Valgus kui elektromagnetlaine

1. Valgus kui elektromagnetlaine

2. Valgus – osake või laine? Kuidas on võimalik panna kella eemalt helisema?

3. Kella helistamiseks tuleb... ... visata kella millegagi so kanda keskkonnas edasi ainet – keha kineetiline energia läheb kellale üle või ... mõjutada kellatila nööri kaudu so kanda keskkonnas edasi võnkumise energiat e tekitada laine – laine energia läheb kellale üle. • Valgus on energia edasikandumine ruumis, sest valguse kätte jäävad kehad soojenevad (suureneb siseenergia) ja pleekuvad (muutub keemiline energia) • Valguse olemuse kohta tekkis 17. sajandil paralleelselt kaks teooriat • Isaac Newton oletas, et valgus on valgusallikast igas suunas väljuvate osakeste voog (valgus on erilise „valgusaine“ edasikandumine ruumis) • Christiaan Hygens [höihens] oletas, et valgus on eriliste lainete voog, mis levib ruumi täitvas ja kõikidesse kehadesse tungivas keskkonnas – eetris.

4. Kumb siis ikkagi – osake või laine? • Teooriad eksisteerisid pikka aega kõrvuti, valdav enamus teadlastest toetas Newtonit, sest tema autoriteet oli tol ajal lihtsalt suurem. • Mõlemal teoorial olid oma nõrkused: • korpuskulaarteooriaga oli keeruline selgitada seda miks erinevate valgusallikate valguskiired üksteist ei mõjuta (osakesed peaksid ju üksteisega põrkuma) • laineteooriaga oli keeruline seletada valguse sirgjoonelist levimist (merelained ju kanduvad ka kivide taha...) • XIX. sajandi alguses avastati elektromagnetlained (Maxwell) ja tõestati, et valgus on nende erijuht – levimisel käitub valgus lainena. • XX. sajandi alguses avastati, et valguse kiirgumisel ja neeldumisel käitub valgus aga hoopis osakeste voona. • Valgus ei ole mitte „puhas“ osakeste voog või „puhas“ elektromagnetlaine, vaid valgusel on korraga mõlemad omadused – öeldakse, valgusel on dualistlik iseloom.

5. VALGUS KUI ELEKTROMAGNETLAINE

6. ERINEVA OLEMUSEGA LAINED • HELILAINE • on pikilaine, mis kannab edasi võnkumise (mehaanilist) energiat õhuosakeste vaheliste vastasmõjude tõttu, kusjuures osakesed võnguvad laine levimisega samas sihis • VEELAINE • on ristlaine, mis kannab edasi võnkumise (mehaanilist) energiat veeosakeste vaheliste vastasmõjude tõttu, kusjuures osakesed võnguvad laine levimise sihiga risti

7. ELEKTROMAGNETLAINE Elektromagnetlaine on oma olemuselt erinev nii heli- kui veelainetest. Peamine erinevus seisneb selles, et elektromagnetlaines ei võngu levimisel mingi keskkond. Elektromagnetlainetus avaldub ruumis levivate teineteisega seotud elektri- ja magnetväljade süsteemi perioodilistes muutumistes.

8. LAINETE KAKS KIRJELDAMISE VIISI • Nii mehaanilisi (heli-, veelaine) kui veelaineid kirjeldatakse kahel moel: • võnumiste ruumilise jaotumise kaudu • Võrrand/graafik kirjeldab perioodiliselt muutuva suuruse jaotumist erinevates ruumipunktides. • Sinusoidi naabermaksimumide (-miinimumide jt samas faasis võnkuvate punktide) vaheline kaugus iseloomustab laine lainepikkust • (keskkonnaosakeste) võnkumise ajalise perioodilisuse kaudu • Võrrand/graafik kirjeldab perioodiliselt muutuva suuruse jaotumist erinevatel ajahetkedel. • Sinusoidi naabermaksimumide (-miinimumide jt samas faasis võnkuvate punktide) vaheline kaugus iseloomustab laine võnkeperioodi

9. Ülemiselgraafikul on kujutatudvõnkumiste (elektrivälja/magnetvälja) jaotusruumis Alumiselgraafikul on kujutatudsamadevõnkumiste (elektrivälja/magnetvälja) ajalinejaotumine

10. VALGUS ON ELEKTROMAGNETLAINE Ehkki ajalooliselt on valgust kirjeldatud ka kui erilise keskkonna „maailmaeetri“ võnkumisena, võime tänapäeval kindlalt väita, et VALGUS ON ELEKTROMAGNETLAINE, mille lainepikkus (õhus) jääb vahemikku 380 nm … 760 nm. Valgust, nagu kõiki teisi laineidki kirjeldatakse lisaks lainepikkuse (λ) ka laineperioodi (T), lainesageduse (f), lainekiiruse (v) ning lainefaasi (ϕ) abil. Ehkki „valguslaines“ muutuvad perioodiliselt (ja samas faasis) nii elektri- kui ka magnetväli, piisab valgusega seotud nähtuste kirjeldamiseks ainult elektriväljaga seotu kirjeldamisest, sest valgussignaali registreerimisel (silmas, seadmetes) tekitab vastava reaktsiooni just elektriväli.

11. VALGUST KIRJELDAVAD SUURUSED • LAINEPIKKUS(λ) • lühim kaugus, mõõdetuna pikki ruumipunkte ühendavat sirget, kahe punkti vahel, kus elektri- ja/või magnetvälja muutused toimuvad samas faasis. • LAINEPERIOOD (T) • lühim aeg, mille tagant hakkavad laines aset leidvad perioodilised muutused kordama või • aeg, mille jooksul laine läbib lainepikkusega võrdse teepikkuse.

12. VALGUST KIRJELDAVAD SUURUSED • LAINESAGEDUS (f) • laine(osakeste) poolt ajaühikus sooritatavate täisvõngete arv. • LAINE KIIRUS (v) • ajaühikus laine poolt läbitav teepikkus. v= λ × f • valguslainekiirusvaakumis (jakaõhus) on universaalnekonstant, mille väärtus on 300 000 km/s = 3×108 m/s • LAINE FAAS(φ) • suurus, mis määrab ära perioodiliselt muutuva suuruse väärtuse antud ajahetkel • kuna nii elektri- kui ka magnetväli muutuvad sinusoidaalselt, on faasiks siinusfunktsiooni argument

13. VALGUST KIRJELDAVAD SUURUSED • VALGUSE INTENSIIVSUS (I) • iseloomustab valguslaine poolt läbi pinnaühiku kantavat energiat • Igapäevaselt kasutatakse ka valguse tugevust või heledust.

14. VALGUS JA VÄRV

15. VÄRV VS LAINEPIKKUS On kindlaks tehtud, et erineva lainepikkusega valguslained tekitavad silmas erineva värviaistingu Erinevate inimeste silmades tekitab sama lainepikkusega valgus erinevaid aistingud – seega on värvide tajumine subjektiivne. Kokkuleppeliselt loetakse kõige pikema lainepikkusega (kuni 760 nm) laineid punasteks ning lühima lainepikkusega laineid (alates 380 nm) violetseteks, kõik ülejäänud värvid jäävad nende vahele.

16. VÄRVUSTE SKAALA

17. VÄRVUSTE SKAALA Värvuste järjekorda skaalal (alates pikemaline-lisemast) aitab meeles pidada järgmine „lause“: Peetri Onu Käib Reedeti Harilikult Saunas Vihtlemas

18. INFRA- JA ULTRAVALGUS • Elektromagnetlainet, mille lainepikkus on suurem (sagedus on väiksem) nähtava valguse punase osa omast, nimetatakse INFRAVALGUSEKS • ka infrapunakiirguseks, IR-kiirgus • infravalgust kiirgavad kõik kuumad kehad – mistõttu tajume infravalgust soojusena • Elektromagnetlainet, mille lainepikkus on lühem (sagedus on suurem) nähtava valguse punase osa omast, nimetatakse ULTRAVALGUSEKS • ka ultraviolettkiirguseks, UV-kiirguseks • ultravalgust kiirgavad väga kõrge temperatuuriga kehad • ultravalgus põhjustab inimese rakkudes keemilise reaktsisiooni, mille tagajärjel vabaneb pigment – nahk päevitub • liiga suurtes kogustes UV-kiirgust võib põhjustada vähirakkude vohamist nahal

19. VALGUSE LEVIMINE

20. LAINEFRONT • Valgus levib ruumis lõpliku kiirusega – valgusallika „süttimisest“ kuni tema jõudmiseni mingisse ruumipunkti kulub mingi ajavahemik. • Valgusekiirusvaakumis (ka õhus) on 300 000 km/s • Pinda, mis eraldab ruumi seda osa, kuhu valgus on jõudnud osast, kus valgust veel ei ole, nimetatakse lainefrondiks. • Sõltuvalt sellepinna kujust liigitatakse laineid • keralaineteks ja • tasalaineteks.

21. VALGUSKIIR Valguslaine levimise kirjeldamiseks on võetud kasutusele valguskiire mõiste. Valguskiir on mõtteline joon, mis näitab valguslaine levimissuunda ruumis Homogeenses keskkonnas on valguskiired alati sirgjooned Igapäevaelus saame jälgida mitte valguskiiri vaid valgusvihkusid ehk valguskiirte kimpe.

22. VALGUSVIHKUSID ON KOLME LIIKI: • Koonduv valgusvihk • Hajuv valgusvihk • Koonduvajahajuvavihupuhul on tegukeralainega • Paralleelne valgusvihk • Paralleelsevihupuhul on tegutasalainega

23. HAJUV VALGUSVIHK Hajuvas valgusvihus eemalduvad kiired üksteisest Valgusvihus edasi liikudes (allikasteemaldudes) vihus sisalduv valgusenergia väheneb.

24. KOONDUV VALGUSVIHK Koonduvas valgusvihus lähenevad kiired üksteisele. Valgusvihus edasi liikudes (allikasteemaldudes) suureneb vihus sisalduv valgusenergia.

25. PARALLEELNE VALGUSVIHK Paralleelses valgusvihus asuvad kiired üksteisest igal pool ühekaugusel. Valgusvihus sisalduv energia ei sõltu sellest millist kohta vihus vaadeldakse – energiajaotus on homogeenne.

26. VARI Kui valguse teele jääb valgust mitte läbilaskev keha, siis valguse sirgjoonelise levimise tõttu ei pääse valgus tema taha ning sinna tekib piirkond, kus valgusenergiat ei ole (või on oluliselt vähem) – VARI Varjupiirkonnas viibides pole valgusallikat näha (või näeb seda osaliselt või osasid allikaid)

27. VARJU TEKKEMEHHANISM Piirkond, kuhu ei lange valgust Väike valgusallikas Suur läbipaistmatu keha

28. MITME VALGUSALLIKA VARJUD Sinise valgusallika varjupiirkond Punase valgusallika varjupiirkond Mõlema valgusallika varjupiirkond

29. TÄIS- JA POOLVARI Sellist varjupiirkonda, kuhu ei lange ühegi valgusallika valgust, nimetatakse TÄISVARJUKS Seda varjupiirkonda, kuhu valgusallika valgus langeb ainult osaliselt või kuhu langeb ainult osade valgusallikate valgus, nimetatakse POOLVARJUKS

30. SUURE VALGUSALLIKA VARI PV TV PV PV

31. MIDA NÄEME TÄIS- JA POOLVARJU ALAS (SUUR VALGUSALLIKAS)? Rõngakujuline poolvari Poolvari Täisvari

32. Kuufaasidetekkimine

33. Kuuvarjutus

34. KUUVARJUTUSE KULGEMINE (27.10.2004; HOCKLEY, TEXAS, USA) 21.18 21.22 21.24 21.27 21.28 21.30 21.45 21.40 21.33

35. PÄIKESEVARJUTUS

36. FOTOSID PÄIKESEVARJUTUSEST

37. PÄIKESEVARJUTUSED EESTIS • Päikesevarjutus on suhteliselt haruldane loodusnähtus. • Viimane täielik päikesevarjutus oli 22.07.1990, sellest eelmine 21.08.1914, üle-eelmine 3.05.1715 • Järgminetäielik päikesevarjutus on Eestis nähtav 16.10.2126 • Lähiaastatepäikesevarjutusedmaailmas • Vt ka NASA tabelit päikesevarjutuste toimumiste kohta Maailmas: http://eclipse.gsfc.nasa.gov/eclipse.html

38. VALGUSE LAINELISUSEGA SELETATAVAD NÄHTUSED

39. PEEGELDUMINE Valgus levibühtlaseskeskkonnassirgjooneliselt, kuidjõudeskahekeskkonnalahutuspinnale, muudab valgus sellelomalevimisesuunda. Kui valgus jätkabpealelevimissuunamuutustlevimistsamaskeskkonnas, nimetataksesedanähtustvalgusepeegeldumiseks. Valgusepeegeldumiselkehtibalatireegel, et nurk, misjääblangevakiirejalangemispunktitõmmatudlahutuspinnaristsirgevahele (langemisnurk) on täpseltsamasuurkuinurk, misjääbpeegeldunudkiirejasamasirgevahele (peegeldumisnurk).

40. PEEGELDUMINE Saab näidata, et valguselangemisnurkjapeegeldumisnurk on alativõrdsed; langevkiir, peegeldunudkiirjapeegelpinnapinnanormaalasuvadalatisamastasapinnas. Punkti, kuspealepeegeldumistlõikuvadpeegeldunudvalguskiired, nimetataksetõelisekskujutiseks; kuslõikuvadpeegeldunudkiirtepikendused – näivkujutiseks. Kujutis on koht, kus me näemeasuvatpeegeldunudkeha.

41. MURDUMINE Homogeenseskeskkonnaslevib valgus ühtlasekiirusegajasirgjooneliselt. Jõudeskahekeskkonnalahutuspiirile, muutub seal niivalgusekiiruskuikasuund – sirgestvalguskiirestsaabmurdjoon Nähtust, kus valgus muudabkeskkondadelahutuspinnalomalevimisesuundajasiirdubühestkeskkonnastteise, nimetataksevalgusemurdumiseks.

42. MURDUMINE Kuna vees on valgusekiirusca 1,33 kordaväiksemkuiõhus, siis on kaveesasuvaltkehaltmeiesilmalangevavalgusesuundteistsugune – me näemeosaliseltveesasuvatkehamurdununa.

43. DISPERSIOON Vaakumis (kaõhus) liiguvadigasuguselainepikkusegaelektromagnetlainedsamakiirusega – 300 000 km/s. Sattudesvaakumisterinevassekeskkondailmneb, et erinevalainepikkusega (sagedusega) valgus liigubkeskkonnaserinevakiirusega. Valgusekiirusesõltuvustvalguselainepikkusestnimetataksevalgusedispersiooniks.

44. DISPERSIOON Valge valgus on omaolemuseltliitvalgus – ta sisaldabendaskõikivärve. Läbidesklaasi (võimõnemuukeskkonna) “lõhustub” valgus tänudispersioonilepaljudeksvärvilisteksvalgusteks– spektriks. Midaväiksem on valguselainepikkus, sedarohkem ta keskkonnasmurdub – punane valgus kaldubesialgsestlevimissuunastvähemkõrvalekuivioletne.

45. INTERFERENTS • Kui ühes ja samas ruumipunktis on korraga mitu koherentset (sama sageduse ja muutumatu käiguvahega) valguslainet, siis toimub selles ruumipunktis nende lainete liitumine resultantlaineks – interferents. • Erilise valgusallika – LASER’i poolt kiiratav valgus on koherentne ning tema abil on nii interferentsi (kuikadifraktsiooni) nähtused hästi jälgitavad. • Lainete interferentsi saab selgitada Hyghens’i-Fresnel’i printsiibi abil: • Iga punkt, kuhuni laine on jõudnud, muutub iseseisvaks laineallikaks, kusjuures valguse intensiivsus (lainetuse amplituud) on määratud elementaarlainete liitumise tulemusena. • Kui liituvad lained on samas faasis, siis toimub lainete võimendamine • Kui liituvad lained on vastandfaasis, siis lained nõrgendavad (kustutavad) üksteist.

46. INTERFERENTS Värviline õlilaik märjal asfaldil on seletatav kahe valguslaine – allikast lähtuva ning veekihilt peegelduva – liitumisena.

47. INTERFERENTS Ka läätsedel tekkivad nn Newtoni rõngad on seletatavad mitmekordselt, erinevatelt pidadelt peegeldunud valguslainete interferentsiga

48. DIFRAKTSIOON Difraktsioon on laine kõrvalekaldumine sirgjoonelisest levimisest ning kandumine tõkke taha. Difraktsioon on hästi jälgitav kui tõkke mõõtmed erinevad (valguse) lainepikkusest 2 … 5 korda ston lainepikkusegasamassuurusjärgus– seega peavad valguse teele jääva tõkke mõõtmed olemadifraktsiooninähtusejälgimiseks suurusjärgus 0,7 … 4 μm Difraktsiooninähtuse tulemusel on võimalik vaadelda varju piirkonnas valgust.

49. DIFRAKTSIOON Difraktsioon peenikeste pilude süsteemis (difraktsioonvõrel)

50. DIFRAKTSIOON Difraktsioon väikesel ringikujulisel aval