След като дадох идея кои са трите основни области в оптиката, мога да започна да разглеждам едно по едно по-важните и по-интересните явления. Започвам с геометрична оптика, защото тя позволява лесно и интуитивно да се въведат някои основни понятия. Повечето от това, което следва, е учено в училище. Тук само ще се спра на основните моменти, за да припомня на забравилите.

Скоростта на светлината

В празното пространство (вакуум) светлината се движи с постоянна скорост, която е еднаква във всички инерциални отправни системи. Това твърдение е било доказано благодарение на експеримента на Майкелсон и Морли и в последствие е залегнало в основата на специалната теория на относителността на Айнщайн. Повече за теорията на относителността има на достъпен български в блога за Вселената, аз няма да се спирам тук на нея, само ще спомена едно от най-важните нейни следствия. А именно, нито материята, нито информацията могат да се движат със скорост по-голяма от скоростта на светлината във вакуум (бележи се с $c$). Това е наистина бързо – за една секунда светлината изминава във вакуум 299 792 458 метра. Всъщност, от 1983 г. дефиницията за един метър е разстоянието, което светлината изминава във вакуум за 1/299 792 458 части от секундата.

Добре де, направих малко отклонение от темата. Причината беше да дам най-бегла представа за значението на тази константа ($c$) за физиката. Макар че съм почти сигурен, че не съм успял.

В евентуални бъдещи сметки няма да се тормозя с голяма точност и ще приемам скоростта на светлината за

$$ c = 3\times10^8 m/s.$$

Току-що скъсих метъра с около 2 промила или с цели 0.2 mm. ;-)

Показател на пречупване

Досега ставаше въпрос за скоростта на светлината в празното пространство. В материалните среди (например въздух, вода, стъкло) скоростта на светлината е по-ниска:

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

където $c$ е скоростта на светлината във вакуум, $v$ е скоростта на светлината в материалната среда, а множителят $n$ се нарича показател на пречуване на дадената среда. В различните среди, най-общо казано, светлината се разпространява с различна скорост и поради това показателят на пречупване е различен за различните среди. Разбира се, той е по-голям от единица, защото няма как светлината да се движи по-бързо в материална среда, отколкото във вакуум.

Но защо точно „показател на пречупване“?

Пречупване на светлината

Когато светлината се движи в една еднородна среда, тя се разпространява праволинейно, но когато достигне границата с друга среда, с друг показател на пречупване, светлината променя посоката си. „Защо го прави?“ е интересен въпрос. Един непълен и незадоволителен отговор е, че светлината се пречупва, защото променя скоростта си. Явлението може да се обясни по-добре чрез вълновата оптика, но нямам намерение да го правя.  Затова пък ще дам закона, по който разбираме накъде точно поема светлината след като навлезе в другата среда.

Този закон се нарича закон на Снелиус и изглежда така:

$$ \frac{\textrm{sin}\theta_1}{\textrm{sin}\theta_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{n_2}{n_1}$$

или така, както по-често се среща (пък и по-лесно се помни):

$$ n_1\textrm{sin}\theta_1 = n_2\textrm{sin}\theta_2.$$

Тук $\theta_1$ и $\theta_2$ са съответно ъгълът на падане и ъгълът на пречупване и се мерят между лъча и нормалата ((Перпендикуляра към една повърхнина се нарича още „нормала“.)) към границата между двете среди; с $v_1$ и $v_2$ пък сме отбелязали скоростта на светлината в първата и втората среда съответно; $n_1$ и $n_2$, разбира се, са показателите на пречупване в двете среди.

Отражение

В горната картинка нещо липсва. На границата между двете среди светлината освен че се пречупва във втората среда, някаква част от нея винаги се отразява обратно в първата. Към старата картинка добавяме един отразен лъч $R$ и тя става по-пълна.

Законът за отражение е доста по-прост от този за пречупване. Той гласи, че ъгълът на падане $\theta_1$ е равен на ъгъла на отражение $\theta_3$.

Както има коефициент на пречупване, така има и коефициент на отражение, който показва каква част от светлината се е отразила. Той зависи от различни фактори, като например от това какво е веществото, от което се състои средата, а също и от ъгъла на падане.

Законът за отражение е верен и картинката по-горе изглежда така само, когато имаме огледално отражение. Такова отражение, обаче, е частен случай и се реализира само при положение, че повърхността е достатъчно гладка. Това ще рече неравностите да са от порядъка на и по-малки от дължината на вълната $(\approx 10^{-7}m)$ ((Не е много коректно да говоря за дължина на вълната, когато не съм казал какво е това, но засега не е толкова важно.)). Когато неравностите на повърхността са по-големи, наблюдаваме дифузно отражение. В този случай отразените лъчи се разпространяват в най-различни посоки.

Дифузното отражение е изключително често срещано явление (ако въобще нещо, което е навсякъде, може да се нарече „често срещано“). Ние виждаме всеки един предмет около нас благодарение на дифузно отразената от него светлина (освен ако той самият не е източник на светлина, тогава ще видим неговата собствена). Колкото повече светлина отразява един предмет, толкова по-светъл изглежда той. Разбира се, освен че отразяват, предметите също така и поглъщат.

Поглъщане

Обикновено част от светлината, попаднала върху някаква материална среда, се поглъща от нея. Тогава енергията, която е притежавала погълнатата светлина, се добавя към вътрешната енергия на средата, т.е. средата се загрява.

Предметите, които поглъщат повече, изглеждат по-тъмни от тези, които отразяват повече. Белите неща отразяват (почти) целия видим спектър ((И за спектър ще си говорим по-нататък, но съвсем скоро.)) на светлината, докато черните пък поглъщат по-голямата част от него. Ето защо, когато носите тъмни дрехи под лъчите на слънцето, ви става по-топло, отколкото ако носехте светли дрехи. Много се смея всеки път, когато чуя някой да каже, че черният цвят привличал светлината, а белият пък я отблъсквал – та това е пълна глупост!

Като стана дума за цветове, те се дължат на факта, че различните вещества поглъщат една част от видимия спектър и отразяват или пропускат друга. Тези, които изглеждат зелени например, поглъщат червената и синята част от спектъра и отразяват зелената.

Като заключение

Използвах модела на геометричната оптика, за да кажа, че светлината се движи с крайна скорост и че тя зависи от средата, в която се разпространява; да въведа понятието показател на пречупване; да уточня как се мерят ъгли в оптиката; да обясня какво са пречупването, отражението и поглъщането.

Знам, че поне 90% от изложеното по-горе е било известно от по-рано на поне 90% от вас. Все пак се надявам да не сте скучали през повече от 90% от времето, прекарано в четене на това кратко припомняне.

По-интересното предстои. ;-)