Optica

Optica este o ramura a fizicii, care studiaza producerea luminii, propagarea si interactiunea acesteia cu substanta. Ea cuprinde atat fenomenele datorate radiatiilor vizibile (cu lungimea de unda cuprinsa intre 400 nm si 750 nm), cat si cele datorate, radiatiilor ultraviolete si infrarosii.
Optica se imparte in trei mari capitole:
- optica ondulatorie in care se releva caracterul ondulatoriu al luminii: propagarea, interferenta, difractia, polarizarea luminii, etc.;
-optica fotonica in care apare pregnant natura corpusculara a luminii: efectul fotoelectric, efectul Compton, absorbtia luminii, etc.;
- optica geometrica care foloseste notiunea de raza de lumina, neluand in considerare natura luminii.

Legile fundamentale ale opticii geometrice

Inca din antichitate se considera ca proprietatea fundamentala a luminii este propagarea ei rectilinie intr-un mediu transparent si omogen. Aceasta proprietate poate fi studiata folosind notiunea de raza de lumina.
Raza de lumina este un model pentru ca nu reprezinta un aspect fizic al fenomenului luminos, ea este o notiune abstracta, fiind conceputa ca o linie geometrica. Raza de lumina se reprezinta printr-un segment de dreapta, determinat de drumul luminii si prevazut cu o sageata care indica sensul luminii.
Faptul ca raza de lumina este un model se explica in felul urmator: ori cat de mica ar fi diafragma nu se poate obtine o raza de lumina, deoarece la dimensiuni mai mici sau comparabile, ca ordin de marime, cu lungimea de unda a radiatiei folosite, apare fenomenul de ocolire aparenta a obstacolului numit difractie. Orificiul se comporta ca o noua sursa de lumina conform principiului lui Huygens (Orice punct de pe suprafata de unda poate fi considerat ca o sursa secundara, astfel incat infasuratoarea - suprafata tangenta la suprafetele elementare - tuturor undelor elementare este suprafata de unda la un moment ulterior). Asadar in practica se obtine un ansamblu de raze luminoase, numit fascicul. Fasciculul poate sa fie:
a)conic, omocentric, sau izogen cand suportul fiecarei raze de lumina componente a fasciculului trece prin acelasi punct numit varful fasciculului. Un fascicul conic este divergent cand razele sale pleaca din varful conului, de exemplu sursele de lumina dau fascicule conice divergente. Un fascicul conic este convergent cand sensul razelor este spre varful conului, de exemplu condensatorii (sistem de lentile de distanta focala mica - doua lentile plan convexe -) dau fascicule conice convergente.
b)cilindric, daca varful fasciculului este la infinit. In plan se numeste fascicul paralel.
Formarea umbrei si penumbrei, formarea imaginilor prin instrumentele optice, alinierea obiectelor prin vizare etc. au la baza urmatoarea lege:
Intr-un mediu transparent si omogen lumina se propaga in linie dreapta.
Camera obscura din figura este o cutie cu pereti interiori inegriti, avand un orificiu, O, prin care poate trece lumina de la un obiect luminos ce formeaza pe peretele opus imagiea rasturnata a obiectului, pentru ca in orificiul O este montata o lentila convergenta. Daca se obtureaza fasciculul ce provine din extremitatea A, se constata ca fasciculul BB' nu sufera nici o modificare. Cu alte cuvinte, fiecare din fasciculele care se intretaie in O isi pastreaza individualitatea nefiind perturbat de prezenta celorlalte. Acest exemplu exprima urmatoarea lege:
Parcursul unei raze de lumina este independent de actiunea altor raze.
Experimental se constata ca drumul unei raze de lumina nu depinde de sensul ei de propagare, aceasta afirmatie constituie principiul reversibilitatii drumului razelor de lumina.
Principiul lui Fermat
Lumina se propaga in medii omogene transparente de-a lungul unor drepte. In medii neomogene raza de lumina descrie o traiectorie curba.
Principiul lui Fermat se enunta in felul urmator:
Timpul necesar razei de lumina ca sa parcurga distanta dintre doua puncte are valoare minima pentru traiectoria reala.
Fie punctul A intr-un mediu cu indice de refractie n₁ si punctul B intr-un mediu cu indice de refractie n₂, timpul necesar pentru a parcurge acest drum este:
t = AI/v₁ + IB/v₂ |·c
c·t = [c/v₁]AI + [c/v₂]IB
n₁ = c/v₁ si n₂ = c/v₂, iar l = c·t
l =n₁ ·AI + n₂·IB
l → drumul parcurs de lumina in vid in acelasi timp cu drumul parcurs de lumina in cele doua medii intre A si B, se numeste drumul optic total.
Produsul dintre lungimea drumului parcurs de lumina intr-un mediu si indicele de refractie a acelui mediu se numeste drumul optic al luminii in acel mediu. Se noteaza (AI) = n₁ ·AI, respectiv (IB) = n₂·IB
Cand lumina trece dela A la B prin i medii, atunci
l = n₁ ·s₁ + n₂·s₂ + ... + n_i ·s_i = Σn_i ·s_i
Generalizand se obtine:
l = ∫ n·ds
Principiul lui Fermat se mai poate enunta si sub forma:
Drumul optic este minim de-a lungul traiectoriei reale.
Conform principiului lui Fermat, lumina parcurge intre doua puncte acel traseu care corespunde unui drum optic total minim.

Fenomenul de imprastiere a luminii poate fi explicat foarte usor, daca se considera ca lumina este o unda electromagnetica in care toate efectele luminii sunt produse de oscilatiile sinusoidale ale vectorului camp electric.
Sub actiunea campului electric electronii legati din atomii sau moleculele mediului strabatut executa oscilatii fortate cu aceeasi frecventa ca si frecventa luminii incidente.
Amplitudinea oscilatiilor fortate ale electronilor este cu atat mai mare cu cat frecventa campului electric este mai apropiata de frecventa proprie a electronilor din atomii si moleculele mediului strabatut (la rezonanta).
Frecventa proprie a electronilor in atomi si molecule este de obicei in regiunea corespunzatoare luminii violete si ultraviolete.
Electronii aflati in miscare oscilatorie emit cu atat mai multa energie sub forma de radiatie cu cat frecventa de oscilatie este mai apropiata de frecventa de rezonanta.
Lumina naturala se compune din mai multe radiatii colorate de la rosu pana la violet. Componenta albastra a luminii naturale are frecventa mai apropiata de frecventa proprie a electronilor din atomi si molecule ca urmare electronii vor emite mai multa lumina albastra la care se adauga lumina incidenta.
Rezulta ca lumina transmisa va avea culoarea luminii naturale la care se adauga lumina albastra, astfel ca cerul pare albastru. La apus si la rasarit lumina emisa de soare are de strabatut in atmosfera o distanta mai mare, iar lumina albastra este puternic imprastiata. Inseamna ca din lumina naturala transmisa lipseste lumina albastra, astfel ca cerul pare mai rosiatic. Daca lumina solara din care s-a extras componenta albastra cade pe un nor, lumina reflectata de nor catre observator are o nuanta de galben spre rosu. Daca nu ar exista atmosfera, soarele ar aparea negru, mai putin atunci cand privim direct in soare. In aceste conditii, daca un astronaut ar privi Pamantul din cosmos ar aparea negru, nu albastru.