Základní pojmy

Světlo je vlnění ! ...Přináležitost světla do rodiny vlnění činí světlo blízké řadě jiných vlnivých procesů, které známe, počínaje vlnou na struně, provazu, vlnám na vodě, přes vlny zvukové, ve hmotných látkách až po hypotetické vlny de Broglieho, které mohou doprovázet každý hmotný pohyb. Všechny tyto procesy spojuje řada společných pojmů a vlastností, jako pojem fázová rychlost, disperze vln, prostorové rozložení energie ve vlně, schopnost interference (skládání) vln, difrakce (ohybu) vln, lineární a nelineární jevy.

Specifikou světla je, že je vlnění elektromagnetické - "vlní se" silové působení elektrického a magnetického pole, která si mezi sebou v prostoru ve směru šíření předávají energii, podobně, jako si ve vlnění na struně předávají energii kinetickou a potenciální jednotlivé hmotné body na struně. Světlo však nepotřebuje ke svému šíření látkové prostředí, elektrické i magnetické pole působí i ve vakuu, tedy i vlna se může šířit vakuem a kdysi nepostradatelný pojem éteru - jakožto prostředí které se vlní - se stává zbytečným ...

Rychlost šíření světla ve vakuu se označuje jako $c\, (3\!\times\!10^8\,\mathrm{m/s})$, jedná se o nejvyšší možnou dosažitelnou rychlost vůbec. Světlo charakterizujeme pomocí vlnové délky $\lambda = c/f$, kde f je frekvence světla. Rozsah těchto frekvencí tvoří spektrální oblast. V užším smyslu slova označujeme jako světlo takové elektromagnetické záření, na které je citlivé lidské oko (v rozmezí vlnových délek od 400-800 nm). Každá vlnová délka přitom vyvolává různý zrakový vjem, tzv. barvu světla: kraje tvoří světlo fialové (nejkratší vlna) a červené (nejdelší vlna). Jejich směs je nám známá jako světlo bílé. Naopak - jedna konkrétní frekvence se označuje jako monochromatické světlo. Dobře známe (alespoň z hlediska významu) vlny radiové a televizní - elektromagnetické sestry světla s delší vlnou, nebo vlny s mnohem kratší vlnovou délkou než viditelná oblast, často spojované se zářením: rentgenovské a kosmické záření. Nejbližší přilehlé oblasti k viditelné části spektra je oblast infračervená (delší vlny - projevující se tepelnými účinky) a oblast ultrafialová (kratší vlny). Elektromagnetické vlnění, a tedy i světlo, je tzv. vlnění příčné. Znamená to, že vektorové veličiny, které se v prostoru vlní - vektor elektrického pole $\vec{E}$ a magnetického pole $\vec{H}$ - je kolmý na směr šíření. Pokud je směr $\vec{E}$ v příčné rovině zcela nahodilý, světlo je nepolarizované. Monochromatické světlo je vždy polarizované, a to obecně elipticky (vektor $\vec{E}$ opisuje v rovině kolmé na směr šíření elipsu, která ovšem může být libovolně skloněná vzhledem k souřadné soustavě). Speciálním případem jsou potom polarizace kruhová nebo lineární.

Ne každým prostředím se světlo může šířit. Průhlednost - transparence - je vlastnost prostředí, při kterém nedochází ani k absorpci (pohlcení) světla - způsobující zabarvení předmětu do dopňkové barvy absorbované vlnové délky, ani rozptylu světla - který činí prostředí průsvitné nebo matné. Elektricky vodivá prostředí způsobují "zkrat" elektrického pole - vznik uzlu vlnění, a tím větší či menší odraz vlny - známý jev kovových zrcadlových povrchů. Vlastnosti optických prostředí (tedy prostředí, kterým se světlo může víceméně šířit) třídí tato prostředí do několika různých hledisek. Jestliže v průhledném prostředí nedochází k rozptylu světla, průsvitným prostředím světlo stále prochází, ale částečně se již rozptyluje. V neprůhledném prostředí se světlo silně pohlcuje nebo se do něj vůbec nedostane, a na povrchu se odráží. Podle toho, má-li optické prostředí stejné optické vlastnosti v celém svém objemu, hovoříme o prostředí homogenním či nehomogenním. Důležité je také rozdělení prostředí podle toho, jestli rychlost šíření závisí (prostředí anizotropní) nebo nezávisí (izotropní) na směru šíření a na polarizaci dopadajícího světla. Při srovnávání dvou prostředí nazýváme prostředí s vyšším indexem lomu prostředí opticky hustší, a s nižším indexem lomu opticky řidší.

 

Oblast optiky, ve které vystačíme s představou nevlnového přiblížení a geometrického popisu šíření pomocí paprsků se nazývá geometrická optika. Geometrická (paprsková) optika je založena na principu nezávislosti chodu paprsků (tj. z každého bodu zdroje vycházejí paprsky všemi směry, vzájemně se však neovlivňují, postupují prostředím nezávisle jeden na druhém). Vlnové vlastnosti světla jsou při tom zanedbávány. Geometrickou optiku je možno vybudovat i postulačně, tj. definujeme soubor charakteristických vlastností, na jejichž základě je možno vybudovat celou teorii geometického zobrazování a optických soustav. Mimo princip nezávislosti paprsků je však třeba dále postulovat i zákon odrazu a lomu, který je možno z fyzikálního hlediska odvodit buď z tzv. hraniční podmínky pole na rozhraní dvou prostředí, nebo z vlastnosti spojitosti fázové rychlosti obou rozhraní. Na geometrické optice je postavena tzv. technická optika což je aplikovaná část geometrické optiky, zaměřené na konstrukci optických prvků a optických přístrojů.

 
• Zákon odrazu - velikost úhlu odrazu se rovná velikosti úhlu dopadu, přičemž odražený paprsek zůstává v rovině dopadu, tj. rovině dané dopadajícím paprskem a kolmicí na rozhraní povrchu.

• Zákon lomu (Snellův zákon) - podíl rychlostí světla v₁ a v₂ je roven podílu sinů úhlu dopadu ($\alpha$) a úhlu lomu ($\beta$). Pomocí indexů lomu, tj. poměrů rychlosti světla ve vakuu a v daném prostředí, lze zákon vyjádřit ve tvaru: $n_1 sin(\alpha) = n_2 sin(\beta)$.

• Jev totálního odrazu světla - při přechodu světla z prostředí opticky hustšího do opticky řidšího se s rostoucím úhlem dopadu zvětšuje i úhel lomu, až při mezním úhlu (úhel totálního odrazu) již k lomu nedochází, a veškeré dopadající světlo se odráží.

Zpět: Historie optiky O úroveň výše: Světlo jakožto vlnění Pokračovat: Disperze světla