OPTYCZNE WŁASNOŚCI MATERII

I. Optyczne własności gazów:

a) Błękitne niebo - błękitny kolor nieba powstaje, jako skutek rozproszenia światła słonecznego na

niejednorodnościach atmosfery. Ponieważ silniej rozprasza sie światło niebieskie niż czerwone

(współczynnik rozproszenia rośnie, gdy długość fali maleje) widzimy niebo o kolorze błękitnym.

b) Zmiana obserwowanej barwy Słońca wynikająca ze zmiany położenia (wysokości) Słońca na

niebie - gdy Słońce znajduje się nisko nad horyzontem widzimy je, jako czerwone. Im wyżej nad

horyzontem znajduje się Słońce, tym mniejszy jest ubytek fal o mniejszych długościach fal i Słońce

widzimy, jako pomarańczowe a potem żółte.

c) Miraże - gęstość powietrza a więc również jego współczynnik załamania zależą od temperatury.

W wyniku ogrzewania powietrza może się zdarzyć, że współczynnik załamania tuż nad powierzchnią ziemi

staje się mniejszy niż na pewnej wysokości. Wówczas promienie padające od przedmiotów pod znacznymi

katami mogą ulec zakrzywieniu na tyle, że trafiają do oczu obserwatora, wywołując złudzenie zwane

mirażem.

OPTYCZNE WŁASNOŚCI MATERII

d) Refrakcja światła - ciała niebieskie widzimy na niebie nieco wyżej niż widzielibyśmy wówczas

gdyby nie było atmosfery. Tłumaczmy to tym, iż gęstość powietrza maleje wraz z wysokością, a więc

współczynnik załamania też maleje z wysokością, jest to przyczyną faktu, że promienie świetlne

przechodząc przez atmosferę się zakrzywiają. W wyższych warstwach atmosfery powietrze ma mniejszą

gęstość i znacznie słabiej załamuje światło niż w warstwach blisko Ziemi, na skutek, czego, promień

świetlny zakrzywia się i gwiazdę widzimy wyżej nad horyzontem, niż jest położona w rzeczywistości

.

W

dalekich od Ziemi warstwach atmosfery promień świetlny załamuje się słabiej niż przy przechodzeniu przez

gęstsze warstwy znajdujące się w pobliżu Ziemi.

Zakrzywienie jest tym większe, im bliżej horyzontu

znajduje się świecące ciało niebieskie. Nie występuje ono dla ciał znajdujących się w zenicie.

Nasz mózg zakłada, że światło rozchodzi się po linii prostej, czyli widzimy gwiazdę nie tam, gdzie znajduje

się naprawdę.

II. Optyczne własności cieczy:

a) Niebieska barwa czystej wody - światło biegnące w głąb wody ulega rozproszeniu. Pewna część

tego światła wydostaje się na powierzchnię wody. Światło, które po rozproszeniu pod wodą wraca na jej

powierzchnię decyduje o odbieranej przez nas barwie wody zwłaszcza jej dużych zbiorników jezior czy

mórz. Światło wracając ponad powierzchnię przybiera barwę zielonkawo-niebieską. Nie wszystkie morza

mają taką barwę, gdyż zależy ona także od ilości rodzaju substancji rozpuszczonych w danym morzu.

Zabarwienie morza zmienia się także pod wpływem falowania wody. Kiedy toń wody w morzu jest

spokojna, ilość światła dochodzącego spod wody jest o wiele mniejsza od ilości światła odbitego od jej

powierzchni, a wiec barwa morza zależy w tym wypadku od zabarwienia nieba. Gdy morze faluje, do

obserwatora dociera więcej światła rozproszonego pod wodą, zatem woda w morzu będzie przyjmować

barwę zielona, błękitną, itp.

OPTYCZNE WŁASNOŚCI MATERII

III. Optyczne własności ciał stałych:

a) Ciała stałe przezroczyste - szkło, kwarc, podobnie rozpraszają i pochłaniają światło. Niezbyt

grube warstwy szkła lub kwarcu są przezroczyste dla wszystkich długości fal stanowiących światło

widzialne, ponieważ żadna długość fali nie jest przez szkło szczególnie silnie pochłaniana.

b) Rubin - jest czerwony, gdyż wszystkie inne długości fal przechodzących przez rubin zostają

pochłonięte przez atomy jego sieci krystalicznej.

c) Ciała stałe będące przewodnikami (np. miedź) - są nieprzezroczyste, jako że elektrony

swobodne znajdujące się w sieci krystalicznej oraz atomy tworzące strukturę krystaliczną przewodników

pochłaniają wszystkie długości padających na nie fal świetlnych.

d) Kryształy dwójłomne - przykładem kryształu dwójłomnego jest kalcyt. Promień światła

niespolaryzowanego, padający na powierzchnię kalcytu, rozszczepia się na dwa promienie spolaryzowane:

zwyczajny i nadzwyczajny.

Schematyczne przedstawienie przejście światła przez kryształ dwójłomny

Płaszczyzny polaryzacji tych promieni są do siebie prostopadłe. Promień zwyczajny spełnia prawo

załamania. Promień nadzwyczajny nie spełnia prawa załamania, gdyż współczynnik załamania kryształu dla

tego promienia zależy od kierunku rozchodzenia się tego światła w krysztale.

Jednym z takich kryształów jest szpat islandzki. Oglądany przez taki kryształ napis „Zamkor” widzimy

podwójnie. Jeden obraz tworzy promienie zwyczajne, drugi nadzwyczajne (rys.).

OPTYCZNE WŁASNOŚCI MATERII

e) Ciekłe kryształy - substancje będące cieczami, lecz zachowujące porządek molekularny

charakterystyczny dla kryształów. Ciekłymi kryształami mogą być ciecze złożone z wydłużonych

cząsteczek organicznych. W dostatecznie niskiej temperaturze (np. poniżej 50°C) cząsteczki te, w wyniku

oddziaływania między sobą, ustawiają się równolegle wzdłuż swoich dłuższych osi. Ciekłe kryształy czasem

tworzą struktury spiralne, co powoduje, że mogą skręcać płaszczyznę polaryzacji przechodzącego przez nie

światła. Kierunek uporządkowania cząsteczek ciekłego kryształu możemy narzucić, umieszczając go w polu

elektrycznym. Kontrolując ułożenie cząsteczek, sterujemy własnościami optycznymi ciekłego kryształu.

Zjawisko to wykorzystuje się do budowy przełączników optycznych. Ciekły kryształ jest umieszczony

pomiędzy dwoma polaryzatorami. Polaryzatory są ustawione pod kątem 90° w stosunku do siebie. W

ciekłym krysztale nastąpi skręcenie płaszczyzny polaryzacji i światło będzie przechodziło przez drugi

polaryzator. Kiedy zostanie włączone napięcie, skręcenie zaniknie i światło nie będzie przechodziło.

Przełączniki optyczne są jednymi z elementów kolorowego wyświetlacza ciekłokrystalicznego, służącego

do budowy płaskich ekranów używanych na przykład w notebookach. Cała powierzchnia takiego

wyświetlacza podzielona jest na ogromną ilość pikseli. W skład każdego piksela wchodzą trzy przełączniki

optyczne odpowiedzialne za barwy czerwoną, zieloną i niebieską. Światło oświetlające ekran przechodzi

przez polaryzator. Następnie, spolaryzowane liniowo, pada na warstwę ciekłego kryształu, który skręca jego

płaszczyznę polaryzacji. Potem pada na barwny filtr. Jeżeli światło noszące każdą z barw podstawowych, po

przejsciu przez filtry ma jednakową intensywność to dany punkt na ekranie widzimy, jako biały. Jeżeli

spowodujemy, że w świetle padającym na filtr niebieski nie nastąpi skręcenie płaszczyzny polaryzacji, to po

nałożeniu się barwy zielonej i czerwonej otrzymamy na ekranie punkt świecący na żółto itp. Dobierając

odpowiednią intensywność świecenia tych barw, możemy otrzymać na ekranie punkt o dowolnym kolorze.