Optika

Schéma mikroskopu

Optika je vědecký obor fyziky zabývající se viditelným světlem, ultrafialovým a infračerveným zářením a jeho šířením v různých prostředích. Studuje tedy elektromagnetické záření o vlnové délce 10 nm – 1 mm (má společné vlastnosti). Zabývá se světelnými jevy, jejich zákonitostmi a ději vzájemného působení světla se světlem (elektromagnetickým zářením) nebo hmotou. Zkoumá i detekci světla.

Dělení optiky

Paprsková optika, někdy též nazývaná geometrická, na světlo pohlíží jako na svazek paprsků a zanedbává jeho vlnovou povahu. Zkoumá jevy, jako odraz nebo lom světla.

Vlnová optika vychází z vlnové povahy světla jako elektromagnetického záření. Zkoumané jevy, jako interferenci, difrakci (ohyb) nebo polarizaci světla.

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, tedy jako proud 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
  • Optická mřížka – pravidelný optický prvek, rozptylující světlo do barevného spektra.
  • Zvětšení lupy
  • Mikroskop - přístroj umožňující rozeznat struktury, které nejsou viditelné pouhým okem.
• 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

Odraz světla je jedním z nejzákladnějších jevů optiky, který je přítomen ve všech zrcadlech. Úhel odrazu je dle zákona odrazu vždy roven úhlu dopadu.

Snellův zákon (zákon lomu) 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 klíčový při navrhování optických přístrojů, které využívají lomu světla pro zaostření obrazu.

Huygensův princip je užitečný pro pochopení vlnového chování světla. Říká, že každý bod vlny se chová jako zdroj nových vln. To pomáhá vysvětlit jevy jako je difrakce (ohyb světla) a interference.

Optické jevy a jejich aplikace

Interference světla

Interference světla na mýdlových bublinách

Když se dvě nebo více světelných vln setkají a vzájemně se zesílí nebo zeslabí v závislosti na jejich fázi, nastává interference světla. Interference je základem pro mnoho optických zařízení, včetně interferometru. 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

Při difrakci se světlo 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.

Polarizave světla

Polarizace světla 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

Jeden z Leeuwenhoekových prvních mikroskopů

Lupa

Lupa je z fyzikálního hlediska spojka s ohniskovou vzdáleností 1-10 cm, vytvářející zdánlivý, zvětšený, přímý obraz.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Zvětšení lupy.

Optický mikroskop

Optický mikroskop 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.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Optický mikroskop.

První mikroskopy byly tak jednoduché, že měly jen jednu čočku – vlastně to byly spíš velmi silné lupy. A přesto už v 17. století umožnily Antony van Leeuwenhoekovi objevit bakterie.

Elektronový mikroskop

Elektronový mikroskop je složitější typ mikroskopu, který od sebe může rozlišit až atomy. K tomu je používáno 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.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Elektronový mikroskop.

Endoskopie

Endoskopie je 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.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Endoskopie.

Fotometrie

Fotometrie využívá jevu absorpce světla. Absorpční fotometrii používáme k určení koncentrace roztoku na základě hodnoty absorbance, tedy míry pohlcení světla různými materiály. Spektrální fotometrie je podobná absorpční fotometrii, rozdílem je však použití monochromatického světla.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Fotometrie.

Spektrální analýza

Díky odlišné interakci látek s různými vlnovými délkami elektromagnetického záření jsme schopni provést spektrální analýzu. Tak můžeme zjistit například typ chemické látky, koncentraci látky či měření struktury látky. Rozděluje se na emisní (vysílané světlo) a absorpční (pohlcené světlo).

 Podrobnější informace naleznete na stránce Spektrální analýza.

Refraktometrie

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

 Podrobnější informace naleznete na stránce Refraktometrie.

Polarimetrie

Polarimetrie nám umožňuje zjistit typ, koncentraci látek či optické vlastnosti 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.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Polarimetrie.

Ramanova spektroskopie

Další metodou 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.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Neinvazivní měření glykémie#Ramanova spektroskopie.

Odkazy

Související články

• Elektromagnetické spektrum
• Vady optických soustav
• Oko (biofyzika)

Externí odkazy

•  Optika

Použitá literatura

• BENEŠ, Jiří a Daniel JIRÁK. Základy lékařské fyziky. 4. vydání. Praha : Karolinum, 2015. ISBN 978-80-246-2645-1.

• REICHL, Jaroslav. Optika a její dělení [online] [online]. [cit. 2024-01-24]. <http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/433-optika-a-jeji-deleni>.

• VEJRAŽKA, Martin. Optické metody a jejich využití [online] [online]. [cit. 2024-01-24]. <http://fu.mff.cuni.cz/biomolecules/media/files/courses/Uvod_BCM113.pdf>.