OPTIKA
vědní obor zabývající se vznikem, šířením, interakcí s látkou a
detekcí optického záření (světla)
Vzpomeňme citát „Budiž světlo !“, kterým Bůh započal stvoření světa(Bible, kniha Genesis)
je založena představě světelných paprsků, které se šíří prostorem navzájem nezávisle a řídí se zákony lomu a odrazu
nezabývá se se vznikem a podstatou světla a nepřihlíží k jeho vlnovým vlastnostem (ve své podstatě představuje limit nekonečně krátké vlnové délky)
na jejím základě byla vybudována geometrická teorie optického zobrazení, která je základem pro konstrukci optických soustav užívaných v řadě oblastí vědy a techniky
Geometrická optika
Vlnová (fyzikální) optikazkoumá otázky související se vznikem, podstatou a šířením světla
základem jsou Maxwellovy rovnice a vlastnosti prostředí popisuje fenomenologicky pomocí makroskopických materiálových konstant
umožňuje objasnit všechny zákony geometrické optiky a stanovit meze její platnosti
umožňuje zkoumat jevy difrakce, interference a polarizace a řadu dalších optických jevů
Kvantová (fotonová) optikazabývá se mikrostrukturou světelných polí a optickými jevy, které mají výrazný kvantový charakter
umožňuje pochopit a správně vysvětlit interakci záření s látkou
Historie optiky
1902 H. A. Lorentz, P. Zeeman – za výzkum vlivu magnetismu na záření (Zeemanův jev)
1907 A. A. Michelson – za přesné optické přístroje a za spektroskopické a metrologické výzkumy, které provedl
1908 G. Lipmann – za objev metody barevné fotografie založené na interferenci světla
1911 W. Wien – za objevy týkající se zákonů tepelného záření (Wienův zákon)
1918 M. Planck – za objev elementárních kvant (Planckův zákon)
1919 J. Stark – za objev Dopplerova jevu v paprscích kladných iontů a rozštěpení spektrálních čar v elektrickém poli (Starkův jev)
1921 A. Einstein – za příspěvky k teoretické fyzice, zejména za formulaci zákona popisujícího fotoelektrický jev
1922 N. Bohr – za výzkum struktury atomů a záření jimi vysílaného
1927 A. H. Compton – za objev jevu, který nese jeho jméno
1930 C. V. Raman – za práci o rozptylu světla a za objev jevu nyní pojmenovaného po něm
1953 F. Zernike – za demonstraci metody fázového kontrastu, a zejména za vynález mikroskopu založeném na fázovém kontrastu
1955 W. E. Lamb – za objevy týkající se jemné struktury spektra vodíku
Nositelé Nobelových cen za fyziku za práce související s optikou
1958 P. A. Čerenkov, I. M. Frank, I. E. Tamm – za objev a interpretaci Čerenkovova jevu (Čerenkovovo záření)
1966 Ch. H. Townes, N. G. Basov, A. M. Prochorov – za základní práce v oblasti kvantové elektroniky
1966 A. Kastler – za objev a rozvíjení optických metod ke studiu Hertzových rezonancí v atomech
1971 D. Gabor – za vynález a rozvoj holografie
1981 N. Bloembergen, A. L. Schawlow – za příspěvek k rozvoji laserové spektroskopieK. Siegbahn – za rozvoj laserové spektroskopie s vysokým rozlišením
2005 R. J. Glauber – za příspěvek ke kvantové teorii optické koherenceJ. L. Hall, T. W. Hänsch – za příspěvek k rozvoji přesné laserové spektroskopie
Press release: The 2005 Nobel Prize in Physics
Laureáti Nobelovy ceny za fyziku 2005
Nositelé Nobelových cen za fyziku za práce související s optikou
Optika na webuOptika a moderní technologie (FJFI ČVUT)
FyzWeb (MFF UK)
Vývoj optiky v českých zemích (PřF UP Olomouc)
Učební texty doc. Kuběny z PřF Masarykovy univerzity v Brně
Příručka o fotometrii
Fotometrie (FAQ)
Hubbleův teleskop
Hubble Telescop Project (NASA)
Eric Weisstein´s World of Physics
Optické úkazy v atmosféře
Kurz optiky (Texas A&M University – Kingsville)
Physics of Light and Optics Č. Strouhal: Optika
Kurz optiky (k volnému stáhnutí v pdf formátu)
Optics Highlights
Hyper Physics
Waves (Physics Classroom)
optické iluze , optické klamy
Texty najdete na adrese http://alma.karlov.mff.cuni.cz/ufy102/
Zatím chybí kapitoly o oku a optických přístrojích, o rozptylu světla a o základech spektroskopie.
Učební text k přednášce NUFY102 – přehled kapitol
Syllabus přednášky NUFY102: Fyzika III - OPTIKA
Optické záření jako elektromagnetické vlnění
Historie vývoje názorů na podstatu světla. Měření rychlosti světla.
Maxwellovy rovnice (M.r.) a jejich řešení ve vakuu, vlnová rovnice, rovinná a kulová vlna.
Rovinná harmonická vlna jako elementární řešení M.r. a její charakteristiky: polarizace, hustota a tok energie, tlak záření.
Šíření záření, ohyb a interference: průchod rovinné vlny štěrbinou a kruhovým otvorem, průchod záření dvojitou štěrbinou, optická mřížka.
Charakteristiky reálného záření: spektrum a spektrální veličiny, energetické fotometrické veličiny a jejich spektrální hustoty. Skládání reálných vln a pojem koherence, nepolarizované a částečně polarizované záření.
Syllabus přednášky NUFY102: Fyzika III - OPTIKA
Elastická interakce optického záření s látkou
Lokálně vázaná soustava nabitých částic (atom, molekula) v poli elmag. vlny, polarizovatelnost, mechanismus šíření elmag. vln v homogenní látce.
Řešení M. r. v homogenním izotropním prostředí, dynamická permitivita. Index lomu a jeho disperze, rozklad světla hranolem, duha.
Průchod optickým rozhraním. Zákon odrazu a lomu, úplný odraz. Fresnelovy vztahy, úhlová závislost odrazivosti. Průchod paralelní vrstvou, interferometr.
Optické zobrazování. Vlastnosti kolineárního zobrazování. Přímočaré šíření světla, paprsek, zobrazení kulovou odraznou a lámavou plochou. Centrované soustavy, čočka. Lidské oko jako optický systém, optické zobrazovací přístroje.
Optické záření v anizotropním prostředí: jednoosé a dvouosé krystaly, gyrotropní prostředí, hranolové polarizátory, čtvrtvlnová a půlvlnová destička.
Optické záření v nehomogenním prostředí - elastický rozptyl.
Syllabus přednášky NUFY102: Fyzika III - OPTIKA
Rezonanční interakce světla s látkou
Záření těles v tepelné rovnováze, Planckův zákon, kvantování energie elmag. pole.
Kvantový systém v poli elmag. vlny, jednofotonové přechody: vnější fotoelektrický jev, absorpce, stimulovaná a spontánní emise.
Průchod optického záření absorbujícím prostředím, Lambertův-Beerův zákon.
Prostředí s inverzním obsazením hladin, laser: konstrukce a vlastnosti.
Základy optické spektroskopie.
Syllabus přednášky NUFY102: Fyzika III - OPTIKA
Doporučená studijní literatura
1. Malý P.: Optika, Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum, Praha 2008.
2. Štrba A.: Optika (Všeobecná fyzika 3), Alfa a SNTL, Bratislava a Praha 1979.
3. Kvasnica J.: Teorie elektromagnetického pole, Academia, Praha 1985.
4. Horák Z., Krupka F: Fyzika, SNTL, Praha 1976, 1981.
5. Prosser V. a kol.: Experimentální metody biofyziky, Academia, Praha 1989.
6. Klier E.: Optika, Univerzita Karlova, Praha 1980 (skripta).
7. Sedlák B., Štoll I.: Elektřina a magnetismus, Academia-Karolinum, Praha 1993.
8. Malý P., Pantoflíček J.: Doplňkový text k přednášce z optiky, MFF UK, Praha 1985.
9. Vrbová M. a kol.: Lasery a moderní optika (oborová encyklopedie), Prometheus, Praha 1994.
10. Halliday D., Resnick R., Walker J.: Fyzika část 4, VUTIUM 2000.
Rychlost světla na webu
Domácí metoda (viz následující slide)
Speed of Light (with Java applet)
Jak dlouho světlo cestuje …
Jedna zajímavost ☺
Vývoj přesnosti určení rychlosti světla Kdy Kdo Kde
experimentální metoda
rychlost (10^8m/s)
neurčitost (m/s)
odchylka od skutečné c
1600 Galileo Italy lucerny s dvířky velká ?1676 Roemer France Jupiterův měsíc 2.14 ? 28%1729 Bradley England hvězdná aberace 3.08 ? 2.70%1849 Fizeau France ozubené kolo 3.14 ? 4.70%1879 Michelson United States rotující zrcadlo 2.9991 75000.0 400 in 10^6
Michelson United States rotující zrcadlo 2.99798 22000.0 18 in 10^61950 Essen England mikrovlnná dutina 2.997925 1000.0 0.1 in 10^61958 Froome England interferometr 2.997925 100.0 0.1 in 10^61972 Evenson et al. United States laserová metoda 2.99792457 1.1 2 in 10^91974 Blaney et. al England laserová metoda 2.99792459 0.6 3 in 10^91976 Woods et al. England laserová metoda 2.99792459 0.2 3 in 10^91983 International 2.99792458 0.0 přesně
rok
rychlost (km/h)
Spektrum viditelného záření
frekvence ν (Hz)
vlnová délka λ (nm, μm, …)
vlnočet ν (cm-1)
energie (eV)
v
ν
1
c
E h hc
λ νν λ
ν ν
=
=
= =
vlnové délky laserů
