E-učionica za učenje fizike

Arhiva za kategoriju ‘Dvojna priroda svetlosti’

Dvojna (dualna) priroda svetlosti

Svetlost je elektromagnetni talas.

Priroda svetlosti, odnosno elektromagnetnog zračenja je dvojaka: u nekim pojavama EM zračenje se ponaša kao skup čestica (fotoefekat, Komptonov efekat) a u drugim pojavama EM zračenje ispoljava osobine talasa (interferencija, difrakcija i sl.). Osnovne karakteristike talasa su frekvencija (ν) i talasna dužina (λ) a osobine čestica energija (E), masa (m) i impuls (p).

Vidljivi deo spektra EM talasa mi nazivamo svetlost.

Osnovne karakteristike EM talasa su:

Brzina elektromagnetnih talasa: C=ν•λ

Frekvencija elektromagnetnih talasa: ν=C/λ

Talasna dužina elektromagnetnih talasa: λ=C/ν

Brzina svetlosti je najveća brzina u prirodi i iznosi C=300 000km/s.

Spektar elektromagnetnog zračenja

EM_spectrum

Oblasti spektra elektromagnetnog zračenja: radio talasi, mikrotalasi, infracrveni talasi, vidljiva svetlost, ultravioletni talasi, X zračenje i Gama zračenje. Na slici su navedene i vrednosti talasnih dužina, slika: http://www.electrosensitivity.org

Animaciju o spektru elektromagnetnog zračenja na Engleskom jeziku pogledajte ovde:

Pogledajte film NASA eksperata: Elektromagnetni talasi:

Advertisements

Komptonov efekat

Komptonov efekat je rasejanje fotona (čestice svetlosti)  sa atoma pri čemu foton gubi deo energije i menja talasnu dužinu.

Razlika između Komptonovog i fotoelektričnog efekta  je u tome što foton kod fotoefekta pri sudaru sa elektronima u atomima predaje svu svoju energiju.

Komptonovo rasejanje se javlja na svim materijalima, najviše sa fotonima srednjih energija od 0,5 Mev do 3,5Mev. U slučaju Komptonovog efekta foton može da se sudari sa elektronom na sličan način kao što se sudare bilijarske kuglice.

Komptonov_efekat

Komptonov pomeraj je razlika talasnih dužina fotona pre i posle sudara:

ΔΛ=Λ′-Λ=h/m•C(1-cosθ)

Komptonova talasna dužina

Λc=h/m•C

Komptonova talasna dužina za elektron iznosi 2.43•10exp(-12)m.

(više…)

Rasejanje svetlosti

Rasejanje svetlosti je pojava skretanja svetlosnih zrakova na sve strane u odnosu na prvobitni pravac kretanja snopa svetlosti. Ova pojava nastaje zbog optičke nehomogenosti sredine kroz koju prolazi svetlost.

Kod optički nehomogene sredine se od tačke do tačke menja indeks prelamanja (npr.  zbog fluktuacije gustine, prisustva drugih čestica itd.). Rasejanje svetlosti može se posmatrati i kao difrakcija na neuređenim prostornim preprekama i otvorima čiji se raspored u prostoru menja usled toplotnog i haotičnog kretanja čestica.

Zašto je nebo danju plavo a rano ujutru ili uveče crveno?

Molekulskim rasejanjem sunčeve svetlosti u vazdušnoj atmosferi objašnjava se plava boja neba. Iz spektra vidljive svetlosti najviše se rasejavaju talasi kratkih talasnih dužina (Relijev zakon). Na isti način se objašnjava jutarnje i večernje crvenilo neba. Pri izlasku i zalasku sunca do našeg oka dopire njegova svetlost kroz atmosferu. Do našeg oka stiže svetlost sa najvećim talasnim dužinama (crvena i žuta), pošto se takva svetlost najmanje rasejava.

rasejanje

Koje boje bi bilo nebo kada Zemlja ne bi imala atmosferu?

U tom slučaju ne bi bilo molekulskog rasejanja i nebo bi i danju i nocu izgledalo isto – tamno.

Polarizacija svetlosti

Polarizacija dokazuje da su elektromagnetni talasi (odnosno svetlost) transverzalni talasi.

polarizacija

Bela složena svetlost osciluje u svim pravcima. Posle prolaska kroz polarizator, polarizovana svetlost osciluje samo u jednoj ravni.

Jednostavana demonstracija polarizacije može se izvesti pomoću dva para naočara.

Pogledajte:

Difrakcija svetlosti

Difrakcija svetlosti je pojava skretanja svetlosnih talasa od pravolinijskog prostiranja kada svetlost naiđe na mali otvor ili prepreku. Difrakcija svetlosti bitno zavisi od odnosa talasne dužine svetlosti i dimenzija otvora.

diffraction3

Difrakcija na jednom prorezu

Kada se na put monohromatske svetlosti postavi neprozračna prepreka sa uzanim prorezom na zaklonu će se dobiti interferenciona slika u čijoj sredini se nalazi izražena bela pruga (kao na slici). Intenzitet osvetljenosti se smanjuje sa udaljavanjem od sredine najsvetlije pruge.

Difrakciona rešetka

Difrakciona (optička rešetka) je staklena ploča sa velikim brojem paralelnih zareza na jednakim međusobnim rasenanjima. Difrakciona rešetka se upotrebljava za postizanje velikog intenziteta osvetljenosti difrakcione slike.

Primer1: na slici je prikazana difrakciona rešetka i difrakciona slika koja se dobija kada se kroz nju propusti laserska svetlost crvene talasne dužine 632,8nm.

difrakciona resetka

Primer2: Difrakciona rešetka razlaže belu svetlost na sastavne komponente odnosno na spektar po talasnim dužinama.

bela_spektar

Uslovi za nastanak difrakcionih maksimuma i minimuma

  • difrakcioni maksimum: dsinφ=nΛ
  • difrakcioni minimum: dsinφ=(2n+1)Λ/2

gde je d-konstanta difrakcione rešetke, Λ-talasna dužina a n ceo broj koji ima vrednosti n=1.2.3…

Kako izgleda interferenciona slika u zavisnosti od promene veličine otvora ili promene vrednosti talasne dužine svetlosti možete videti uz pomoć Java apleta za Fiziku: http://www.walter-fendt.de/ph14yu/singleslit_yu.htm

Objašnjenje kako difrakcija nastaje na Engleskom jeziku pogledajte ovde:

Interferencija svetlosti

Interferencija je pojava slaganja dva monohromatska koherentna svetlosna zraka pri čemu u prostoru dolazi do maksimalnog pojačanja ili slabljenja intenziteta svetlosti. Koherentni zraci imaju konstantnu faznu razliku. Monohromatski svetlosni talasi imaju jednu određenu talasnu dužinu (odnosno frekvenciju). Koherentni i monohromatski izvori emituju zapravo jednu boju svetlosti  sa istom faznom razlikom.

interferencija

Interferencione pruge su naizmenična mesta konstruktivne i destruktivne interferencije dva talasa.

Uslovi za nastanak interferencionih maksimuma i minimuma

  • Uslov maksimalnog pojačanja kod interferencione svetlosti je da putna razlika (ΔS) bude jednaka celom broju (n) talasnih dužina (Λ): ΔS = n•Λ
  • Uslov maksimalnog slabljenja kod interferencione svetlosti je da putna razlika (ΔS) bude jednaka neparnom broju (2n+1) polovine talasne dužine (Λ): ΔS=(2n+1)Λ/2

Interferencija je pojava koja se dogadja kod svih talasa: mehaničkih (npr. zvuk ili površina vode) ili elektromagnetnih (npr. radio talasi, vidljiva svetlost itd.). Za očiglednije razumevanje pojave interferencija pogledajte interaktivnu simulaciju.

Интерференција таласа скриншот

Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekat (fotoefekat) je pojava da elektroni napuštaju metal kada se on obasja vidljivom ili ultravioletnom svetlošću.

fotoefect

Pojavu je prvi objasnio Ajnštajn. Do fotoefekta dolazi kada se fotoni ili kako se popularno nazivaju čestice svetlosti, sudare sa elektronima u atomima metala pri čemu im predaju svu svoju energiju. Energija fotona (hν) se troši na izlazni rad (Ai) i kinetičku energiju (Ek) fotoelektrona.

Ajnštajnova jednačina:

hν=Ai+Ek

Radi boljeg razumevanja pojave fotoefekta pogledajte simulaciju:

ФОТОЕЛЕКТРИЧНИ ЕФЕКАТ скриншот

Primena fotoefekta

  •  fotoelement (fotoćelije)
  • solarne ćelije
  •  uređaji za automatsko otvaranje i zatvaranje vrata
  • alarmni urađaji za zaštitu od provale
  • uređaji za prenos signala pomoću svetlosti

(više…)

Disperzija svetlosti

Disperzija je razlaganje složene bele svetlosti po talasnim dužinama. Disperzija svetlosti nastaje usled zavisnosti indeksa prelamanja od talasne dužine (frekvencije) svetlosti koja se prostire kroz datu sredinu. Spektar, uzrokovan disperzijom bele svetlosti, pri prelamanju kroz prozračnu sredinu naziva se disperzioni spektar.

Prism_sr

 

Primer u prirodi: Duga je pojava disperzije svetlosti na kapima kiše

Kako nastaje duga?

Duga je pojava koja nastaje zbog disperzije Sunčeve svetlosti na kapima vode (kiše) u atmosferi. Svetlosni zrak se prelama pri ulasku u kapljicu a unutar kapljice se zbog totalne refleksije zrak ponovo prelomi. Na izlasku zraka iz kapljice se on ponovo prelomi uz disperziju upadne svetlosti prema talasnim dužinama.  Zato se mi ustvari uvek nalazimo sa iste strane duge. 

Primarna duga nastaje usled jednostruke refleksije na unutrašnjoj strani kapljice. Sekundarna duga je slabijeg intenziteta i nastaje zbog dvostruke unutrašnje refleksije u kišnoj kapljici.

Ali kakvu ulogu u celoj priči igra broj 42? Ili 51?

Kod pojave duge važan je ugao pod kojim se kišne kapljice posmatraju u odnosu na pravac koji spaja Sunce i posmatrača. Primarnu dugu zapravo vidimo pod uglom od 42°, a sekundarnu pod uglom od 51°. Primarna duga je sa gornje strane crvena a sa donje strane ljubičasta. Kod sekundarne duge je situacija obrnuta. Intenzitet sekundarne duge je manji zbog dvostruke totalne refleksije unutar kapljice vode.

Da li udaljenost kapljice vode od posmatrača ima neki značaj?

Udaljenost kapljice i posmatrača nema neki veliki značaj.  Kapljice mogu biti udaljene od posmatrača od nekoliko metara do nekoliko kilometara. To potvrđuje primer prskalice za zalivanje bašte, kod kojih često opažamo pojavu duge.

Primarna i sekundarna duga – eksperiment i objašnjenje na Engleskom jeziku pogledajte na linku:

http://www.youtube.com/watch?v=OXDbc7QfTXU

Oblak oznaka

%d bloggers like this: