em_talasi

Elektromagnetni talasi

Elektromagnetni talasi se sastoje od električnog i magnetnog polja, koja osciluju u međusobno normalnim ravnima i prostiru se kroz prostor brzinom svetlosti. Brzina svetlosti iznosi 300 000 km/s za vakuum, što znači da bi svetlost mogla da obiđe zemaljsku kuglu gotovo osam puta za jednu sekundu. Elektromagnetnim talasima nije neophodna materijalna sredina za propagaciju (prostiranje) - oni su materija sami posebi.

Ljubičasta linija predstavlja magnetnu komponentu elektromagnetnog talasa (B), koja osciluje u horizontalnoj ravni. Crvena linija predstavlja električnu komponentu elektromagnetnog talasa, koja osciluje u vertikalnoj ravni.

Spektar elektromagnetnog zračenja

Spektar elektromagnetnog zračenja predstavlja pregled svih talasnih dužina i frekvencija elektromagnetnog zračenja. Maksimalna veličina talasne dužine elektromagnetnog zračenja ograničena je veličinom svemira, dok je minimalna talasna dužina manja od dimenzija atomskog jezgra

1. Najveće talasne dužine (a najmanje energije) ima radio zračenje, u rasponu od nekoliko stotina metara do nekoliko milimetara (talasne dužine veće od nekoliko stotina metara ne dospevaju do površine zemlje). Pošto je energija ovog zračenja manja od najmanjeg "paketića" energije koji može da primi bilo koja čestica, radio zračenje slabo "interaguje" (međudeluje) sa materijom zbog čega prolazi bez većih smetnji kroz zidove i druge ne-metalne objekte. U metalu postoje slobodni elektroni koji pod dejstvom radio talasa počinju usmereno da se kreću i indukuju neku struju u provodniku - antena. Ova karakteristika je i opredelila osnovnu namenu radio talasa - bežične komunikacije: radio, TV, WiFi ...

2. Mikrotalasi su deo elektromagnetnog spektra čije su talasne dužine reda veličine milimetra. Energija mikrotalasa ima vrednosti koju mogu da apsorbuju (upiju) dipolni molekuli (pomereno + u odnosu na - naelektrisanje) u tečnostima. Na ovaj način se pojačava termičko kretanje molekula, što se odražava na povećanje temperature. Ovaj princip je iskorišćen za konstrukciju mikrotalasnih pećnica, koje greju hranu u celoj zapremini, a ne direktnim prenosom toplote od površine ka unutra.

3. Infracrveno zračenje je toplotno zračenje. Talasne dužine infracrvenog zračenja prostiru se od 1 mm do 750 nm. Infracrveno zračenje može da navede molekule da pojačaju vibraciono i rotaciono kretanje, te ga materija apsorbuje povećavajući svoj toplotni sadržaj. Zagrejane supstance emituju infracrveno zračenje, oslobađajući se na taj način viška energije, zbog čega se smanjuje intenzitet vibracionog i rotacionog kretanja molekula (hlađenje). Neke životinje (zmije) imaju sposobnost detekcije infracrvenog zračenja što im omogućuje lov na toplokrvne životinje i u mraku. "Night vision" naprave su detektori infracrvenog zračenja koji sliku iz domena infracrvenih talasa prebacuju u vidljivi deo spektra, te se mogu koristiti za osmatranje izvora toplote i noću. Našli su primenu u vojsci i policiji.

4. Vidljiva svetlost je deo spektra koji možemo opaziti čulom vida. Talasne dužine vidljive svetlosti imaju vrednosti od 380 nm do 760 nm. Svaka talasna dužina je jedna boja, te talasi većih talasnih dužina ostavljaju utisak crvene boje, dok smanjenjem talasnih dužina doživljaj boja prelazi preko narandžaste, žute, zelene i plave do ljubičaste boje. Ovo se jasno može videti kada se sunčeva svetlost prelama na zaostalim kapljicama kiše u vazduhu i kreira prirodnu pojavu koju nazivamo duga. Energija vidljive svetlosti je dovoljna da pobudi elektrone u molekulima i atomima da promene svoje energetsko stanje (pređu na viši energetski nivo), na čemu počiva hemija ljudskog oka, koja nam omogućuje da "vidimo" svetlost.

5. Ultraljubičasta svetlost je deo elektromagnetnog spektra čije talasne dužine leže u oblasti između vidljive svetlosti i X zračenja (380 nm -100 nm). Sunce emituje oko 10%, od ukupnog zračenja, u oblasti ultraljubičaste svetlosti. Energije ovog zračenja mogu da izazovu jonizaciju atoma i na taj način im značajno promene osobine i ponašanje. Ultraljubičasto zračenje je odgovorno i za kidanje međumolekulskih veza, destrukciju tkiva i DNK. Tek je formiranje slobodnog kiseonika i ozonskog omotača u atmosferi, koji apsorbuje ultraljubičasto zračenje, omogućilo razvoj života na kopnu. Sposobnost ultraljubičastog zračenja da uništava ćelijski sadržaj se danas koristi kao osnov za sterilizaciju medicinskih instrumenata kod određenih vrsta sterilizatora. Sa druge strane, ovo zračenje je odgovorno za nastanak promena boje kože pri sunčanju kao i oštećenje iste. Ultraljubičasto zračenje je najčešći uzrok raka kože.

Talasne dužine elektromagnetnog zračenja čije su vrednosti manje od 100 nm spadaju u oblast X i γ (gama) zračenja. X i gama zračenje se jednim delom preklapaju po talasnim dužinama, ali se razlikuju po mestu nastanka. Ishodište X zraka je atom dok gama zračenje potiče iz jezgra atoma.

6. X zraci imaju sposobnost jonizacije atoma, izbijajući čak i čvrsto vezane elektrone. Upravo zbog velike energije slabo interaguju sa molekulima i atomima u celini, te imaju veliku prodornost. X zračenje prolazi kroz meka tkiva uz male gubitke dok kroz kosti prolazi teže. Ova osobina je iskorišćena za dobijanje slika skeleta i unutrašnjih organa u medicinskoj dijagnostici. Velika sposobnost jonizacije i destrukcije tkiva koristi se u medicinskoj terapiji za uništavanje ćelija raka.

7. Gama zraci imaju iste osobine kao i X zraci ali nastaju u promenama energetskih stanja atomskog jezgra.

Svetlost kao zrak

Vidljivu svetlost najčešće predstavljamo modelom zraka, koji se prostiru pravolinijski. Ovaj model najjednostavnije opisuje prostiranje svetlosti, njenu refleksiju i prelamanje.

Transparencija, apsorpcija i refleksija svetlosti

Kada svetlosni zrak "pogodi" neki predmet može kroz njega proći (transparencija), može se od njega odbiti (refleksija) ili mu predati energiju i nestati (apsorpcija). Prilikom prelaska iz jedne u drugu optičku sredinu (vazduh - voda npr.), na graničnoj površini svetlosni zrak menja pravac prostiranja. Ovakvo ponašanje svetlosti se naziva prelamanje (refrakcija).

Apsorpcija

Za svetlost koja je svoju energiju predala nekom telu kažemo da je apsorbovana. Različite supstance apsorbuju svetlost na neki sebi svojstven način, kako po količini tako i po izboru talasnih dužina koje se apsorbuju više, odnosno manje. Ako telo nije transparentno (providno), svetlost koja na njega padne se delom apsorbuje, dok se ostatak reflektuje sa površine. Reflektovana (odbijena) svetlost će sadržati talasne dužine koje nisu apsorbovane, što definiše boju tela. Crveno telo apsorbuje sve talasne dužine svetlosti osim onih koje odgovaraju crvenoj svetlost, koja se reflektuje i stiže do naših očiju, te mi za to telo kažemo da je crvene boje.

Refleksija

Svetlost se odbija od neprovidnih tela. Ukoliko je površina tela uglačana, odbijanje se odvija po principu jednakosti upadnog i odbojnog ugla. Navedeni uglovi se određuju u odnosu na normalu na površinu, sa koje se svetlost reflektuje.

Uglačane površine koje odbijaju najveći deo upadne svetlosti nazivaju se ogledala. Ukoliko je površina sa koje se svetlost reflektuje hrapava, odbijena svetlost može imati bilo koji pravac, te kažemo da se radi o difuznom odbijanju svetlosti. Sneg odbija najveći deo upadne svetlosti, ali difuzno u svim pravcima.

Refrakcija

Pri prelasku iz jedne u drugu optičku sredinu svetlost menja pravac prostiranja. Optičke sredine su definisane brzinom svetlosti kroz tu sredinu. Za sredine kroz koje se svetlost prostire brže, kažemo da su optički ređe (vazduh npr), dok su sredine kroz koje svetlost putuje sporije optički gušće (voda npr). Veličina koja opisuje optičku gustinu neke sredine je indeks prelamanja svetlosti kroz tu sredinu. Indeks prelamanja svetlosti neke sredine je odnos brzine svetlosti u vakuumu i brzine svetlosti u posmatranoj sredini:

$$\ n=\frac{c_{0} }{c} $$

C0 je brzina svetlosti u vakuumu dok je C brzina svetlosti u posmatranoj sredini.

Kada svetlosni zrak prelazi iz optički ređe u optički gušću sredinu prelama se ka normali na graničnu površinu, dok se pri prelasku iz optički gušće u optički ređu sredinu prelama od normale na graničnu površinu.

Ugao prelamanja zavisi od talasne dužine svetlosti, te se veće talasne dužine (crvena svetlost) manje prelamaju u odnosu na manje talasne dužine (plava svetlost). Ova razlika u prelamanju dovodi do razlaganja bele svetlosti na dugine boje, pri prelasku iz jedne optičke sredine u drugu.

Totalna refleksija

Kao što je već rečeno, pri prelasku iz optički gušće u optički ređu sredinu zrak svetlosti skreće od normale. Stoga postoji neki granični ugao za koji se zrak svetlosti, prilikom skretanja od normale, vraća nazad u optički gušću sredinu. Ova pojava se naziva totalna refleksija.

Riblje oko

Gledana iz vode, za uglove veće od graničnog ugla totalne refleksije, granična površina vode i vazduha se ponaša kao ogledalo, te se celokupni pejsaž izvan vode može sagledati u krugu, oivičenom uglom totalne refleksije. Na ovaj način ribe vide svet van vode - vidokrug od 1800 sadržan je u jednom krugu. Otuda se širokougaoni objektiv za fotoaparat od 1800 zove "riblje oko".

Duga

Duga se može videti na nebu samo ako u vazduhu ima zaostalih kapi kiše a da istovremeno sija sunce. Pri posmatranju duge sunce mora uvek biti iza leđa. Efekat duge je kombinacija prelamanja svetlosti pri ulasku u kišnu kap, njene totalne refleksije od zadnje granične površine kapi i vazduha te ponovnog prelamanja pri izlasku iz kišne kapi. Prilikom oba prelamanja dolazi do razdvajanja svetlosti po talasnim dužinama (zbog zavisnosti ugla prelamanja od talasne dužine) te do posmatrača, umesto bele svetlosti stižu pojedinačne boje - duga.

Fatamorgana

Popularni izraz καda se putnicima kroz pustinju negde u daljini priviđa voda. Fatamorganu možemo primetiti po vrelom letnjem danu i kod nas. Kada gledamo put, koji se prostire ispred nas, čini nam se da se na njemu negde u daljini nalazi voda, ali kako se približavamo tom mestu "voda" se pomera sve dalje.
Po izuzetno toplom letnjem danu sloj vazduha uz vreli put postane toliko zagrejan da se ponaša kao optički ređa sredina (topao vazduh je ređi od hladnog). Vazduh iznad tog sloja se ponaša kao optički gušća sredina, te se zraci svetlosti koji dolaze od plavog neba, ako padaju pod određenim uglom, reflektuju od sloja vrelog vazduha, po principu totalne refleksije. Gledanjem puta pred sobom pod određenim uglom (na određenoj udaljenosti od posmatrača) posmatrač vidi svetlosne zrake koji potiču od neba ali su se reflektovali od sloja vazduha iznad puta kao od ogledala. Pošto se molekuli vrelog vazduha ubrzano kreću ova slika treperi i deluje kao uzburkana voda.

Sabirna sočiva

Sabirno sočivo je geometrijska konstrukcija od transparentnog materijala koja usmerava zrake svetlosti tako da kreiraju lik posmatranog predmeta. Za formiranje lika dovoljno je pratiti karakteristične zrake.

1. Zrak paralelan optičkoj osi sočiva (X), nakon prolaska kroz sočivo preseca optičku osu u tački koja se naziva žiža ili fokus (F).

2. Zrak koji prvo prođe kroz žižu (Y) pa tek onda padne na sočivo, nakon prolaska kroz sočivo putuje paralelno optičkoj osi.

3. Zrak koji prolazi kroz centar sočiva (C) se ne prelama, odnosno ne menja početni pravac.

Ukoliko se zraci svetlosti, nakon prolaska kroz sočivo seku u nekoj tački, nastaje realni lik, koji se može videti na zastoru ili ekranu. Ukoliko se zraci svetlosti, nakon prolaska kroz sočivo razilaze i udaljavaju jedan od drugog, lik se formira sa iste strane sočiva gde je i predmet, u produžetku stvarnih zraka. Ovakav lik je imaginarni lik, jer se ne može projektovati na zastor, već postoji samo kao mentalna slika.

lik (IM) predmeta (OB) je realan, jer nastaje u preseku stvarnih svetlosnih zraka. Kod sabirnih sočiva do ove situacije dolazi kada se predmet nalazi na većoj udaljenosti od žižne daljine (CO > CF1).

Lik A'B' je imaginaran jer se u tim tačkama seku produžeci realnih zraka (X i Y). Kod sabirnih sočiva do ove situacije dolazi kada je predmet na manjoj udaljenosti od žižne daljine. Ovakvo sočivo se naziva lupa.

Osim sabirnih postoje i rasipna sočiva, kod kojih se zraci nakon prolaska kroz sočivo razilaze. Za razliku od ispupčenih (konveksnih) sabirnih sočiva, rasipna sočiva su udubljena (konkavna).

Ogledala

Slično sočivima lik se može formirati i korišćenjem zakrivljenih, uglavnom sfernih ogledala. Ovom prilikom svetlosni zraci se od ogledala odbijaju, za razliku od sočiva kod kojih dolazi do prelamanja. Sferna ogledala takođe imaju žižu i mogu formirati lik, praćenjem istih karakterističnih zraka, kao i kod sočiva.

Oko

Oko je organ čula vida sposoban da reaguje na vidljivu svetlost. Princip rada oka je sličan principu rada sabirnog sočiva, šta više glavni deo oka i jeste sabirno sočivo promenljive žižne daljine. Očno sočivo pod dejstvom očnih mišića može da menja žižnu daljinu, te se kod zdravog oka realni lik kreira na mrežnjači, bez obzira na udaljenost predmeta. Glavni delovi oka su:

Rožnjača - zaštitni sloj, transparentan za svetlost, koji čuva osetljive delove oka od spoljnjih uticaja.
Zenica - otvor na oku koji reguliše količinu svetlosti koja prolazi u unutrašnji deo oka.
Očno sočivo - želatinasto sočivo promenljive žižne daljine koje fokusira upadnu svetlost na željeno mesto na mrežnjači.
Očni mišići - mišići koji menjaju oblik očnog sočiva i prilagođavaju njegovu žižnu daljinu udaljenosti predmeta.
Staklasto telo - providna supstanca koja ispunjava unutrašnjost oka.
Mrežnjača - "ekran" na kojem se formira realni lik posmatranog predmeta, bogat fotoosetljivim ćelijama, koje svetlost pretvaraju u nervne impulse.
Očni nerv - splet nerava koji nervne impulse odvodi do mozga, gde se formira mentalna slika saglasna sa likom formiranim na mrežnjači.

Normalan vid

Svetlost koja se odbila od posmatranog predmeta nosi informaciju o obliku, osvetljenosti i boji predmeta. kada stigne do oka svetlost prolazi kroz zenicu, koja se širi ili skuplja u zavisnosti od količine svetlosti koja stiže do oka. Zenica reguliše količinu svetlosti koja će proći do očnog sočiva, propuštajući optimalnu količinu svetla za formiranje lika. Očni mišići izlažu očno sočivo tenziji zbog koje ono menja žižnu daljinu, u zavisnosti od ugla pod kojim svetlost do njega stiže. Propuštena svetlost formira realni obrnuti lik na mrežnjači i inicira hemijsku reakciju razlaganja određenih proteina, što za posledicu ima generisanje električnih impulsa, koji putem očnih nerava putuju do mozga, gde se formira mentalna slika posmatranog predmeta.

Korekcija vida

Dimenzije oka, kao i sposobnost očnog sočiva da se adaptiran na udaljenost posmatranog predmeta, utiču na pojave kratkovidosti i dalekovidosti. Kratkovidost nastaje kada se lik formira pre nego što svetlosni zraci stignu do mrežnjače. Ova situacija omogućuje da se predmeti koji se naleze blizu oka vide jasno, dok se za predmete koji su udaljeni na mrežnjači formira zamućen, nefokusiran lik. Za korekciju kratkovidosti se koriste rasipna sočiva, koja paralelne zrake potekle od udaljenog predmeta usmeravaju na očno sočivo pod odgovarajućim uglom, kao da je predmet blizu, te se lik predmeta formira na mrežnjači.

Dalekovidost se javlja kada se lik formira iza mrežnjače, što se dešava za predmete koji se nalaze blizu oku. Dalekovitost može biti uzrokovana anomalijama u dimenzijama oka i može se javiti u bilo kojoj starosnoj dobi. Posle četrdesete godine očni mišići i očno sočivo gube deo svoje elastičnosti, te oko više ne može da se adaptira na bliske predmete. Korekcija dalekovidosti vrši se korišćenjem sabirnih sočiva, koja zrake od bliskih predmeta koriguju i šalju pod odgovarajućim uglom na očno sočivo.

Polarizacija svetlosti

Električno i magnetno polje u prirodnoj, nepolarizovanoj svetlosti, osciluju u svim mogućim ravnima (koje su međusobno normalne i istovremeno normalne na pravac prostiranja svetlosti). Posebni materijali imaju sposobnost propuštanja samo one svetlosti, čiji vektor električnog polja osciluje u nekoj određenoj ravni. Tako dobijena svetlost se naziva polarizovana svetlost, a materijal koji je filtrira - polarizator. Ukoliko na put polarizovane svetlosti postavimo još jedan isti takav materijal (analizator), intenzitet propuštene svetlosti zavisiće od ugla između ravni polarizacije svetlosti i pravca polarizacije analizatora. Zakretanjem analizatora kontroliše se intenzitet propuštene svetloasti.

Ovaj efekat koristise kod LCD (liquid crystal display) televizora i sličnih ekrana. Ravan polarizacije svakog pixel-a može se kontrolisati odgovarajućim električnim signalom, čime se kontroliše intenzitet propuštene svetlosti. Pozadinsko nepolarizovano svetlo (LED ili fluo cevi) prolazi prvo kroz kolor filtere, da bi se potom izvršila polarizacija, propuštanjem kroz polarizator (horizontalni filter). Tako polarizovana svetlost prolazi kroz slojeve tečnog kristala, gde se zakreće ravan polarizacije svetlosti za ugao srazmeran nivou signala dovedenog na pixel. Intenzitet svetlosti koju propusti analizator (vertikalni filter) u direktnoj je srazmeri sa uglom zakretanja ravni polarizacije.

3D filmovi snimaju se pomoću dve kamere, koje su u potpunosti sinhronizovane. Svaka kamera snima malo drugačiju scenu, kao što i levo oko vidi malo drugačiju sliku od desnog. Ovo je osnov stereoskopskog viđenja, koje omogućuje mozgu da kreira utisak trodimenzionalnosti. Prilikom reprodukcije 3D filmova koriste se polarizirajuće naočare. Sve što je snimila jedna kamera emituje se pomoću horizontalno polarizovane svetlost, a sve što je snimila druga pomoću vertikalno polarizovane svetlosti. Na jednom oku se nalazi vertikalni analizator a na drugom horizontalni, te levo oko posmatra snimak leve kamere a desno oko snimak desne kamere. Na osnovu male razlike u opažaju levog i desnog oka, mozak kreira trodimenzionalnu mentalnu sliku.

Rasejanje svetlosti - zašto je nebo plavo

Svetlost putuje pravolinijski, sve dok ne naiđe na neku prepreku, a tada može biti apsorbovana, može se reflektovati ili jednostavno proći kroz prepreku. Kada po ulasku u atmosferu svetlost naiđe na čestice prašine ili kapljice vode (koje su mnogo veće od talasnih dužina svetlosti) svetlost se reflektuje u svim pravcima. Sve talasne dužine se ravnopravno reflektuju, tako da svetlost zadržava svoju izvornu boju. Molekuli gasa su manji od talasnih dužina svetlosti, te se stoga i ponašaju drugačije. Kada svetlosni zrak "pogodi" neki molekul gasa u atmosferi, deo te svetlosti može biti apsorbovan, ali samo privremeno. Molekul ubrzo emituje istu svetlost (ista boja) koju je i apsorbovao ali u proizvoljnom pravcu u odnosnu na upadni zrak. Verovatnoća apsorpcije i reemisije svetlosti zavisi od talasne dužine i najveća je za talasne dužine koje odgovaraju plavoj svetlosti. Ovaj proces se naziva Rejlijevo ( Rayleigh) rasejanje.

Direktna Sunčeva svetlost, koja dopire do Zemlje, sadrži gotovo sve talasne dužine ravnopravno, te se ukazuje kao bela. U Sunčevoj svetlosti, koja se rasejala u gornjim slojevima atmosfere, preovlađuje plava boja, za koju je verovatnoća Rejlijevog rasejanja najveća. Otuda nebo doživljavamo kao plavo.

Predveče sunčevi zraci prolaze duži put kroz atmosferu, pre nego što stignu do površine Zemlje. Na tom putu veći deo plave svetlosti se raseje, te u snopu direktne sunčeve svetlosti preovladava crvena boja, koja se najslabije rasejava. Otuda sunce u to doba dana poprima crvenkastu boju, zajedno sa svim objektima na zemlji koje obasjava.