Valgus kui elektromagnetlaine

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

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.

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.

VALGUS KUI ELEKTROMAGNETLAINE

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

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.

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

Ülemisel graafikul on kujutatud võnkumiste (elektrivälja/magnetvälja) jaotus ruumis Alumisel graafikul on kujutatud samade võnkumiste (elektrivälja/magnetvälja) ajaline jaotumine

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.

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.

VALGUST KIRJELDAVAD SUURUSED LAINESAGEDUS (f) laine(osakeste) poolt ajaühikus sooritatavate täisvõngete arv. LAINE KIIRUS (v) ajaühikus laine poolt läbitav teepikkus. v = λ × f valguslaine kiirus vaakumis (ja ka õhus) on universaalne konstant, 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

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

VALGUS JA VÄRV

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.

VÄRVUSTE SKAALA VÄRVUS LAINEPIKKUS (nm) PUNANE 760 … 630 ORANŽ 629 … 600 KOLLANE 599 … 570 ROHELINE 569 … 520 HELESININE 519 … 470 SININE (INDIGO) 469 … 420 VIOLETNE (LILLA) 419 … 380

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

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

VALGUSE LEVIMINE

LAINEFRONT Valgus levib ruumis lõpliku kiirusega – valgusallika „süttimisest“ kuni tema jõudmiseni mingisse ruumipunkti kulub mingi ajavahemik. Valguse kiirus vaakumis (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 selle pinna kujust liigitatakse laineid keralaineteks ja tasalaineteks.

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.

VALGUSVIHKUSID ON KOLME LIIKI: Koonduv valgusvihk Hajuv valgusvihk Koonduva ja hajuva vihu puhul on tegu keralainega Paralleelne valgusvihk Paralleelse vihu puhul on tegu tasalainega

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

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

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

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)

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

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

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

SUURE VALGUSALLIKA VARI PV TV PV PV

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

Kuu faaside tekkimine

Kuuvarjutus

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

PÄIKESEVARJUTUS

FOTOSID PÄIKESEVARJUTUSEST

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

VALGUSE LAINELISUSEGA SELETATAVAD NÄHTUSED

PEEGELDUMINE Valgus levib ühtlases keskkonnas sirgjooneliselt, kuid jõudes kahe keskkonna lahutuspinnale, muudab valgus sellel oma levimise suunda. Kui valgus jätkab peale levimissuuna muutust levimist samas keskkonnas, nimetatakse seda nähtust valguse peegeldumiseks. Valguse peegeldumisel kehtib alati reegel, et nurk, mis jääb langeva kiire ja langemispunkti tõmmatud lahutuspinna ristsirge vahele (langemisnurk) on täpselt sama suur kui nurk, mis jääb peegeldunud kiire ja sama sirge vahele (peegeldumisnurk).

PEEGELDUMINE Saab näidata, et valguse langemisnurk ja peegeldumisnurk on alati võrdsed; langev kiir, peegeldunud kiir ja peegelpinna pinnanormaal asuvad alati samas tasapinnas. Punkti, kus peale peegeldumist lõikuvad peegeldunud valguskiired, nimetatakse tõeliseks kujutiseks; kus lõikuvad peegeldunud kiirte pikendused – näivkujutiseks. Kujutis on koht, kus me näeme asuvat peegeldunud keha.

MURDUMINE Homogeenses keskkonnas levib valgus ühtlase kiirusega ja sirgjooneliselt. Jõudes kahe keskkonna lahutuspiirile, muutub seal nii valguse kiirus kui ka suund – sirgest valguskiirest saab murdjoon Nähtust, kus valgus muudab keskkondade lahutuspinnal oma levimise suunda ja siirdub ühest keskkonnast teise, nimetatakse valguse murdumiseks.

MURDUMINE Kuna vees on valguse kiirus ca 1,33 korda väiksem kui õhus, siis on ka vees asuvalt kehalt meie silma langeva valguse suund teistsugune – me näeme osaliselt vees asuvat keha murdununa.

DISPERSIOON Vaakumis (ka õhus) liiguvad igasuguse lainepikkusega elektromagnetlained sama kiirusega – 300 000 km/s. Sattudes vaakumist erinevasse keskkonda ilmneb, et erineva lainepikkusega (sagedusega) valgus liigub keskkonnas erineva kiirusega. Valguse kiiruse sõltuvust valguse lainepikkusest nimetatakse valguse dispersiooniks.

DISPERSIOON Valge valgus on oma olemuselt liitvalgus – ta sisaldab endas kõiki värve. Läbides klaasi (või mõne muu keskkonna) “lõhustub” valgus tänu dispersioonile paljudeks värvilisteks valgusteks – spektriks. Mida väiksem on valguse lainepikkus, seda rohkem ta keskkonnas murdub – punane valgus kaldub esialgsest levimissuunast vähem kõrvale kui violetne.

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 (kui ka difraktsiooni) 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.

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

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

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

Difraktsioon peenikeste pilude süsteemis (difraktsioonvõrel)

Difraktsioon väikesel ringikujulisel aval

Difraktsioon väikesel kettakujulisel tõkkel

POLARISATSIOON Loomulik valgus on segu erinevate lainepikkustega ja erinevas sihis võnkuvatest väljadest. Valgust, milles elektrivälja võnkesiht muutub kaootiliselt nimetatakse polariseerimata valguseks. Valguslainet, milles elektrivälja võnkesiht jääb alati samaks, kusutakse (lineaarselt) polariseeritud valguseks Nähtust, kus valguslainest “lõigatakse” välja kõik võnketasandid peale ühe, nimetatakse valguse (lineaarseks) polarisatsiooniks. Elektrivälja tugevuse vektori võnkesiht määrab valguse polarisatsiooni sihi.

POLARISATSIOON Polariseerimata valguslaines toimuvad elektrivälja võnkumised kõikvõimalikes tasandites. Peale polaroidfiltri läbimist säilub lineaarselt polariseeritud valguslaines neist võnketasanditest vaid üks. Kui lineaarselt polariseeritud valguse teele asetada sellega ristuv polaroidfilter, siis valgus “kustub”, sest filtris lõigatakse ära ka viimane võnketasand.

POLARISATSIOON 3D filmide projekteerimine ja vaatlemine põhineb valguse polarisatsioonil. Kummagi silma jaoks projitseeritakse ekraanile oma pilt, kusjuures vastavaid pilte edastavad valgusvihud on teineteise suhtes polariseeitud ristuvates sihtides. 3D pildi vaatamiseks on tarvis polaroidprille – mõlema silma jaoks just selle silmale edastatava pildi polarisatsioonile vastava sihiga – nii pääseb silma ainult selle silma jaoks mõeldud pilt, teise silma pilt aga “lõigatakse” ära.