Svetlo

Svetlo je výraz, ktorý každý z nás použije za deň minimálne raz! Ale prečo by sme o svetle mali hovoriť ako o výraze? Je to predsa jav, bez ktorého by náš život bol asi len sotva možný. Povedzme si teda, ktoré svetelné zdroje nám umožňujú ten luxus, vidieť okolité veci. Na prvé miesto by som dala Slnko, hviezdu našej slnečnej sústavy, ktorá poskytuje maximálne svetlo v okruhu niekoľkých svetelných rokov okolo našej planéty. Ďalej sú to okolité hviezdy, ktoré ožarujú našu nočnú oblohu, no ich svetlo k nám väčšinou letí niekoľko stoviek rokov, a tak sa koncoví efekt javí len ako malá bodka na oblohe. Po Slnku druhým najžiarivejším prírodným telesom je určite Mesiac, no ten len odráža svetlo zo Slnka, čiže je to opäť len svetlo Slnka. Každý, kto pozná teóriu, môže rozdeliť svetelné zdroje na umelé a prírodné. Ale len málokto sa zamýšľa nad tým, prečo vidíme v noci, keď Slnko zapadne, prečo existujú zvláštne prírodné úkazy ako je dúha, prečo vidíme svoj odraz na pokojnej hladine jazera, prečo vlastne vidíme? Je to neuveriteľné, ale všetko toto súvisí so svetlom. Keby sa so mnou chcel niekto hádať, mohol by povedať, že nemám pravdu. Veď to prečo vidíme je predsa jasné! Súvisí to s optikou, čo je tiež oblasť fyziky. Nemôžem povedať, že to nie je pravda. Ale skúsme žiť jeden deň bez svetla. V noci, keď je zamračená obloha a silný vietor poruší elektrické vedenie, vtedy sme bez umelých svetelných zdrojov stratený. Občas nám možno osvetlí naše tváre blesk, ale inak sa cítime ako slepý. Takže tu je dôkaz toho, že optika úzko súvisí so svetlom. Sedíme na jednom mieste a nevieme sa odhodlať vstať, aby sme náhodou nevrazili do predmetu, ktorý my bohužiaľ po tme nevidíme, aj keby mal metrové rozmery. Hovoriť o úplnej tme sa ale tiež nedá, lebo každý si asi všimol, že keď sme dlho v tmavom prostredí, oči sa prispôsobia, aby sme videli aspoň tie najväčšie predmety. Potom, keď nájdeme sviečku a zapálime ju, celá miestnosť sa rozžiari a my vidíme. Svetlo sviečky sa odrazí od okolitých predmetov do našich očí. Mohli by sme povedať, že príroda to vymyslela skvele! Všetko so všetkým súvisí a je to také dokonalé. Je to fascinujúce, čo môžeme v prírode pozorovať, zvlášť mňa fascinuje to, čo dokáže svetlo. Aby sme si vedeli predstaviť, čo to svetlo je, môžem ho v krátkosti charakterizovať. Je to vlastne elektromagnetické žiarenie takých vlnových dĺžok, na ktoré je ľudské oko citlivé.

To znamená, že to, čo sa v prítomnosti svetelnej vlny vlní, je elektromagnetické pole v priestore, ktorým sa svetlo šíri. Existujú aj iné elektromagnetické vlnenia ako je svetlo. Sú to napríklad rozhlasové vlny, mikrovlny, infračervené vlny, ultrafialové vlny, röntgenové žiarenie alebo gama žiarenie. Svetelné vlny ľubovoľnej vlnovej dĺžky sa vo vákuu šíria rýchlosťou svetla, ktorá je c = 299 792 458 km/s. Je to základná konštanta prírody a šíria sa ňou vo vákuu všetky elektromagnetické vlny. Rýchlosťou svetla sa zaoberal Galileo Galilei, ale ako prvý určil hodnotu rýchlosti svetla Olavs Römer. Bolo to v 17.storočí a odvtedy používame pre rýchlosť svetla hodnotu približne 300 000 km/s. Na to, že svetlo je vlnenie, prišiel anglický polyhistor, Thomas Young. K svojim prekvapujúcim záverom dospel, keď sa pokúšal odôvodniť dúhové farby, ktoré často vidno na bublinách, či olejových kalužiach. Vieme, že svetlo sa šíri priamočiaro v nejakom prostredí, a toto prostredie nazývame optické prostredie. Poznáme rôzne materiály, cez ktoré svetlo buď prejde, alebo neprejde. Preto delíme optické prostredie na priesvitné (matné sklo), priehľadné (vzduch), číre (sklo, tenká vrstva vody), farebné (farebná fólia) a prostredie, cez ktoré sa svetlo nedostane, je nepriehľadné (telo človeka, nábytok). A tu sa už dostávame k zaujímavejším úkazom. Určite si viete predstaviť matné sklo. Používa sa bežne, napríklad do sprchovacích kútov. Svetlo síce cez toto sklo prejde, ale keďže je povrch nerovný, svetlo sa rozptýli a my vidíme za sklom len tieň, siluetu. Akoby svetlo vedelo, čo má kedy a ako robiť. Tu sa dozvedáme, že svetlo sa môže rozptýliť. A to nie je jediná zvláštnosť, čo sa týka svetla. Svetlo sa môže lámať, odrážať, ohýbať.. A týmto všetkým by sme mohli vysvetliť fantastické úkazy na Zemi. Ako prvé ma napadla taká samozrejmá, ale úžasná vec ako je dúha. Týmto čarovným úkazom sa chcem zaoberať dlhšie, pretože je neuveriteľný, a chcela by som vám priblížiť jeho tajomstvo.

DÚHA

Tieto obrázky ma navnadili k tomu, aby som sa o dúhe dozvedela čo najviac. Zaujímali ma mnohé otázky a postupne som sa snažila odpovedať si na ne. Najprv to bol problém, prečo je dúha vždy rovnakých farieb a prečo má tvar oblúka. A takisto ma napadlo, že dúha nevzniká len tak, kedy sa jej chce… Je to pri končiacej sa dažďovej prehánke. Dážď síce ešte padá, ale zároveň slnečné lúče osvetľujú dažďové kvapky. V týchto kvapkách sa svetlo láme, rozkladá a odráža, a tak práve na opačnej strane ako svieti Slnko, môžeme pozorovať dúhu.

Ale prečo je dúha oblúk a vždy z rovnakých farieb? Deti by si mohli myslieť, že dúha je nejaká brána do sveta rozprávky a preto je oblúkovitá a postupnosť farieb si ani nevšímajú, hlavne, že je ich tam dosť. Ale ak sa na obrázky pozrieme lepšie, vidíme na obidvoch rovnakú postupnosť farieb. Od vnútorného okraja je to fialová, ktorá má najväčší uhol lomu a potom nasledujú tmavo modrá, svetlo modrá, zelená, žltá, oranžová a červená. Posledná farba má najmenší uhol lomu. Táto postupnosť je zadefinovaná ako spojité spektrum slnečného spektra. A čo je to spektrum?
Každej vlnovej dĺžke svetla zodpovedá istá "čistá" farba svetla. V skutočnosti je svetlo, ktoré nám vchádza do očí, zložením svetelných vlnení s rôznymi vlnovými dĺžkami a farbami. Biele svetlo sa skladá zo svetiel všetkých spektrálnych farieb. Ako prvý to objavil Sir Isaac Newton, keď rozložil lúč bieleho svetla pomocou optického hranola na jednotlivé spektrálne farby. Tieto všetky zložky svetla sa mu potom podarilo znovu zložiť a získať tak opäť biele svetlo.

Ďalej budeme predpokladať, že máme dočinenia len so svetlom s nejakou danou vlnovou dĺžkou, teda aj danou spektrálnou farbou. Elektromagnetickej vlne predstavujúcej takéto svetlo sa hovorí monochromatická vlna. Newton rozložil biele svetlo na spektrálne farby pomocou optického hranola. Svetlo sa na optickom hranole lomí dvakrát, raz na každej ploche, ktorou prechádza. Spektrum farieb vzniká jedine vďaka tomu, že svetlo každej spektrálnej farby má v skle mierne rôznu rýchlosť a teda sa lomí rôzne, do rôznych uhlov. Teraz už vieme prečo je dúha farebná, a tak si môžeme položiť ďalšiu otázku. Prečo ten tvar dúhy? Oblúkovitý tvar môžeme vysvetliť tak, že dúha opisuje časť kružnice s polomerom asi 42° nad obzorom. Logicky vysvetlíme, že dúhový oblúk vystúpi tým vyššie, čím sa Slnko skláňa nižšie k obzoru. Keď som podrobne pozorovala čas, miesto a príčiny vzniku dúhy, začalo ma zaujímať, či sa dá dúha vytvoriť aj umelo. Keďže dúha vzniká, pri končiacom sa daždi, ale Slnko už začína svietiť, napadlo ma, že aby som dúhu vytvorila doma, potrebujem vodu, namiesto dažďa a svetelný zdroj. Ale kde tá dúha vznikne, to bol problém. Tak som si teda zobrala biely kartón, baterku a namiesto kvapiek vody som použila len nádobu s vodou a zrkadlo, ktoré bude odrážať svetlo. Môj pokus vyšiel perfektne! Nie síce na prvý krát, ale vyšiel. Dúhu mi zobrazilo na bielom kartóne, ktorý bol oproti zrkadlu. Princíp je opäť v tom, že voda rozložila svetlo na dúhu. To, že dúha vzniká na oblohe pri končiacom sa daždi je nám teraz jasné.

Ale prečo môžeme tento jav pozorovať aj v mydlových bublinách alebo na olejovej škvrne, ktorá vytiekla z auta na cestu?

Svetlo dopadá na tenkú vrstvu látky s nejakým indexom lomu obklopenej z oboch strán prostrediami s inými indexmi lomu. Príkladom takejto tenkej vrstvy môže byť bublina. Ak na bublinu dopadá biele svetlo, vidíme na nej nádherné dúhové farby. Spôsobuje to interferencia svetelných vĺn, ktorá sa odráža od prednej a zadnej steny mydlovej bubliny. Podobné farby vidíme aj vtedy, keď biele svetlo dopadá na tenučkú vrstvičku rozliateho oleja na povrchu mláky. A tu je popis interferencie svetla na tenkej vrstve:
Teraz sa sústredíme na to, čo sa udeje so svetelnou vlnou, keď dopadne zo skla s indexom lomu n, na tenkú vzduchovú vrstvu s hrúbkou d. Situáciu výstižne popisuje nasledujúci obrázok. Predpokladajme, že kolmo na tenkú vzduchovú vrstvu medzi dvoma kusmi skla s rovinnými povrchmi dopadá zo skla svetelná vlna. Kvôli prehľadnosti dopadá svetelná vlna na obrázku na vrstvu vzduchu skoro kolmo. Dopadne v bode A, kde sa vlna rozdelí. Jedna jej časť (vlna 1) sa odrazí, pričom, keďže sa odráža na opticky redšom prostredí, nezmení fázu na opačnú. Druhá časť dopadajúcej vlny pokračuje bez zmeny fázy cez tenkú vrstvu z bodu A do bodu B. V bode B dopadá na rozhranie a znovu sa rozdelí. Jedna jej časť letí so zmenou fázy na opačnú z bodu B do C (odraz na opticky hustejšom prostredí) a druhá jej časť prechádza bez zmeny fázy do skla (vlna 1´). Vlna, ktorá letela z bodu B do C dopadne v bode C na rozhranie a znovu sa rozdelí. Jedna jej časť prejde bez zmeny fázy do skla (vlna 2) a druhá jej časť sa odrazí na rozhraní, pričom zmení fázu na opačnú (odraz na opticky redšom prostredí) a prejde z C do D. Vlna ktorá dopadá z C do D sa v D v skutočnosti znovu rozdelí. Toto rozdelenie však teraz nebudeme uvažovať. Budeme predpokladať, že celá táto vlna prechádza bez zmeny fázy do skla (vlna 2´). Dve vlny vo fáze sa interferenciou zosilňujú. Dve vlny s opačnou fázou a rovnakou amplitúdou sa interferenciou rušia. Asi veľmi málo ľudí tuší, že dúha môže vzniknúť aj v noci! Je to vzácny úkaz. Túto dúhu vyvolá nočný dážď a mesačný svit. Je slabá s nevýraznými farbami, pretože dostatočné svetlo na vznik dúhy je iba v období okolo splnu Mesiaca. Ďalším zvláštnym úkazom je dvojitá, či dokonca trojitá dúha. Druhá dúha sa objavuje nad prvou a nazýva sa sekundárna. Zvláštne je, že tu je postup farieb opačný. Táto dúha vzniká vďaka dvojnásobnému odrazu slnečných lúčov v kvapkách. Keď sa nad sekundárnou dúhou zjaví tretia, je nevýrazná a má väčší polomer ako sekundárna dúha. Takúto nádhernú dúhu môžeme pozorovať aj pri vodopáde (Niagarské vodopády) a dokonca aj vtedy, keď hodíme do jazera skalu.

Na mieste, kde vystrekla voda, sa nám na krátku chvíľu zjaví dúha. Samozrejme len vtedy, keď svieti Slnko. Určite ste si niekedy všimli, že dúha vzniká najmä podvečer. Je to dané tým, že u nás prevláda západné prúdenie vzduchu, a preto, ak sa objaví pri končiacom daždi jasný pás neba, prichádza najčastejšie od západu, odkiaľ Slnko svieti práve podvečer. To je celé tajomstvo vzniku dúhy. To, že dúha je niečo úžasné si určite nemyslím iba ja. V dnešnej dobe máme neobmedzené možnosti a dôkazom toho je aj to, že sa v obchodoch môžeme stretnúť s dúhovým chromitom. Používa sa na povrchovú úpravu železných častí, napríklad šróbov. Takže na dúhu nemusíme čakať, ale si ju kúpime v podobe šróby. Tak isto aj príroda vložila do svojich diel dúhu. Mnohé chrobáky a ryby majú dúhový povrch, ktorý v ich životnom prostredí dokonale splynie. Najznámejšie zviera, ktoré je obdarené dúhovým chvostom je páv. ODRAZ SVETLA
O tejto záhade nemusím hovoriť až tak veľa. Stačí sa zamyslieť ako funguje periskop v ponorkách. Všetko je založené na tom, že svetlo sa od niečoho musí odraziť do našich očí, aby sme videli. V periskope sú zrkadlá. Keď vysunieme periskop, zrkadlá odrážajú svetlo od vecí nad hladinou do očí človeka, ktorý sa týmto prístrojom pozerá. Tak isto je to aj , keď sa pozrieme na hladinu jazera. Všetko sa odráža od pokojnej hladiny. Či už sú to hory, loďka, Slnko alebo naša tvár. Je to ako zrkadlo. Od hladiny sa odrazí svetlo do našich očí a my vidíme obraz ako v zrkadle. Keby bola hladina tečúca, povrch už nepovažujeme za rovný, a preto by sa svetlo neodrazilo, ale rozptýlilo. Odraz svetla na zrkadlovej ploche: Rozptyl svetla na drsnej ploche

Ako som už spomínala, voda je číre optické prostredie. To znamená, že svetlo ňou prechádza, ale treba si uvedomiť, že svetlo prechádza z jedného číreho prostredia- vzduchu do iného- vody. To spôsobuje, že sa svetlo na rozhraní týchto dvoch prostredí láme, a preto, keď postavíme do pohára s vodou slamku, zdá sa nám akoby bola slamka prelomená. Aj keď stojíme v plytčine, naše nohy sú opticky kratšie. Aj toto má za následok len obyčajné svetlo.
Myslím, že týmito zvláštnosťami prírody sa vždy oplatí zaoberať, pretože mnohé veci sa nám zdajú jednoduché, až keď nám ich niekto názorne vysvetlí.