Talasna optikaInterferencija svjetlosti

Svjetlost je talas elektromagnetne prirode koji se u vakuumu prostire brzinompribližno jednakom od Prema Maxwellovoj teoriji elektromagnetizma,svjetlost je transverzalni talas, tj. vektori električnog i magnetnog polja osciluju u ravnima koje su okomite na pravac prostiranja

s

mc 8103

S obzirom da oscilacije električnog vektora (t) izazivaju osjećaj vida, u talasnoj optici razmatramo samo električnu komponentu elektromagentnog polja.Postoje tri osnovne osobine elektromagnetnih talasa:1. interferencija,2. difrakcija,3. polarizacija.

E

Interferencija i difrakcija su svojstvene svim vrstama talasa, kako mehaničkimtako i elektromagnetnim.Interferencija predstavlja slaganje dva ili više talasa, što ima za posljedicu pojačanje ili slabljenje njihovog intenziteta,a kao rezultat toga nastaju interferentne pruge koje se obično posmatraju na nekom zastoru.

Kod svjetlosnih talasa interferentne pruge predstavljaju niz boja na zastoru u slučaju interferencije bijele svjetlosti, a u slučaju interferencije monohromatske,niz tamnih i svijetlih pruga koje se međusobno ponavljaju. Na mjestima svijetlih pruga, intenzitet svjetlosti usljed interferencije je maksimalno pojačan (konstruktivna interferencija), a na mjestima tamnih pruga, intenzitet je maksimalno oslabljen (destruktivna interferencija).

Ova pojava se može uočiti na naftnim mrljama na vodi, pri čemu vidimo različite boje koje nastaju usljed interferencije bijele svjetlosti koja se odbije o gornju granicui svjetlosti koja se odbije o donju granicu sloja nafte.Za ostvarivanje interferencije, neophodnoje da postoje koherentni talasi - kod njih je razlika u fazi oscilovanja konstantna, tj. ne mijenja se tokom vremena (monohromatskasvetlost koja potiče od istog izvora).

Za opisivanje valova koriste se funkcije cos i sin. Budući da je svjetlost elektromagnetni talas, oscilacije električnog polja možemo opisati kao

početna faza talasa. Ako se faza talasa ne mijenja u toku vremena onda kažemo da je talas koherentan, u protivnom talas je nekoherentan.Svjetlost koja se dobija zračenjem užarenih tijela (npr. sunčeva svjetlost) je izrazito nekoherentna, dok je laserska svjetlost izrazito koherentna. Pomoću nekohrentne svjetlosti ne može se dobiti interferentna slika.

Razmotrimo sada slaganje dva talasa opisana gornjom relacijom iste frekvencije ali različitih faza. Prvi talas se prostire sredinom indeska prelamanja n1, a drugi n2. U nekoj tački talasi interferiraju. Pojava svijetlih ili tamnihpruga na zastoru usljed interferencije najprije zavisi od intenziteta rezultujućih oscilacija. Pokazuje se da je intenzitet rezultujućih oscilacija jednak

Thomas Youngov eksperiment interferencije

Tomas Jang (1801.) je izveo eksperiment sainterferencijom monohromatske svetlosti kojaprolazi kroz dva bliska proreza - dokaz talasneprirode svetlosti.Prorezi, sa jedne strane obasjani svetlošću iz jednog izvora, predstavljaju dva izvora koherentne svetlosti. Na zaklonu se formira slika od naizmeničnih svetlih i tamnih pruga.

r1

r2

I1

I2

d B

k

Sk

S0

sk

a

Izd

k sin

BSoSk: a

sktan

I1I2A:

Iz

sintan

d

k

a

sk

ka

dsk , k = 1,2,3...

Za k = 1: a

ds1 a

sd

zastorA

Optička dužina puta jeUslovi maksimalno pojačanja i maksimalnog slabljenja dva svjetlosna talasa iste frekvencije : razlika)

Maksimalno slabljenje Rastojanje između dvije susjedne svijetle ili tamne pruge na zaklonu jea-rastojanje od izvora do zaklona, d-udaljenost svjetlosnih izvora -talasna dužina svjetlosti

dns

faznak (2 )( kaputnarazliks

2)12(

ks

d

ax

Difrakcija svjetlosti

Difrakcija svjetlosti je pojava “savijanja”, skretanja svjetlosti sa pravolinijskog puta na malim otvorima (pukotinama) - reda talasne dužine - ili oštrim ivicama,bez promjene materijalne sredine kroz koju prolazi.

Prema Huygensovom principu svaka tačka talasnog fronta može smatrati izvorom sekundarnih talasa koji se širi u svim pravcima. Savijanje talasa je izraženije što je pukotina uža. Difrakciju talasa je najlakše opaziti kada su dimenzije prepreke ili pukotine reda veličine talasne dužine. Difrkaciju svjetlosti možemo opaziti na vrlo malim preprekama

Niz paralelnih pukotina na malom i jednakom međusobnom rastojanju predstavlja difrakcionu

(optičku) rešetku.

Optička rešetka

1

d

1

2 3

So

S1

zastor

1

dd

1sin

d

kk

sin d sin k = k , k = 0,1,2...

k – redni broj ogibnog maksimuma

d - konstanta rešetke

Svaka pukotina (prorez, mesto propuštanja svetlosti) difrakcione rešetke ponaša se kao novi izvor koherentne svetlosti, koja se uprostoru iza rešetke prostire u svim pravcima i interferira – stvara karakterističnu sliku na zaklonu, sastavljenu od niza osvetljenih izatamnjenih mesta (difrakcioni maksimumi i minimumi). Uslovi za dobijanje difrakcionih maksimuma i minimuma na zaklonu:

Difrakcija X-zrakaAko se X-zraci (elektromagnetni talasi male talasne dužine, reda 0.1 nm)propuste kroz kristalnu materiju (ima uređenu unutrašnju strukturu), dolazi do njihove difrakcije, odnosno interferencije propuštenih zraka koji padaju na zaklon.Pravilan raspored difrakcionih maksimuma je posljedica uređenosti strukture kristala i karakterističan je za svaki kristalni materijal, što omogućava njeno izučavanje i identifikaciju (kvalitativna analizamaterijala).

Polarizacija svetlosti

Polarizacija je dokaz transverzalne prirodeelektromagnetnih talasa.Polarizovana svetlost je okarakterisana oscilacijama vektora električnog polja (svetlosni vektor)u samo jednoj ravni.Ravan normalna na ravan oscilovanja svetlosnog vektora je ravan polarizacije. Polarizacija svetlosti se dobija u procesima:odbijanja (prelamanja), dvojnog prelamanja,selektivne apsorpcije rasejanjem, …

Transverzalna priroda svjetlosti (elektromagnetnih valova) omogućava njenu poprečnu orijentaciju. Zraka prirodne svjetlosti sastavljena je od oscilovanja svjetlosnog vektora što se vrše u svim pravcima normalno na pravac širenja svjetlosti

Ravan oscilovanja za svaki talasni niz orijentirana je na slučajan način. Zato su u rezultirajućem talasu oscilovanja različitih smjerova jednako vjerojatne. Svjetlost kod koje se oscilovanje svjetlosnih vektora događa samo u jednom pravcu, također normalnom na pravac širenja, naziva se POLARIZIRANOM. Ravan u kojoj titra svjetlosni vektor nazvati ćemo ravan oscilovanja. Polarizirana svjetlosna zraka

shematski se predstavlja crtežom

Polarizacija pri odbijanju (prelamanju)svetlosti na granici dve sredine različitih indeksa prelamanja.Pri odbijanju i prelamanju svjetlosti na granici dvaju izotropnih dielektrika dolazi do njene polarizacije. Stepen polarizacije ovisi o upadnom uglu α. Najbolji učinci se postižu kad je α + β = 90°, odnosno sin β = cos α (U tom slučaju zakon loma možemo pisati

Ta relacija predstavlja Brewsterov zakon, a ugao α koji zadovoljava relaciju Brewsterov ugao ili ugao maksimalne polarizacije.

Svjetlosna zraka pri prolasku kroz neke kristale(islandski kalcit, kvarc, turmalin, liskun itd.) razlaže se na dvije zrake koji su potpuno polarizirane u uzajamno normalnim smjerovima. Ta pojava naziva se dvojnim prelamanjem. Jedna zraka zadovoljava obični zakon loma i naziva se REDOVNA (običnom) zrakom, i označavamo je slovom O, za razliku od druge zrake koja se naziva neredovnom (neobični) i označava se slovom e. Neredovna zraka se ne ponaša po

običnom zakonu loma.