1

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.

2

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:

I. 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

II. (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

3

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 = 3×108m/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

4

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

5

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.

6

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

1. Hajuvas valgusvihus eemalduvad kiired üksteisest

2.Valgusvihus edasi liikudes(allikast eemaldudes) vihus sisalduv valgusenergia väheneb.

KOONDUV VALGUSVIHK

1. Koonduvas valgusvihus lähenevad kiired üksteisele.

2.Valgusvihus edasi liikudes (allikast eemaldudes)suureneb vihus sisalduv valgusenergia.

7

PARALLEELNE VALGUSVIHK

1.Paralleelses valgusvihus asuvad kiired üksteisest igal pool ühekaugusel.

2.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)

VARJU TEKKEMEHHANISM

Väike valgusallik

asSuur

läbipaistmatu keha

Piirkond, kuhu ei lange

valgust

MITME VALGUSALLIKA VARJUD

Punase valgusallika varjupiirkond

Sinise valgusallika varjupiirkond

Mõlema valgusallika varjupiirkond

8

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

PV

PVTV

MIDA NÄEME TÄIS- JA POOLVARJU ALAS (SUUR VALGUSALLIKAS)?

Poolvari Rõngakujuline poolvari

Täisvari

Kuu faaside tekkimine

9

Kuuvarjutus

21.18 21.22 21.24

KUUVARJUTUSE KULGEMINE (27.10.2004; HOCKLEY, TEXAS, USA)

21.27 21.28

21.3021.3321.4021.45

PÄIKESEVARJUTUS FOTOSID PÄIKESEVARJUTUSEST

10

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, kuidjõudes kahe keskkonna lahutuspinnale, muudab valgus sellel oma levimise suunda.

� Kui valgus jätkab peale levimissuuna muutustlevimist samas keskkonnas, nimetatakse sedanähtust valguse peegeldumiseks.

� Valguse peegeldumisel kehtib alati reegel, et nurk, misjääb langeva kiire ja langemispunkti tõmmatudlahutuspinna ristsirge vahele (langemisnurk) on täpselt sama suur kui nurk, mis jääbpeegeldunud kiire ja sama sirge vahele(peegeldumisnurk).

PEEGELDUMINE

Saab näidata, et valguse langemisnurk ja peegeldumisnurk on alativõrdsed; langev kiir, peegeldunud kiir ja peegelpinna pinnanormaal asuvad alatisamas tasapinnas.Punkti, kus peale peegeldumist lõikuvad peegeldunud valguskiired, nimetataksetõeliseks kujutiseks; kus lõikuvad peegeldunud kiirte pikendused –näivkujutiseks. Kujutis on koht, kus me näeme asuvat peegeldunud keha.

11

MURDUMINE

� Homogeenses keskkonnas levib valgus ühtlasekiirusega ja sirgjooneliselt.

� Jõudes kahe keskkonna lahutuspiirile, muutub seal nii valguse kiirus kui ka suund – sirgest valguskiirestsaab murdjoon

� Nähtust, kus valgus muudab keskkondadelahutuspinnal oma levimise suunda jasiirdub ühest keskkonnast teise, nimetataksevalguse murdumiseks.

MURDUMINE

Kuna vees on valguse kiirus ca 1,33 kordaväiksem kui õhus, siis on ka vees asuvalt kehaltmeie silma langeva valguse suund teistsugune– me näeme osaliselt vees asuvat kehamurdununa.

DISPERSIOON

� Vaakumis (ka õhus) liiguvad igasuguselainepikkusega elektromagnetlained sama kiirusega– 300 000 km/s.

� Sattudes vaakumist erinevasse keskkonda ilmneb, et erineva lainepikkusega (sagedusega) valgus liigub keskkonnas erineva kiirusega.

� Valguse kiiruse sõltuvust valguselainepikkusest nimetatakse valgusedispersiooniks.

DISPERSIOON

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

12

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 kadifraktsiooni) 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 samassuurusjärgus – seega peavad valguse teele jääva tõkke mõõtmed olema difraktsiooninähtusejälgimiseks suurusjärgus 0,7 … 4 μm

� Difraktsiooninähtuse tulemusel on võimalik vaadelda varju piirkonnas valgust.

13

DIFRAKTSIOON

Difraktsioon peenikeste pilude süsteemis (difraktsioonvõrel)

DIFRAKTSIOON

Difraktsioon väikesel ringikujulisel aval

DIFRAKTSIOON

Difraktsioon väikesel kettakujulisel tõkkel

POLARISATSIOON

� Loomulik valgus on segu erinevate lainepikkustega ja erinevas sihis võnkuvatest väljadest.

� Valgust, milles elektrivälja võnkesiht muutub kaootiliselt nimetatakse polariseerimatavalguseks.

� Valguslainet, milles elektrivälja võnkesiht jääb alati samaks, kusutakse (lineaarselt) polariseeritud valguseks

� Nähtust, kus valguslainest “lõigatakse” välja kõikvõnketasandid peale ühe, nimetatakse valguse(lineaarseks) polarisatsiooniks.

� Elektrivälja tugevuse vektori võnkesiht määrab valguse polarisatsiooni sihi.

14

POLARISATSIOON

Polariseerimata valguslaines toimuvad elektrivälja võnkumised kõikvõimalikestasandites. Peale polaroidfiltri läbimist säilub lineaarselt polariseeritud valguslaines neistvõnketasanditest 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 ristuvatessihtides.

• 3D pildi vaatamiseks on tarvis polaroidprille – mõlema silma jaoks just sellesilmale edastatava pildi polarisatsioonile vastava sihiga – nii pääseb silmaainult selle silma jaoks mõeldud pilt, teise silma pilt aga “lõigatakse” ära.

Keralaine

Keralaine korral on lainefrondiks ruumis paisuv/kokkutõmbuv kerapind

15

Tasalaine

Tasalaine korral on lainefrondiks tasapind

Koonduv/hajuv valgusvihk

Hajuvas valgusvihus eemalduvad valguskiired teineteisest.Koonduvas valgusvihus lähenevad kiired teineteiseleHajuva/koonduva valgusvihu abil kirjeldatakse valgust kui keralainet

Paralleelne valgusvihk

Kui valguskiired on üksteisega paraleelsed, on tegu tasalainega