Optika
Feedback

Z WikiSkript

Optika je jedním z vědních oborů fyziky zabývající se světlem a jeho šířením v různých prostředích. Studuje původ a zákonitosti světelných jevů, děje vzájemného působení světla a látky a zabývá se i detekcí světla.

Světlo je viditelné elektromagnetické záření, tedy záření o vlnové délce zhruba 390 – 790 nm. Viditelné světlo se skládá z několika barev odvislých od vlnové délky elektromagnetického záření, jejich složením vzniká světlo bílé. Nejkratší vlnové délce, která vyvolá zrakový vjem, odpovídá fialová barva, která postupně přechází v barvu modrou, zelenou, žlutou, oranžovou a nakonec červenou, která se nachází na druhém konci viditelného spektra.

Kromě viditelného světla se optika zabývá i přilehlými částmi elektromagnetického spektra: infračerveným (IR) a ultrafialovým zářením (UV).

Infračervené záření má λ 0,3mm – 780nm, což je oblast nacházející se mezi nejkratšími radiovými vlnami a světlem. Přirozeným zdrojem je slunce, dále však jakékoliv jiné těleso zahřáté na vyšší teplotu (teplomety, žárovky). Při absorpci tohoto záření probíhá tepelná výměna a ozářené těleso se zahřívá. Pro infračervené záření platí stejné zákony jako pro světlo. Pomocí optických soustav konstruovaných ze speciálních materiálů ho můžeme pozorovat. Na tomto principu funguje např. infračervený dalekohled, díky němuž můžeme pozorovat jednotlivé objekty ve tmě, neboť IR záření vyzařují prakticky všechna tělesa. Oproti světlu proniká snáze zakalenými prostředími. Na člověka má analgetické a spasmolytické účinky, je tedy hodně využíváno v medicíně.

Ultrafialové záření je elektromagnetické vlnění o λ 390nm – 10nm, jeho nejkratší vlnové délky zasahují do oblasti rentgenového záření. Zdrojem UV záření jsou tělesa zahřátá na velmi vysokou teplotu (hvězdy, elektrický oblouk) nebo výbojky naplněné párami rtuti (horské slunce). Záření je ve velké míře pohlcováno ve vysokých vrstvách atmosféry, kde zapříčiňuje ionizaci vzdušného kyslíku a tím podmiňuje vznik ozonu. Dále ho pohlcuje obyčejné (draselné) sklo (z toho důvodu se výbojky vyrábějí ze skla křemenného). V medicíně se využívá ke sterilizaci sálu (skrze germicidní lampy). Je možné ho využít i při léčbě zejména pomalu hojících se ran, proleženin. Využívá se také při léčbě rachitis (křivice), která je způsobena nedostatkem vápníku.

elektromagnetické spektrum

Dělení optiky

Paprsková optika je někdy též nazývaná geometrická, na světlo pohlíží jako na svazek paprsků, zanedbává jeho vlnovou povahu. Zkoumané jevy: odraz světla, lom světla.

Vlnová optika vychází z vlnové povahy světla jako elektromagnetického záření. Zkoumané jevy: interference, difrakce (ohyb), polarizace

Kvantová optika, též nazývaná fotonová, zkoumá děje, při kterých se projevuje kvantový charakter světla - to se nešíří spojitě, ale jako proud částic s určitou energií = fotonů. Vysvětluje např. fotoelektrický jev a Comptonův rozptyl.

Fotometrie zkoumá světlo a jeho vliv na zrakový orgán, tedy oko.

Pojmy v optice

  • Elektromagnetické spektrum - škála zahrnující vlnění všech vlnových délek.
  • Disperse světla - rozložení bílého světla na jeho základní barvy, např. optický hranol.
  • Absorpce světla - jev, kdy dochází k zeslabování intenzity záření (pohlcení) při šíření se prostorem.
  • Optické soustavy
  • Oko
  • Vady optických soustav - nebo-li optické aberace jsou nesprávná zobrazení optické soustavy (např. oka) z různých důvodů. Důsledkem může být například změna barvy, změna kontrastu či rozostření obrazu. Aberace dělíme na analytické a syntetické.

Zákony optiky

Zákony optiky jsou využívané všude v živote, jako zpětným zdrádli tak i pri návrhu různých optických zařízení, jako jsou lasery a optické senzory.

  • Zákon odrazu: Odraz světla je jedním z nejzákladnějších jevů optiky, který je základem všech zrcadel. Úhel odrazu je dle zákona odrazu vždy roven úhlu dopadu.
  • Snellův zákon (zákon lomu): Tento zákon popisuje, jak se světlo láme při přechoduu mezi dvěma různými prostředími (např. ze vzduchu do vody). Snellův zákon je základem pro všechny optické soustavy, včetně čoček, brýlí a mikroskopů. V praxi je tento zákon klíčový při navrhování optických přístrojů, které využívají lomu světla pro zaostření obrazu.
  • Huygensův princip: Tento princip je užitečný pro pochopení vlnového chování světla. Podle Huygensa se každý bod vlny chová jako zdroj nových vln, což pomáhá vysvětlit jevy jako je difrakce (ohyb světla) a interference.

Optické jevy a jejich aplikace

  • Interference světla: Když se dvě nebo více světelných vln setkají a vzájemně se zesílí nebo zeslabí v závislosti na jejich fázi. Interference je základem pro mnoho optických zařízení, včetně interferometrů. Ten slouží k měření jemných změn v prostředí, jako je změna tlaku nebo teploty. Tento jev je také klíčový pro zpracování světelných vln v různých optických technologiích.
  • Difrakce světla: Světlo se ohýbá kolem překážek nebo prochází úzkými štěrbinami. Tento jev je základem pro konstrukci optických mřížek, které se používají k rozkladu světla na jeho spektrální složky, což má široké uplatnění v spektroskopii a analýze chemických látek.
  • Polarizace: Popisuje orientaci oscilací světelných vln. Polarizované světlo má mnoho praktických aplikací, například v polarizačních brýlích (které blokují oscilace světla v určitém směru, což pomáhá eliminovat odlesky) nebo v televizních a LCD obrazovkách, kde je polarizace klíčová pro vytváření obrazů.

Optické přístroje a metody

fyzikálně je lupa spojka s ohniskovou vzdáleností 1-10 cm, vytvářející zdánlivý, zvětšený, přímý obraz.

zjednodušeně funguje na základě usměrněného světelného svazku, který prochází soustavou čoček (objektiv), a okulárem umožňujícím pozorování zvětšeného obrazu v rozmezí 0,2 mm až 0,2 μm; pro menší předměty je potřeba užití elektronového mikroskopu.

složitější typ mikroskopu, který od sebe může rozlišit až atomy. K tomu je používáno místo světelného elektromagnetické záření, respektive proud elektronů. Na rozdíl od světelného mikroskopu, který využívá světelné elektromagnetické záření, elektronový mikroskop pracuje s proudem elektronů, jejichž vlnová délka je mnohem kratší než vlnová délka viditelného světla. To umožňuje dosáhnout výrazně vyššího rozlišení. Elektronový mikroskop je rozdělen do dvou hlavních typů: transmisní elektronový mikroskop (TEM), který zobrazuje vnitřní struktury vzorku, a rastrovací elektronový mikroskop (SEM), jenž vytváří obraz povrchových detailů.

metoda vyšetření tělních dutin a orgánů, která umožňuje jak "nahlédnutí", tak odběry vzorků tkáně (biopsie). Moderní endoskop je tvořen optickými vlákny, které fungují na principu úplného odrazu.

určení koncentrace roztoku na základě hodnoty absorbance, tedy míry pohlcení světla různými materiály.

podobná absorpční fotometrii, rozdílem je však použití monochromatického světla.

díky odlišné interakci látek s různými vlnovými délkami elektromagnetického záření jsme schopni zjistit například typ chemické látky, koncentraci látky či měření struktury látky; rozděluje se na emisní (vysílané světlo) a absorpční (pohlcené světlo).

metoda měření indexu lomu látek, která zkoumá změny směru světla při průchodu látkou a umožňuje určit koncentraci nebo kvalitu roztoku.

způsob zjištění typu, koncentrace látek či optických vlastností materiálu na základě opticky aktivních látek, které stáčejí rovinu polarizovaného světla (v biochemii např. cukry, aminokyseliny).

V oblasti optických přístrojů a metod je možné zmínit také různé techniky, které umožňují pokročilé analýzy materiálů a biologických vzorků. Kromě běžně používaných mikroskopů a endoskopů se významně vyvinula i oblast optických vláken a jejich využití v komunikacích a medicíně. Optická vlákna umožňují přenos světla na velké vzdálenosti, přičemž ztráty signálu jsou minimální. V lékařství je toto využití zásadní pro různé diagnostické a léčebné přístroje, jako jsou optické tomografy, které dokážou vytvářet trojrozměrné obrazy vnitřních orgánů.

Další metodou, která stojí za zmínku, je Ramanova spektroskopie, která využívá rozptyl světla k získání informací o molekulárních vibracích materiálu. Tento nástroj je cenný při analýze chemických sloučenin a detekci různých látek v biomedicínských aplikacích.


Odkazy

Související články

Externí odkazy

Použitá literatura

Reference

Citováno z „https://www.wikiskripta.eu/index.php?title=Optika&oldid=495334“