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.