Fysiikan lukion oppimäärä/Aallot

Valo on sähkömagneettisen spektrin ihmissilmällä nähtävä osa. Valoa lyhytaaltoisempaa säteilyä kutsutaan ultravioletiksi, ja pitempiaaltoista infrapunaiseksi. Valon kolme perusulottuvuutta ovat kirkkaus (eli amplitudi), väri (eli aallonpituus) ja polarisaatio (eli värähtelykulma). Aalto-hiukkas-dualismin vuoksi valolla on samanaikaisesti sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuudet.

Tavallinen valo ei ole koherenttia. Siksi raon läpi kulkenut valonsäde leviää nopeasti.

Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä. Sähkömagneettisessa aaltoliikkeessä vuorottelevat sähkö- ja magneettienergia. Myös radioaallot ovat sähkömagneettista aaltoliikettä, mutta niissä aallonpituus on millimetreistä kilometreihin, kun taas näkyvän valon aallonpituus on noin 400nm - 700 nm.

Historiaa

Jo hyvin varhain tähtitieteilijät pitivät itsestään selvänä, että valo kulkee suoraviivaisesti. Aristoteles otaksui valonsäteiden lähtevän katsojan silmistä. Sen sijaan arabialainen al-Haytham (965-1038) hylkäsi Aristotelen käsityksen ja otaksui valon tulevan kohteesta katsojan silmiin. Hänen mukaansa valolähde koostui erillisistä valopisteistä. Hän myös katsoi valon säteiden olevan peräisin auringosta tai liekeistä, jotka heijastuvat esineistä ja tulevat katsojan silmään. Englantilainen Robert Grosseteste (1168-1253) selitti silmään tulevan valon aiheuttavan valon aistimuksen.

Uudella ajalla eli tarkemmin 1600 luvulla Christiaan Huygens ja Isaac Newton kiistelivät valon luonteesta. Huygens esitti aaltoteorian, jonka mukaan valo on aaltoliikettä ja etenee eetterissä. Hän oletti valon koostuvan pienistä palloista, jotka etenivät sysäyksinä. Newtonin mukaan valo oli hiukkasia. Newton päihitti Huygensin arvovallallaan. Vasta kun James Maxwell (1831-1879) osoitti valon olevan sähkömagneettista aaltoliikettä, Huygensin aaltoteoria sai ansaittua huomiota.

Värit

Väri on fysiikan kannalta jokin sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus väliltä 400 - 700 nm. Käytännössä samankaltaisia sävyjä ei voi rajattomasti erottaa toisistaan, ja isokin sävyalue voidaan niputtaa yhden värin nimiin. Päävärit ovat punainen, keltainen ja sininen. Näistä muodostuvat kaikki muut värit. Sähkömagneettisessa spektrissä värit ovat toisiensa jatkona.

Punainen

Punainen on näkyvän valon väri. Sen aallonpituus on noin 700 millimetrin miljoonasosaa eli 700 nm. Punainen on yksi kolmesta perusväristä sinisen ja keltaisen ohella. Näitä värejä eri suhteissa yhdistelemällä saadaan aikaan kaikki mahdolliset värisävyt.

Oranssi sijoittuu värispektrissä punaisen ja keltaisen väliin aallonpituuden ollessa n. 620-585 nanometriä.

Keltainen

Keltainen on yksi pääväreistä. Sen aallonpituus on noin 570 millimetrin miljoonasosaa eli 570 nm.

Vihreä muodostuu kahdesta pääväristä, sinisestä ja keltaisesta. Sen aallonpituus on noin 540 nm.

Sininen

Sinisen aallonpituus on noin 460 nm.

Syaani on aito spektrinen väri, mutta sama värisävy saadaan sekoittamalla yhtä suuri määrä vihreää ja vaaleansinistä. Syaanin aallonpituus on noin 490 nm.

Violetti on sinisen ja punaisen sekoitus. Violetiksi kutsutaan myös "syvän sinistä". Spektrillä olevan violetin aallonpituus on noin 400 nm.

Valaistus

- valovoima
- valovirta
- valaistus

Valon nopeus

$v=\lambda f\,\!$,

jossa λ on aallonpituus, f on taajuus ja v on valon nopeus. Jos valo kulkee tyhjiössä, niin v = c, joten

$c=\lambda f\,\!$,

jossa c on valon nopeus. v voidaan ilmaista myös kaavalla

$v={\frac {c}{n}}$

jossa n on vakio (taittoindeksi), joka riippuu läpäistävän aineen ominaisuuksista.

Aalto-hiukkas-dualismi

Aalto-hiukkas-dualismin mukaan sähkömagneettisella säteilyllä on sekä aaltojen, että hiukkasten ominaisuuksia. Esimerkiksi valosähköinen ilmiö perustuu säteilyn hiukkasluonteeseen ja säteilyn kvantittumiseen.

Heijastuminen (reflektio)

Kun valo tulee sileään kiiltävään pintaan, se heijastuu siten, että heijastuva säde on yhtä suuressa kulmassa tulevan säteen kanssa. Tulokulma ja heijastuskulma mitataan pinnan normaalista.

Tulokulma on θ₁ ja taittunut kulma θ₂.

Taittuminen (refraktio)

Kun valon säde tulee kahden valoa läpäisevän aineen rajapintaan, se taipuu. Kun se tulee optisesti harvemmasta aineesta tiheämpään se taipuu kohti pintojen yhteistä normaalia ja päinvastoin. Esimerkiksi, kun valo tulee ilmasta lasiin (tai veteen) se kääntyy kohti lasin (tai veden) pinnan normaalia.

Taittumislaki:

${{\sin \alpha _{1}} \over {\sin \alpha _{2}}}={n_{2} \over n_{1}}$

,jossa α₁ on tulokulma, α₂ taitekulma, n₁ aineen yksi taitekerroin ja n₂ aineen kaksi taitekerroin.

Sironta

Ulkoinen kenttä (esim. valo) saa atomin värähtelemään. Tämän värähtelyn amplitudi on suuri atomin resonanssitaajuuden läheisyydessä. Resonanssitaajuuksilla atomi saattaa 'imaista' fotonin energian ja jokin elektroneista siirtyy ylemmälle energiatasolle. Harvoilla aineilla kuten kaasut, saattaa elektronin siirtyessä alemmalle energiatasolle, syntyä fotoni. Kun taas ollaan resonanssitaajuuden ala tai yläpuolella atomin 'elektronipilvi' värähtelee sähköisen dipolin tapaan. Tämän värähtelyn taajuus on sama kuin vaikuttavan kentän. Sironnaksi kutsutaan tätä tapahtumaa jossa ulkoinen kenttä saa elektronipilven värähtelemään ja uudelleen emittoiduksi (sähköisen dipolin ansiosta).

(Resonanssitaajuudet ovat usein ultravioletin tai sinisen alueella, joka selittää että näemme taivaan sinisenä. Taivaanranta saattaa näyttää punaiselta koska siniset aallonpituudet taittuu pois, matkalla horisontista havaintopisteeseen.)

Polarisaatio

Polarisaatiolla tarkoitetaan valon värähtelysuuntaan vaikuttamista. Sähkömagneettisen säteilyn sähkökentän suunta on yleensä polarisaation suunta. Polarisoimaton valo värähtelee kulkusuuntaansa nähden kohtisuorasti joka suuntaan. Polarisaattori päästää tietyssä suunnassa värähtelevän säteilyn. Täysin polarisoitunut valo värähtelee vain yhdessä suunnassa.

Brewsterin laki: Jos heijastuneen ja taittuneen valonsäteen välinen kulma on 90°, on heijastunut valo täysin polarisoitunutta.

Polarisaattori päästä lävitseen vain yhdessä suunnassa värähtelevää sähkömagneettista säteilyä.

Linssit

Linssit ovat kuperia tai koveria. Ne voivat olla myös näiden yhdistelmiä siten, että toinen puoli on kupera ja toinen kovera. Toinen puoli voi olla myös taso.

Kupera linssi kokoaa valokimpun ja kovera linssi hajottaa sen. Suurennuslasi on kaikessa yksinkertaisuudessaan kupera linssi. Se kokoaa kaukaa tulevat yhdensuuntaiset säteet yhteen pisteeseen, polttopisteeseen. Polttopistenimitys tulee siitä, että kuperaa linssiä voidaan käyttää polttolasina. Se muodostaa Auringosta pistemäisen kuvan ja kokoaa tähän pisteeseen linssiin tulevan auringon lämmön. Silmälaseja, jotka ovat kuperat merkitään + merkkisinä (esim. +3). Ne joiden täytyy pitää kirjaa kaukana lukiessaan ilman laseja, voivat kuperien linssien avulla tuoda kirjan lähelle. Suurta tarkkuutta vaativissa töissä kuperat lasit toimivat suurennuslaseina.

Kovera linssi pienentää kuvaa. Itse asiassa kovera linssi ei muodosta kuvaa ollenkaan vaan silmä muodostaa kuvan koveran linssin läpi katsottaessa. Sanotaan, että kovera linssi antaa valekuvan. Likinäköiset käyttävät koveria silmälaseja, koska se vie kuvan kauemmaksi silmästä.

Kuvausyhtälö pätee ohuille linsseille:

${1 \over a}+{1 \over b}={1 \over f}$

,jossa a on esineen etäisyys linssistä ja peilistä, b kuvan etäisyys linssistä tai peilistä ja f polttoväli.

Linssin taittovoimakkuus:

$D={1 \over f}$

Viivasuurennos:

$m={k \over e}=\left|{b \over a}\right|$

,jossa k on kuvan koko ja e esineen koko.