Eri aikojen tutkijoita on askarruttanut valon luonne...
Valo koostuu hiukkasista
Valo on aaltoliikettä
Valo on aaltoliikettä
Valolla on samoja ominaisuuksia kuin aaltoliikkeellä
(esim. taittuminen, diffraktio).
Toisaalta valolla on samoja ominaisuuksia kuin suoraviivaisesti etenevällä hiukkasella (esim. liikemäärä).
samat
ominaisuudet
yleisesti
Sähkömagneettisen aaltoliikkeen nopeus tyhjiössä on kaiken informaation etenemisnopeuden
yläraja (c = 299 792 458 m/s).
Sähkömagneettinen aaltoliike ei tarvitse väliainetta edetäkseen!
Sähkömagneettinen aaltoliike etenee tyhjiössä valon nopeudella.
HUOM. Valkoinen valo sisältää kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia. Musta kappale ei lähetä eikä heijasta valoa.
Radioaallot
Mikroaallot
Infrapunasäteily
Ultraviolettisäteily
Röntgensäteily
Gammasäteily
Auringon spektri Maan pinnalla mitattuna. Auringon spektri on jatkuva spektri.
Yleisesti lämpöliikkeestä peräisin oleva säteily sisältää niin lähekkäin olevia vierekkäisiä aallonpituuksia, että sen spektri näyttää jatkuvalta
Ohessa erään loisteputken spektri, joka on esimerkki viivaspektrista.
Säteily, jota syntyy atomien elektronikuoriin tai ytimiin väliaikaisesti sitoutuneen energian vapautuessa, sisältää vain yhtä tai muutamia aineesta riippuvia aallonpituuksia.
Radio Suomipopin kuuluu Helsingissä taajuudella 98,1 MHz. Kuinka suuri on radioaaltojen aallonpituus?
Kirjataan lähtöarvot
Radioaallot ovat sähkömagneettista säteilyä, joka etenee tyhjiössä valon nopeudella.
Sovelletaan aaltoliikkeen perusyhtälöä
Aallonpituus on noin 3,1 m.
Diffraktio eli taipuminen tarkoittaa, että aallon kulkiessa jonkin raon tai aukon läpi se etenee aukon jälkeen kaikkiin suuntiin eikä ainoastaan eteenpäin.
\( \longrightarrow \) Valolla havaitaan diffraktio, kun rako tai aukko on tarpeeksi pieni.
Diffraktiokuvioon syntyi kirkkaita ja pimeitä kohtia, joiden määrä ja sijainti riippuvat raon leveydestä.
\( \longrightarrow \) Diffraktion lisäksi valoaallot interferoivat.
Raon eri kohdista on eri matka varjostimelle eli aallot eivät saavu samassa vaiheessa perille.
Raot ovat likimain samassa pisteessä varjostimelta katsottuna (kulma θ).
\[ d \sin \theta = k \lambda, \text{ jossa} \] \( d \) on rakojen välimatka (hilavakio),
\( \lambda \) on valon aallonpituus,
\( \theta \) on kulma, jossa intensiteettimaksimi sijaitsee ja
\( k=0, \pm 1, \pm 2, \ldots \) mones intensiteettimaksimi on kyseessä.
Kirjataan lähtöarvot
Piirretään kuva tilanteesta.
k = 5
k = 0
Ratkaistaan nollannen ja viidennen kertaluvun punaisen valomaksimin välinen kulma
Määritetään hilavakio hilayhtälön avulla.
Hilavakio on noin 13
Määritetään hilavakio hilayhtälön avulla.
Hilavakio on noin 13
Piirretään kuva tilanteesta.
k = 5
Ratkaistaan nollannen ja viidennen kertaluvun keltaisen valomaksimin välinen kulma
Määritetään keltaisen valon aallonpituus hilayhtälön avulla
Keltaisen valon aallonpituus on noin 600 nm
Valo sisältää kaikkiin näihin suuntiin värähtelevää aaltoliikettä.
Jos polarisoitumaton valo kohtaa johdemateriaalista rakennetun säleikön, säleikön rimojen suunnassa tapahtuva värähtely saa rimoissa olevat elektronit liikkumaan.
Värähtelyn energia siis siirtyy säleikköön, eikä säteily pääse säleiköstä läpi. Säteily absorboituu.
Zátonyi Sándor, (ifj.) Fizped CC BY SA 3.0
Heijastunut valo on jonkin verran polarisoitunutta. Tähän perustuu polarisoivien aurinkolasien himmentävä vaikutus.
Sähkömagneettinen aaltoliike heijastuu rajapinnoista. Heijastumislain mukaan rajapintaan saapuvan ja siitä heijastuvan suuntakulmat ovat yhtä suuret.
Valo noudattaa mekaanisen aaltoliikkeen tavoin taittumislakia kulkiessaan rajapinnan yli toiseen aineeseen.
\( n_2 \) ja \( n_1 \) ovat aineiden taitekertoimia.
Taitekerroin kuvaa myös aineen optista tiheyttä: mitä suurempi aineen taitekerroin on, sitä suurempi on aineen optinen tiheys.
Kokonaisheijastuminen voi tapahtua, kun valo tulee optisesti tiheämmästä optisesti harvempaan aineeseen (\( n_1>n_2\)). Kokonaisheijastuksen rajakulma \( \alpha_r \)voidaan määrittää taittumislain erikoistapauksena.
\[ \sin \alpha_r=\dfrac{n_2}{n_1} \]
Punaisella laservalolla osoitetaan kohti timanttia 20 asteen tulokulmassa. Timantin taitekerroin on 2,42.
a) Laske taitukulma, kun laservalo osuu timantin pintaan 20 asteen tulokulmassa.
b) Voiko laser kokonaisheijastua tullessaan ilmasta timanttiin?
Hahmotellaan kuva tilanteesta.
Ratkaistaan taitekulma \( \alpha_2 \) taittumislain avulla.
Vastaus: Taitekulma on noin 8,1°
Sovelletaan taittumislakia. Kokonasheijastumisessa \( \alpha_2=90^\circ\).
Vastaus: Kokonaisheijastuminen ei ole mahdollinen tultaessa ilmasta timanttiin.
Aineiden taitekertoimet riippuvat aallonpituudesta
\( \rightarrow \) Erivärinen valo taittuu eri kulmassa.
Ilmiötä kutsutaan dispersioksi.
Sateenkaari syntyy, kun valo taittuu ilmassa olevista vesipisaroista, ja eri aallonpituudet taittuvat hieman eri suuntiin.
Tom Walsh https://www.geogebra.org/m/xAMsmnJb