Optyka - Polski Serwis Naukowy

Optyka to dział fizyki, zajmujący się badaniem natury światła, prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się, oddziaływanie z materią oraz pochłanianie przez materię. Optyka wypracowała specyficzne metody pierwotnie przeznaczone do badania światła widzialnego, stosowane obecnie także do badania rozchodzenia się innych zakresów promieniowania elektromagnetycznego - podczerwieni i ultrafioletu - zwane światłem niewidzialnym.

Długość fali — najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali — zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.

Linia prosta lub prosta – jedno z podstawowych pojęć geometrii, szczególny przypadek nieograniczonej z obydwu stron krzywej o nieskończonym promieniu krzywizny w każdym punkcie.

Optyka to także dział techniki badający światło i jego zastosowania w technice.

Historia Optyki

Osobny artykuł: Historia optyki.

Działy optyki

Refrakcja

Dyspersja

Optyka geometryczna – najstarsza i podstawowa do dziś część optyki. Podstawowym pojęciem optyki geometrycznej jest promień świetlny, czyli nieskończenie cienka wiązka światła (odpowiednik prostej w geometrii). Rozchodzenie się światła opisywane jest tu jako bieg promieni, bez wnikania w samą naturę światła. Zgodnie z założeniami optyki geometrycznej, światło rozchodzi się w ośrodkach jednorodnych po liniach prostych, na granicy ośrodków występuje odbicie lub załamanie światła. Badaniem załamywania światła zajmuje się dioptryka.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

Emisja promieniowania to wysyłanie przez wzbudzony układ fizyczny (np. atom, jądro atomowe, ciało makroskopowe) energii w postaci promieniowania zarówno fal (np. światła, fal radiowych, dźwięku), jak i korpuskularnego (np. elektronów, cząstek α).

Optyka falowa – dział optyki, w którym uwzględniona jest falowa natura światła. W ramach optyki falowej badane są takie zjawiska jak

interferencja

dyfrakcja

polaryzacja

Zjawiska te są szczególnie istotne m.in. przy przechodzeniu światła przez szczeliny czy w optyce cienkich warstw. Z falowego punktu widzenia, światło jest falą elektromagnetyczną, zatem oczywiste jest, że fundamentem optyki falowej są równania Maxwella opisujące zjawiska elektromagnetyczne.

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Widmo absorpcyjne – widmo, które powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez chłonny ośrodek absorbujący promieniowanie o określonych długościach. Można zarejestrować przy użyciu metod spektroskopii. Graficznie ma postać widma ciągłego z ciemnymi liniami (dla gazowych pierwiastków). Występowanie widma absorpcyjnego jest spowodowane pochłanianiem przez substancję fotonów tylko o określonych długościach fali – takich, które mogą spowodować wzbudzenie atomu lub cząsteczki do stanu dopuszczanego przez prawa mechaniki kwantowej. Zmiany stanu wzbudzenia dotyczą zarówno elektronów jak i oscylacji i rotacji całych cząstek.

Optyka falowa stanowi podstawę teoretyczną dla optyki geometrycznej, wyjaśnia prawa optyki geometrycznej i wskazuje ograniczenia jej stosowania. Prawa optyki geometrycznej są prawdziwe tylko dla odległości znacznie większych od długości fali. Jednocześnie optyka geometryczna wraz ze swymi prostymi prawami i pojęciami stanowi silne narzędzie umożliwiające proste opisanie przebiegu wielu zjawisk i działania przyrządów optycznych.

Optyka biomedyczna (biooptyka) – dziedzina medycyny z zakresu inżynierii biomedycznej, zajmująca się wykorzystaniem światła w badaniach obiektów biologicznych, w diagnostyce medycznej i terapii.

Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

Ważnym działem optyki falowej jest spektroskopia badająca widma fal świetlnych. Spektroskopia badając widma emisyjne i absorpcyjne gazów dała na początku XX wieku bodziec do powstania nowych teorii światła i materii. Światło objawiło się jako cząstka (foton), a materia zaczęła być postrzegana jako fala.

Początków badania praw optyki należy szukać w starożytnej Grecji. Euklides (325- 265 p.n.e.) był pierwszym twórcą praw optyki. Swoją naukę o optyce rozpoczął razem z nauką geometrii. Sformułował następujące pewniki:

Fala - zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni. Fale przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii. W przypadku fal mechanicznych cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi.

Optyka kwantowa – dział optyki, w ramach którego analizowane są zjawiska, w których światło musi być opisywane jako cząstka (foton) mająca cechy ciał fizycznych (energia, pęd). Wspomniana wcześniej spektroskopia wraz z fizyką atomową i mechaniką kwantową jest silnym narzędziem badawczym wykorzystywanym do badania zjawisk zachodzących w najdalszych obiektach wszechświata, wykrywania nawet pojedynczych atomów, badania struktury kryształów itp.

Odbicie — zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

Materia – w potocznym rozumieniu ogół obiektywnie istniejących przedmiotów fizycznych poznawalnych zmysłami. W fizyce termin "materia" stosowany jest w kilku różnych, opisanych w artykule znaczeniach.

W optyce zakłada się, że światło przechodząc przez materię nie oddziałuje samo na siebie. Przy dużych natężeniach światła nie jest to prawdą, przechodzące światło wpływa na przejście innych wiązek światła (także siebie). Efekty z tym związane opisywane są w ramach optyki nieliniowej.

Interferencja (łac. inter – między + ferre – nieść) to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale. W ośrodkach nieliniowych oprócz interferencji zachodzą też inne zjawiska wywołane nakładaniem się fal, w ośrodkach liniowych fale ulegając interferencji spełniają zasadę superpozycji.

Optyka kwantowa jest obszarem badań fizyki, zajmującym się zastosowaniem mechaniki kwantowej do opisu zjawisk z uczestnictwem światła oraz jego oddziaływań z materią.

Metody badawcze optyki zastosowano także do badania innych rodzajów fal (promieniowania), powstały w ten sposób dziedziny: optyka elektronowa, optyka neutronowa, optyka ultradźwięków.

Zobacz też

optyka biomedyczna

przegląd zagadnień z zakresu optyki

Wikimedia Commons ma galerię ilustracji związaną z tematem:
Optyka