Světlo a jeho vlastnosti

Světlo má zvláštní, tzv. dualistickou povahu. Znamená to, že je můžeme chápat jako příčné vlnění spojitého elektromagnetického pole a současně jako proud diskrétních částic (korpuskulí). Světlo je tedy pokládáno za šíření kvant či fotonů, jakýchsi “hybridů” mezi vlněním a částicí. Při šíření světla prostorem se více projevuje jeho korpuskulární charakter, při interakci s hmotou vlnový charakter. Všechny jevy, o kterých bude řeč v kapitole o optických vlastnostech světla, lze vysvětlit na základě vlnové teorie světla.

Vlnová délka a barva světla

Chápeme-li světlo jako vlnění elektromagnetického pole, můžeme jej – jako každé harmonické vlnění – znázornit sinusoidou a popsat vlnovou délkou a amplitudou (obr. 5.7). Vlnová délka λ je vzdálenost mezi odpovídajícími si body sinusoidy a udává se v nm (nanometrech). Viditelné světlo je úzká část spektra elekromagnetického vlnění, které se vyskytuje v našem okolí – většina lidí vnímá světlo v rozsahu asi 380 až 780 nm. S klesající vlnovou délkou se zvyšuje energie světla. Na vlnové délce světla závisí jeho barva (obr. 5.8). Tato sekvence barev se nazývá světelné spektrum. Barvy, které spektrum tvoří, se nazývají spektrální barvy. Světlo, které se skládá z paprsků jen jedné vlnové délky (a tedy jen jedné spektrální barvy), se nazývá monochromatické (jednobarevné). Konkrétně mluvíme například o modrém nebo červeném světle. Světlo, které obsahuje “směs” paprsků více vlnových délek, nazýváme polychromatické (mnohobarevné). Světlo, které obsahuje paprsky všech vlnových délek ve viditelném rozsahu, nazýváme bílé světlo a jako takové ho také vnímáme. Bílé je například světlo sluneční nebo světlo speciálních žárovek a zářivek.

Amplituda A udává největší výchylku sinusoidy od nulové hodnoty. Na její hodnotě závísí intenzita světla (čím je amplituda větší, tím vnímáme světlo jako intenzivnější).

Lom světla a index lomu

Světlo se za normálních okolností šíří prostorem přímočaře konstantní (konečnou, i když velmi vysokou) rychlostí. Představme si, že monochromatické světlo dopadne pod určitým úhlem na povrch nějakého objektu, dejme tomu ze vzduchu na povrch skleněné desky. Část světla se odrazí a část vstoupí dovnitř (do skla). Přitom dojde právě na rozhraní obou optických prostředí ke změně směru šíření světla a současně se změní jeho rychlost, přičemž vlnová délka (barva) se nezmění. Tento jev nazýváme lom světla (obr. 5.9a). Při kolmém dopadu k lomu nedochází.

Světelný lom nastává na rozhraní libovolných dvou prostředí s různou optickou hustotou. Vstupuje-li světlo z prostředí opticky méně hustého do prostředí opticky hustšího, dojde k lomu ke kolmici (současně dojde ke zpomalení světla). V opačném případě nastane lom od kolmice (současně dojde k urychlení světla). Čím větší bude rozdíl optických hustot obou prostředí, tím výraznější bude změna směru (resp. rychlosti). Obecně lze říci, že čím má nějaká látka vyšší hustotu jako takovou (h = m/V), tím má vyšší i optickou hustotu a naopak. Lom světla na rozhraní dvou prostředí charakterizuje index lomu n:

n =(sin i)/(sin r) = v1/v2	kde: i je úhel dopadu paprsku r je úhel lomu v1 je rychlost světla v prvním prostředí v2 je rychlost světla v druhém prostředí
je-li n > 1, jde o lom ke kolmici je-li n < 1, jde o lom od kolmice je-li n = 1, mají obě prostředí stejnou optickou hustotu (nedochází k lomu)

Index lomu má charakteristickou hodnotu pro rozhraní každých dvou prostředí. V praxi se ze zřejmých důvodů udává index lomu na rozhraní vzduch – látka, takže pro všechny kapaliny a pevné látky, včetně minerálů, je vždy index lomu větší než 1. Index lomu je nejdůležitější optickou charakteristikou minerálů (ovšem s výjimkou minerálů opakních, které naprostou většinu světla odrážejí).

Světelná disperze

Představme si dopad polychromatického světla na rozhraní dvou prostředí (z prostředí opticky méně hustého do prostředí opticky hustšího). V takovém případě dojde k lomu ke kolmici. Polychromatické světlo je ale složeno ze složek o různých vlnových délkách. Obecně platí, že čím menší je vlnová délka světla, tím více se změní směr jeho šíření a naopak. V důsledku toho dojde na rozhraní k rozkladu, disperzi, polychromatického světla na jednotlivé složky – vzniká světelné spektrum (obr. 5.9b). Nejvíce se od původního směru odkloní fialové světlo (má nejmenší vlnovou délku λ), nejméně červené světlo (největší λ).

Index lomu látek je tedy závislý nejen na optické hustotě obou prostředí, ale i na vlnové délce (barvě) světla. Čím je kratší vlnová délka světla, tím má látka pro toto světlo větší index lomu. V tabulkách je obvykle udáván index lomu látek pro žluté světlo o vlnové délce 589,3 nm (tzv. sodíkové světlo) při teplotě 20 °C.

Odraz světla a totální reflexe

Při dopadu světla na rozhraní dvou prostředí dochází vedle lomu i k odrazu (reflexi) – obr. 5.9c. Platí přitom jednoduchý zákon odrazu: úhel odrazu je stejný jako úhel dopadu (α ₁ = α ₂). Úhel odrazu jednotlivých složek polychromatického světla je stejný, takže při odrazu nedochází k disperzi. Množství odraženého světla určuje lesk minerálu.

Speciálním případem odrazu světla je úplný odraz (totální reflexe). Představme si monochromatický světelný paprsek dopadající na rozhraní dvou prostředí, a to z prostředí opticky hustšího do prostředí opticky méně hustého (lom od kolmice). Představme si dále, že úhel dopadu se neustále zvětšuje (obr. 5.9d). Při jistém úhlu dojde k situaci, kdy lomený paprsek bude postupovat přesně po rozhraní obou prostředí. Tento úhel se nazývá mezní úhel. Bude-li světlo dopadat pod ještě větším úhlem, nemůže už proniknout do opticky méně hustšího prostředí. Veškeré dopadající světlo se odrazí zpět podle zákona odrazu – nastane úplný odraz.

Absorbce světla

Při odrazu i lomu světla dochází vždy k většímu či menšímu pohlcení, absorbci, světla látkou. Fotony jsou brzděny tepelnými pohyby stavebních částic látky a jejich energie se mění na jiné druhy energií (hlavně opět na energii tepelnou). Pohlcuje-li látka světlo v celém rozsahu viditelného spektra, jeví se jako černá a neprůhledná. Naopak propouští-li (resp. odráží-li) všechny vlnové délky, vidíme ji jako čirou (resp. bílou). Propouští-li (odráží-li) látka přednostně jen některá vlnové délky, vidíme příslušnou barvu buď v procházejícím nebo odraženém světle.

Polarizace světla

Světlo, pojímáme-li ho jako vlnění elektromagnetického pole, je charakterizováno vektory intenzity elektrického pole E a magnetické indukce B. Tyto vektory jsou na sebe kolmé a zároveň jsou kolmé na směr šíření světla (obr. 5.10). Jejich orientace v prostoru se ale může libovolně měnit (říkáme, že světlo kmitá ve všech rovinách – obr. 5.11). Takové světlo označujeme jako normální (nepolarizované). Polarizované světlo se naproti tomu vyznačuje uspořádaností kmitání – vektory E a B vykazují neustále stejnou orientaci v prostoru. Rozdíl mezi obyčejným a polarizovaným světlem tedy tkví v uspořádanosti kmitání světelné vlny – obyčejné světlo kmitá neuspořádaně, polarizované v jedné rovině. Pouhým okem ovšem nelze rozlišit světlo obyčejné a polarizované! Polarizovat světlo tedy znamená nějakým způsobem “srovnat” neuspořádaně kmitající světelnou vlnu do jedné roviny, roviny kmitání. Lze to provést různými způsoby:

Polarizace světla odrazem: při dopadu světla na povrch látky dochází současně k jeho odrazu a lomu. Zároveň dochází k částečné polarizaci odraženého i lomeného paprsku (obr. 5.13a). Polarizace je nejdokonalejší při úhlu dopadu 45° , naopak vůbec nenastává při kolmém dopadu. Celkově je však polarizace odrazem méně dokonalá než při polarizaci dvojlomem (viz dále).

Polarizací světla dvojlomem vzniká dokonale polarizované světlo. Pro pochopení principu tohoto způsobu polarizace je třeba nejprve nastínít pojem dvojlomu světla:

Existuje široká skupina pevných látek, které se nazývají opticky anizotropní. Dopadne-li na povrch anizotropní látky světelný paprsek, rozštěpí se při vstupu do látky na dva dílčí paprsky, které postupují různým směrem (a tedy různou rychlostí), přičemž vlnová délka žádného z paprsků se nezmění (oba mají stejnou barvu jako dopadající světlo). Tento jev se nazývá dvojlom. Aniž bychom se zabývali dalšími detaily, lze konstatovat, že oba takto vzniklé paprsky jsou dokonale polarizované, a to tak, že kmitají přesně kolmo na sebe (obr. 5.13B). Makroskopicky lze dvojlom demonstrovat na štěpném tvaru čirého kalcitu (tzv. “islandského vápence”) – obr. 5.14.

Polarizace světla dvojlomem se v praxi dosahuje různými způsoby. Ve starších mikroskopech se k polarizaci světla používaly různé polarizační přístroje, nejčastěji Nikolův hranol či krátce nikol (obr. 5.15). Tyto přístroje poskytují velmi dokonale polarizované světlo, pro vysokou cenu a výrobní náročnost se však dnes již nepoužívají. Moderní polarizační mikroskopy jsou osazeny syntetickými polarizačními fóliemi. Při průchodu světla takovou fólií dojde k dvojlomu a jeden ze vzniklých paprsků je fólií ihned absorbován. Fólií tedy projde jen jeden polarizovaný paprsek. Polarizační fólie poskytují dostatečně dokonale polarizované světlo pro mikroskopická pozorování.

Interference světla

Interference je jev skládání dvou nebo více koherentních vlnění (světelných parsků) ve vlnění výsledné. Podmínkou interference je, aby se paprsky šířily současně (v témže okamžiku na stejném místě) a přesně stejným směrem (rovnoběžně). Výsledný paprsek může mít větší či menší intenzitu než interferující paprsky, jeho vlnová délka (barva) se nemění. Interferenční jevy mají zcela zásadní význam pro studium látek polarizačním mikroskopem.

Představme si dva paprsky, které splňují tyto podmínky a které jsou vůči sobě posunuty přesně o polovinu vlnové délky (obr. 5.16a). V takovém případě dojde k odečtení amplitud obou paprsků. Výsledkem je nulová amplituda – interferující paprsky se vzájemně vyruší (říkáme, že světlo vyhasne). Tohoto jevu se využívá mj. při studiu zhášení minerálů (podrobněji v kapitole 5.3.3.2).

Představme si tytéž dva paprsky, ale posunuté o celou vlnovou délku (obr. 5.16b). V takovém případě dojde k součtu amplitud. Výsledkem je paprsek o stejné vlnové délce, jakou měly původní paprsky, ale s dvojnásobnou amplitudou (intenzitou). V obecném případě jsou interferující paprsky posunuty o jinou vzdálenost než 1λ nebo 1/2λ . Výslednou vlnu lze rovněž najít graficky. V každém bodě na ose x sečteme (případně odečteme) amplitudy interferujících vlnění (obr. 5.16c). Výsledná vlna bude mít jinou amplitudu (intenzitu), větší či menší než původní vlnění podle dráhového rozdílu. Vlnová délka výsledné vlny bude stejná jako vlnová délka skládajících se vln.

další »»