Optika

Az optika vagy fénytan a fizikának a fény és általában az elektromágneses sugárzás terjedésével foglalkozó tudományága. A fény tulajdonságait, a fényjelenségeket – fénytörés, fényvisszaverődés, visszatükrözés – vizsgálja.

Az optika szó a görög optikosz (ὀπτικός = látás) szóból származik.

Részterületei 

 A geometriai optika a fényt mint egy sugarat tekinti, mely egyenes vonalban halad az egyes közegekben, a közeghatárokon pedig visszaverődik vagy megtörik.
 A hullámoptika a fényt hullámként modellezi, és a fény terjedésével kapcsolatos jelenségekkel foglalkozik. Így magyarázható a diffrakció, az interferencia és a polarizáció jelensége.
 A kvantumoptika a fény anyaggal való kölcsönhatását írja le, amely során fény keletkezik vagy megsemmisül, ezért vékony rétegek és határjelenségek magyarázatául szolgál.

Színkép vagy spektrum 
A színeket  a fény frekvenciája határozza meg. A különböző színeknek megfelelő hullámhosszak a fázissebesség és a frekvencia értékének a hányadosa. 

Színkép vagy spektrum valamely fényforrástól kibocsátott fény hullámhossz szerinti felbontásánál a színekhez tartozó intenzitás frekvenciára való eloszlását leíró függvény által adható meg, illetve a fényspektrográfok által a hullámhossz szerint felbontással a térben.

Emissziós színkép 
A gerjesztett atomi vagy molekuláris rendszer által kibocsátott elektromágneses hullámok hullámhossz szerinti rendszere.

Folytonos színkép 
Olyan emissziós színkép, amelynek az intenzitása a frekvencia folytonos függvénye, és széles tartományban különbözik nullától.

Fényforrások 
Meg kell említenünk a fényforrásokat is, mert fényforrás nélkül nincs fény. Két fajta fényforrást különböztetünk meg: 
 az elsődleges  
 a másodlagos fényforrásokat.

Elsődleges fényforrás 
Elsődleges (valódi) fényforrásnak tekintjük azokat a tárgyakat, amelyek fényt bocsátanak ki. Elsődleges fényforrások: a Nap, a csillagok, a gyertya lángja, a lámpa stb.

Másodlagos fényforrások 
Minden test, ami csak a rá sugárzott és róla visszaverődő fény miatt látható azt másodlagos fényforrásnak nevezzük.

Ez alapján vehetjük úgy is, hogy minden test másodlagos fényforrás, mint például az asztal, tábla, ember stb.

Fényjelenségek 
Ha a fény két eltérő optikai sűrűségű közeg határára érkezik, akkor egy része visszaverődik, másik része pedig belép az új közegbe. Az új közegben haladó fénysugár általában megtörik. A közegek és a határfelület tulajdonságaitól, valamint a beesés szögétől függ, hogy a fényvisszaverődés vagy a fénytörés az erőteljesebb.

A Huygens–Fresnel-elv 

Christiaan Huygens holland fizikus és csillagász (1629–1695) dolgozta ki az optikai rendszerek elemzésének hasznos módszerét. 

A hullámfront minden pontja elemi gömbhullámok kiindulópontja. Az elemi hullámok a fény sebességével terjednek. Egy későbbi „t” időpontban a hullámfront új helyzetét az elemi hullámok interferenciájának burkolója adja meg.

(Megjegyzés: A hátrafele terjedő elemi hullámok az interferencia miatt kioltódnak.)

Fényvisszaverődés 
Hogyha a közegek és a határfelület tulajdonságai úgy hozzák, hogy a visszaverődés erőteljesebb, a jelenséget fényvisszaverődésnek nevezzük.

Teljes visszaverődés (totálreflexió) 
 

Ha egy fénysugár az optikailag sűrűbb közeg felől a ritkább közeg felé halad, akkor a határfelületen nem törik meg, hanem azon – mint tökéletes tükrön – visszaverődik. Ilyenkor teljes fényvisszaverődésről vagy más néven totális reflexióról beszélünk, mivel a határfelület a ráeső fény 100%-át visszaveri. 
A határszöget a törési törvényből könnyedén meghatározhatjuk:

ebből:

Brewster törvénye 
A visszavert sugár teljesen poláros lesz, ha a visszavert, valamint a közegbe behatoló megtört sugár egymásra merőleges. 
A teljes polarizációhoz tartozó  beesési szög és a törésmutató kapcsolata:

Kísérlet 

Hogy a törvényt ki tudjuk mondani, egy kísérletet kell elvégeznünk, amihez optikai korongot használunk. Az optikai vagy Hartl-korong három részből áll: 
 beosztásos korong
 szűrő, ami kiszűri a nem megfelelő irányba haladó fénysugarakat
 tartószerkezet, amire tükröket, illetve lencséket rakhatunk

Jelen esetben a tartószerkezetre egy síktükröt raktunk. A képen látszik, hogy merre halad a fénysugár, és elvileg azt látjuk, ami a mellékelt képen látható.

Törvény 
A törvény meghatározásához értelmeznünk kell a képet. Az alábbi elnevezéseket használjuk:
 beeső fénysugár (s): a felülethez tartó fénysugár
 visszavert fénysugár (s’): a felülettől távolodó fénysugár
 beesési pont (O): ahol a beeső fénysugár a felületet éri
 beesési merőleges (n): a beesési pontban a felületre állított merőleges
 beesési szög (α): a beeső fénysugárnak a beesési merőlegessel bezárt szöge
 visszaverődési szög (β=α’): a visszavert fénysugárnak a beesési merőlegessel bezárt szöge

A kísérletből megállapíthatjuk a törvényt:
 A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van.
 A visszaverődési szög egyenlő a beesési szöggel.

Ezt Eukleidész Kr. e. 300 körül már bebizonyította.

Fénytörés 
 
 

Ha egy üvegpohárba vizet öntünk, s rajta átnézve vizsgáljuk a hozzá közel lévő tárgyakat, eltorzult képet látunk. A vízbe helyezett szívószál például megtörtnek látszik, pedig ha kivesszük a vízből, látható, hogy változatlan az alakja. Nem a szívószál törik meg, hanem a fény, amely a vízből érkezik a szemünkbe.

Ha a fénysugár eltérő fénytani sűrűségű anyagok határán átlép, iránya megváltozik. A víz és a levegő határán mindig megtörik a fény, kivéve, ha éppen merőlegesen esik a vízfelületre.

A fény fázissebességének nagysága 
Vákuumban:

Szigetelőben:

(ugyanis )

A közeg abszolút törésmutatója

Diszperzió (színszórás) 

 frekvenciafüggése miatt különböző hullámhosszú fénysugarak ugyanabban a közegben különböző sebességgel terjednek. Az új közegben a fényhullámok különböző frekvenciájú komponensei különböző mértékben térnek el a becslési irányhoz képest, azaz szóródnak. Emiatt bontja színeire a különböző frekvenciájú (színű) fények keverékét a prizma.

Relatív törésmutató 
A második közeg első közegre viszonyított relatív törésmutatója:

Az első közeg optikailag akkor sűrűbb a második közegnél, ha , ellenkező esetben a közeg optikailag ritkább. (Az optikai sűrűség nem azonos a mechanikai sűrűséggel.)

Snellius–Descartes fénytörési törvénye 
Ugyanazon közegben a beesési és törési szög szinuszának aránya állandó, és egyenlő az első, illetve második közegben mért terjedési sebességek hányadosával.

Az  beesési szög növelésével a fény energiájának egyre kisebb hányada jut be az új közegbe.

Optikai eszközök 

 Optikai lencse (domború, homorú)
 Tükör (sík, homorú, domború)
 Prizma
 Szem
 Szemüveg és kontaktlencse
 Optikai távcsövek
Galilei-távcső (hollandi távcső)
 Kepler-távcső (csillagászati távcső)
 Newton-távcső
 Cassegrain-távcső
 Ritchey–Chrétien-távcső
 Mikroszkóp
 Fényképezőgép és őse, a camera obscura
 Kamera
 Diavetítő
 Optikai szál

Jegyzetek

Források

További információk 
 Optika.lap.hu - linkgyűjtemény
 Fizkapu portál FizFotó rovatának optika tárgyú fotói
 Hétköznapi fénytani jelenségek

Kapcsolódó szócikkek 
 Fermat-elv
 Fénysebesség
 Geometriai optika
 Prizma
 Spektrum