vody), farebné (farebná fólia) a prostredie, cez ktoré sa svetlo nedostane, je nepriehladné (telo cloveka, nábytok). A tu sa už dostávame k zaujímavejším úkazom. Urcite si viete predstavit matné sklo. Používa sa bežne, napríklad do sprchovacích kútov. Svetlo síce cez toto sklo prejde, ale kedže je povrch nerovný, svetlo sa rozptýli a my vidíme za sklom len tien, siluetu. Akoby svetlo vedelo, co má kedy a ako robit. Tu sa dozvedáme, že svetlo sa môže rozptýlit. A to nie je jediná zvláštnost, co sa týka svetla. Svetlo sa môže lámat, odrážat, ohýbat.. A týmto všetkým by sme mohli vysvetlit fantastické úkazy na Zemi. Ako prvé ma napadla taká samozrejmá, ale úžasná vec ako je dúha. Týmto carovným úkazom sa chcem zaoberat dlhšie, pretože je neuveritelný, a chcela by som vám priblížit jeho tajomstvo.

DÚHA

Tieto obrázky ma navnadili k tomu, aby som sa o dúhe dozvedela co najviac. Zaujímali ma mnohé otázky a postupne som sa snažila odpovedat si na ne. Najprv to bol problém, preco je dúha vždy rovnakých farieb a preco má tvar oblúka. A takisto ma napadlo, že dúha nevzniká len tak, kedy sa jej chce… Je to pri konciacej sa daždovej prehánke. Dážd síce ešte padá, ale zároven slnecné lúce osvetlujú daždové kvapky. V týchto kvapkách sa svetlo láme, rozkladá a odráža, a tak práve na opacnej strane ako svieti Slnko, môžeme pozorovat dúhu. Ale preco je dúha oblúk a vždy z rovnakých farieb? Deti by si mohli mysliet, že dúha je nejaká brána do sveta rozprávky a preto je oblúkovitá a postupnost farieb si ani nevšímajú, hlavne, že je ich tam dost. Ale ak sa na obrázky pozrieme lepšie, vidíme na obidvoch rovnakú postupnost farieb. Od vnútorného okraja je to fialová, ktorá má najväcší uhol lomu a potom nasledujú tmavo modrá, svetlo modrá, zelená, žltá, oranžová a cervená. Posledná farba má najmenší uhol lomu. Táto postupnost je zadefinovaná ako spojité spektrum slnecného spektra. A co je to spektrum? Každej vlnovej dlžke svetla zodpovedá istá "cistá" farba svetla. V skutocnosti je svetlo, ktoré nám vchádza do ocí, zložením svetelných vlnení s rôznymi vlnovými dlžkami a farbami. Biele svetlo sa skladá zo svetiel všetkých spektrálnych farieb. Ako prvý to objavil Sir Isaac Newton, ked rozložil lúc bieleho svetla pomocou optického hranola na jednotlivé spektrálne farby. Tieto všetky zložky svetla sa mu potom podarilo znovu zložit a získat tak opät biele svetlo. Dalej budeme predpokladat, že máme docinenia len so svetlom s nejakou danou vlnovou dlžkou, teda aj danou spektrálnou farbou. Elektromagnetickej vlne predstavujúcej takéto svetlo sa hovorí monochromatická vlna. Newton rozložil biele svetlo na spektrálne farby pomocou optického hranola. Svetlo sa na optickom hranole lomí dvakrát, raz na každej ploche, ktorou prechádza. Spektrum farieb vzniká jedine vdaka tomu, že svetlo každej spektrálnej farby má v skle mierne rôznu rýchlost a teda sa lomí rôzne, do rôznych uhlov. Teraz už vieme preco je dúha farebná, a tak si môžeme položit dalšiu otázku. Preco ten tvar dúhy? Oblúkovitý tvar môžeme vysvetlit tak, že dúha opisuje cast kružnice s polomerom asi 42° nad obzorom. Logicky vysvetlíme, že dúhový oblúk vystúpi tým vyššie, cím sa Slnko sklána nižšie k obzoru. Ked som podrobne pozorovala cas, miesto a príciny vzniku dúhy, zacalo ma zaujímat, ci sa dá dúha vytvorit aj umelo. Kedže dúha vzniká, pri konciacom sa daždi, ale Slnko už zacína svietit, napadlo ma, že aby som dúhu vytvorila doma, potrebujem vodu, namiesto dažda a svetelný zdroj. Ale kde tá dúha vznikne, to bol problém. Tak som si teda zobrala biely kartón, baterku a namiesto kvapiek vody som použila len nádobu s vodou a zrkadlo, ktoré bude odrážat svetlo. Môj pokus vyšiel perfektne! Nie síce na prvý krát, ale vyšiel. Dúhu mi zobrazilo na bielom kartóne, ktorý bol oproti zrkadlu. Princíp je opät v tom, že voda rozložila svetlo na dúhu. To, že dúha vzniká na oblohe pri konciacom sa daždi je nám teraz jasné. Ale preco môžeme tento jav pozorovat aj v mydlových bublinách alebo na olejovej škvrne, ktorá vytiekla z auta na cestu? Svetlo dopadá na tenkú vrstvu látky s nejakým indexom lomu obklopenej z oboch strán prostrediami s inými indexmi lomu. Príkladom takejto tenkej vrstvy môže byt bublina. Ak na bublinu dopadá biele svetlo, vidíme na nej nádherné dúhové farby. Spôsobuje to interferencia svetelných vln, ktorá sa odráža od prednej a zadnej steny mydlovej bubliny. Podobné farby vidíme aj vtedy, ked biele svetlo dopadá na tenuckú vrstvicku rozliateho oleja na povrchu mláky. A tu je popis interferencie svetla na tenkej

vrstve:

Teraz sa sústredíme na to, co sa udeje so svetelnou vlnou, ked dopadne zo skla s indexom lomu n, na tenkú vzduchovú vrstvu s hrúbkou d. Situáciu výstižne popisuje nasledujúci obrázok. Predpokladajme, že kolmo na tenkú vzduchovú vrstvu medzi dvoma kusmi skla s rovinnými povrchmi dopadá zo skla svetelná vlna. Kvôli prehladnosti dopadá svetelná vlna na obrázku na vrstvu vzduchu skoro kolmo. Dopadne v bode A, kde sa vlna rozdelí. Jedna jej cast (vlna 1) sa odrazí, pricom, kedže sa odráža na opticky redšom prostredí, nezmení fázu na opacnú. Druhá cast dopadajúcej vlny pokracuje bez zmeny fázy cez tenkú vrstvu z bodu A do bodu B. V bode B dopadá na rozhranie a znovu sa rozdelí. Jedna jej cast letí so zmenou fázy na opacnú z bodu B do C (odraz na opticky hustejšom prostredí) a druhá jej cast prechádza bez zmeny fázy do skla (vlna 1´). Vlna, ktorá letela z bodu B do C dopadne v bode C na rozhranie a znovu sa rozdelí. Jedna jej cast prejde bez zmeny fázy do skla (vlna 2) a druhá jej cast sa odrazí na rozhraní, pricom zmení fázu na opacnú (odraz na opticky redšom prostredí) a prejde z C do D. Vlna ktorá dopadá z C do D sa v D v skutocnosti znovu rozdelí. Toto rozdelenie však teraz nebudeme uvažovat. Budeme predpokladat, že celá táto vlna prechádza bez zmeny fázy do skla (vlna 2´). Dve vlny vo fáze sa interferenciou zosilnujú. Dve vlny s opacnou fázou a rovnakou amplitúdou sa interferenciou rušia. Asi velmi málo ludí tuší, že dúha môže vzniknút aj v noci! Je to vzácny úkaz. Túto dúhu vyvolá nocný dážd a mesacný svit. Je slabá s nevýraznými farbami, pretože dostatocné svetlo na vznik dúhy je iba v období okolo splnu Mesiaca. Dalším zvláštnym úkazom je dvojitá, ci dokonca trojitá dúha. Druhá dúha sa objavuje nad prvou a nazýva sa sekundárna. Zvláštne je, že tu je postup farieb opacný. Táto dúha vzniká vdaka dvojnásobnému odrazu slnecných lúcov v kvapkách. Ked sa nad sekundárnou dúhou zjaví tretia, je nevýrazná a má väcší polomer ako sekundárna dúha. Takúto nádhernú dúhu môžeme pozorovat aj pri vodopáde (Niagarské vodopády) a dokonca aj vtedy, ked hodíme do jazera skalu. Na mieste, kde vystrekla voda, sa nám na krátku chvílu zjaví dúha. Samozrejme len vtedy, ked svieti Slnko. Urcite ste si niekedy všimli, že dúha vzniká najmä podvecer. Je to dané tým, že u nás prevláda západné prúdenie vzduchu, a preto, ak sa objaví pri konciacom daždi jasný pás neba, prichádza najcastejšie od západu, odkial Slnko svieti práve podvecer. To je celé tajomstvo vzniku dúhy. To, že dúha je nieco úžasné si urcite nemyslím iba ja. V dnešnej dobe máme neobmedzené možnosti a dôkazom toho je aj to, že sa v obchodoch môžeme stretnút s dúhovým chromitom. Používa sa na povrchovú úpravu železných castí, napríklad šróbov. Takže na dúhu nemusíme cakat, ale si ju kúpime v podobe šróby. Tak isto aj príroda vložila do svojich diel dúhu. Mnohé chrobáky a ryby majú dúhový povrch, ktorý v ich životnom prostredí dokonale splynie. Najznámejšie zviera, ktoré je obdarené dúhovým chvostom je páv. ODRAZ SVETLA O tejto záhade nemusím hovorit až tak vela. Stací sa zamysliet ako funguje periskop v ponorkách. Všetko je založené na tom, že svetlo sa od niecoho musí odrazit do našich ocí, aby sme videli. V periskope sú zrkadlá. Ked vysunieme periskop, zrkadlá odrážajú svetlo od vecí nad hladinou do ocí cloveka, ktorý sa týmto prístrojom pozerá. Tak isto je to aj , ked sa pozrieme na hladinu jazera. Všetko sa odráža od pokojnej hladiny. Ci už sú to hory, lodka, Slnko alebo naša tvár. Je to ako zrkadlo. Od hladiny sa odrazí svetlo do našich ocí a my vidíme obraz ako v zrkadle. Keby bola hladina tecúca, povrch už nepovažujeme za rovný, a preto by sa svetlo neodrazilo, ale rozptýlilo. Odraz svetla na zrkadlovej ploche: Rozptyl svetla na drsnej ploche Ako som už spomínala, voda je círe optické prostredie. To znamená, že svetlo nou prechádza, ale treba si uvedomit, že svetlo prechádza z jedného círeho prostrediavzduchu do iného- vody. To spôsobuje, že sa svetlo na rozhraní týchto dvoch prostredí láme, a preto, ked postavíme do pohára s vodou slamku, zdá sa nám akoby bola slamka prelomená. Aj ked stojíme v plytcine, naše nohy sú opticky kratšie. Aj toto má za následok len obycajné svetlo. Myslím, že týmito zvláštnostami prírody sa vždy oplatí zaoberat, pretože mnohé veci sa nám zdajú jednoduché, až ked nám ich niekto názorne vysvetlí.