IX.
FÉNYJELENSÉGEK
Mi a fény? Mindennapi életünkben talán a legközönségesebb természeti jelenség a fény. Minden gondolkodó ember meg van győződve nagy jelentőségéről. A rajtunk kívül levő világról elsősorban fény közvetítésével szerzünk tudomást. Nagyon jellemző a régi görögök felfogása: a fényt a látószervből kinyúló csápoknak gondolták el, felfogásuk szerint ezzel tapogatjuk végig a körülöttünk levő tárgyakat. A gondolkodó ember azt is tudja, hogy az égitestek, távoli világok egyetlen hírnöke a fény. A tudomány emberei már régi időktől kezdve alaposan kifaggatták a csillagoknak ezt a hírnökét, és már eddig is igen sokat tudtak meg tőle a mérhetetlen távolságokban lévő világokról. A tudósok azonban nemcsak a fényhírnök híreire kíváncsiak, hanem hosszú ideje foglalkoztatja őket magának a hírnöknek a mivolta is. Kutatták és kutatják most is, hogy mi a fény. Az elméleti fizika legmélyebb problémái kapcsolatosak ezzel a kérdéssel. A 17. században két komoly elmélet keletkezett a fény mibenlétéről: NEWTON a fényt olyan fínom anyagnak gondolta el, amelyet a fénylő testek kilövelnek magukból, kortársa, a holland HUYGENS pedig lökésszerű mozgás igen gyors tovaterjedésével magyarázta a fényt. Gondoljunk el pl. egyenes sorban sok, szorosan egymás mellé illesztett, egyenlő nagyságú rugalmas golyót (120. kép). Ha a legutolsót nekilökjük a szomszédjának, az
120. kép. Lökés terjedése a golyósoron.
egész golyósor láthatóan nem változik meg, csak a sor másik végén az utolsó golyó szalad el. Ilyenféleképen képzelte el Huygens kemény és igen rugalmas anyagban a fénylökés tovaterjedését. Emek az elméletnek későbbi fejlesztői szabályosan ismétlődő lökések, vagyis rezgések terjedésével magyarázták a fényt, és ezzel a fény terjedésével kapcsolatos jelenségeket kivétel nélkül meg tudták magyarázni. A rezgések terjedése, mint már a hangjelenségek köréből ismerjük, a hullámzás. Amennyiben a fény terjedéséről van szó, ma is minden jelenséget hullámzással magyarázunk, csak a fény keletkezését és eltűnését nem. A 17. században elkeseredett vita folyt Newton és Huygens hívei között. A két elmélet közül csak egy évszázad mulva került ki győztesen a hullámelmélet. A mai elméleti fizika egyik főproblémája a fény keletkezése és eltűnése.
Ez a rövid kis történeti visszapillantás is mutatja, hogy a fény mibenlétének kutatása a legmélyebb gondolkodókat foglalkoztatta és ma sem mondható megoldott kérdésnek. A gyakorlati embert a fény terjedése érdekli elsősorban, ha tehát a gyakorlati élet fényjelenségeit vizsgáljuk, a fényt hullámzásnak kell elgondolnunk. Tudjuk, hogy a hang is hullámmozgás. A hangjelenségek körében mindig tudjuk azt, hogy mi hullámzik, pl. a kifeszített húr, vagy a levegő, stb. A fényhullámzás nem anyagban történik. Sok fejtörést okozott már a tudósoknak az a kérdés, hogy a fényben mi hullámzik. Leghelyesebb, ha ezt a kérdést teljesen kikapcsoljuk. Elgondolható a hullámzás anélkül, hogy a hullámzó közegre gondolnánk.
Fénysugarak. A fény hullámszerű terjedésével sok jelenséget meg tudunk magyarázni. Alapul vehetjük a víz felületén terjedő hullámokat, s az ott tapasztaltakat átvihetjük a fényjelenségekre. A vízfelületi hullámokat, azok hullámhegyeit és hullámvölgyeit közvetlenül láthatjuk, a fényhullám azonban már azért is észrevehetetlen, mert igen rövid: hullámhosszúsága a milliméter tízezredrészének rendjébe esik.
Sokszor láthatjuk azonban a fényhullámok terjedésének útját, vagyis a fénysugarat. Ha a szoba levegőjében sok a por, oldalról nézve jól láthatjuk az ablakon behatoló napfényt. A napfény a szoba levegőjében lebegő porrészecskéket megvilágítja, és így a fény útja láthatóvá válik. Különösen jól látható a fény útja akkor, ha az ablakredőny keskeny résein át szűrődik be a napfény. Azt tapasztaljuk, hogy a fény útja, vagyis a fénysugár egyenes vonal. A vízfelületi hullámokhoz nekünk kell a hullámok sugarát mindenütt a hullámokra merőlegesen elképzelnünk. Az egy pontból kiinduló körhullámok sugarai a körök sugaraival azonosak. Ezek széttartó sugarak. A párhuzamos egyenesekben terjedő hullámok sugarai ezekre az egyenesekre merőleges vonalak, vagyis az ilyen hullámok sugarai párhuzamos sugarak. A napfény sugarai párhuzamos sugarak. A kis kiterjedésű fényforrásból (gyertyalángból, kicsi izzólámpából) minden irányban sugarasan terjed a fény, az ilyen fénysugarak széttartók.
A fény visszaverődése. A vízfelületi hullámok visszaverődési törvénye a fényre is igaz: a visszavert fénysugár ugyanakkora szöget zár be a beesési merőlegessel, mint a beeső fénysugár.
A vízfelületi hullámok akkor verődnek vissza, ha valamilyen akadályba, pl. a kád falába ütköznek. A fényre nézve akadály az át nem látszó anyag. Itt azonban két eset lehetséges. A teljesen sima felületű akadályról a visszaverődés törvényének megfelelően meghatározott irányban verődik vissza a fénysugár; ez a tükrös visszaverődés, a visszaverő-
felület a tükör. Érdes felületű test a beeső fényhullámokat mindenféle irányban visszaküldi; ez az igen általános jelenség a fényszóródás. A körülöttünk levő tárgyakat azért látjuk, mert felületükről a fény szétszóródik. Mivel a fény minden elgondolható irányban szétszóródik, az érdes felületű tárgyat bármilyen irányból látjuk. Szobáink egyes részeit a falról, bútorokról szétszórt fény világítja meg.
121. kép. Fényszóródás zárt doboz belsejében.
Készítsünk téglaalakú zárt dobozt, két kisebb szemben levő lapja legyen üvegből, a többi négyet fessük be belülről feketére és glicerinréteggel is vonjuk be, hogy a legfinomabb porrészecskék is rátapadjanak (121. kép). Egy-két nap mulva a doboz belsejében teljesen pormentessé válik a levegő. Bocsássunk a doboz üvegfalán át párhuzamos fénysugarakat (pl. napfényt): az üvegablakon át belenézve, a doboz belsejét sötétnek látjuk. Ha azonban a doboz belsejében a fénysugarak útjába fehér lapot teszünk, a lap és a doboznak a lap
|
megvilágított oldala felé eső része világos. A fénysugár a teljesen pormentes levegőben láthatatlan. Akár az ablakon át bejövő napfény, akár lámpáink világítják meg szobáinkat, annál világosabbak, minél világosabbak a falak és bútorok felületei. A fekete vagy sötét felületek, még ha érdesek is, nem szórják szét a fényt, hanem elnyelik. A tükrös visszaverődésnek következménye a tükörkép keletkezése. Ennek megértése céljából térjünk vissza a lapos kádban keltett vízfelületi hullámokra. Ujjunk bemártásával |
122. kép. Körhullámok visszaverődése sík felületről. |
indítsunk A pontban körhullámokat (122. kép). A kád egyenes vonalú széléről körhullámok verődnek vissza és úgy terjednek, mintha a kádon kívül fekvő B pontból indulnának ki. Hasonlóképen ha síktükör előtt valamilyen fényforrás, pl. gyertya van, a tükörről visszavert fényhullámok úgy terjednek, mintha a tükör mögül jönnének. Szemünk tükörképet lát azon a helyen, ahonnan a visszavert fénysugarak kiindulni látszanak. A legjobb tükör a simára csiszolt fémfelület. Ma többnyire ezüstözött üveglapot használnak tükörnek. Gyengén maga az átlátszó üveglap is tükröz. Állítsunk fel függőlegesen egy üveglapot és tegyünk eléje égő gyertyát, a tükör mögé pedig ugyanakkora nem égő gyertyát. Nézzünk az üveglapra mint tükörre és toljuk el közben a nem égő gyertyát arra a helyre, ahol az égő gyertya tükörképét látjuk. Meg-
győződhetünk arról, hogy a tükörkép ugyanakkora távolságban van a tükör mögött, mint a fényforrás a tükör előtt, és az összekötővonal merőleges a tükör felületére. A síktükör nemcsak fényforrásnak, hanem akármilyen megvilágított tárgynak tükörképét adja.
Adjunk a víztartó kád egyik oldalának domborúan görbült alakot (123. kép). A kád közepén A pontban indított kör-
123. kép. Körhullámok visszaverődése domború felületről.
hullámok a kádnak mind a négy oldaláról visszaverődnek, s a domborúan görbült oldalról visszavert körhullámok a többihez képest jóval erősebben görbültek, elképzelt középpontjuk (B) közelebb esik a visszaverő felülethez, mint az eredeti hullámok kiindulópontja. Ezzel szemben akármelyik sík felületről visszavert hullám középpontja (pl. C) szimmetrikusan fekszik az A ponthoz képest. A domború felületről visszavert hullámok középpontja a tükröző felülethez közel fekvő tükörkép. Ugyanilyen jelenséget tapasztalunk akkor, amidőn a fény domborúan görbült tükörről verődik vissza. Ha domború tükörbe nézünk, az előtte levő tárgyaknak kicsinyített tükörképét látjuk közel a tükörhöz. A domború tükör tükröző felülete többnyire gömbfelületnek a része; az ilyen tükröt gömbtükörnek nevezik. A gépkocsikra szerelt domború gömbtükörben a kocsi vezetője a mögöttes terepet jól áttekintheti.
124. kép. Körhullámok visszaverődése homorú felületről.
A tükrös visszaverődés harmadik esete a visszaverődés homorú felületről. Vízfelületi hullámokkal ezt az esetet úgy valósíthatjuk meg, hogy a kád egyik oldalának homorúan görbült alakot adunk, és a kád közepe táján A pontban körhullámokat indítunk (124. kép). Ha elég erősen görbült a kád széle, akkor a visszatérő körhullámok középpontja nincs a visszaverő fal mögött, hanem jóval előtte van B pontban. A rajzon O pont a visszaverő körívnek a középpontja. Változtassuk az eredeti körhullámok A kiindulópontjának a helyét. Ha O ponthoz közelebb indítjuk a hullámokat, a visszavert hullámok B középpontja is O pont felé közeledik, az O pontban indított hullámok úgy verődnek vissza, hogy középpontjuk O pontba esik. Ha az eredeti hullámközéppont az O pontnál is távolabb van a homorú visszaverő faltól, akkor a visszatérő körhullámok középpontja O pont és a visszaverő fal közé esik. Mindezeket az eseteket az jellemzi, hogy a visszatérő körhullámok a terjedés irányában nézve homorúak, tehát a megfelelő hullámsugarak összehajlók, metszéspontjuk
ban van a képpont. Az ilyen sugarakat összetartó sugarak nak nevezik.
A homorú gömbtükör az előtte levő fényforrásról, vagy bármilyen megvilágított tárgyról jövő fénysugarakat összetartóan veri vissza, s így azok a tükör előtt találkoznak. A sugarak találkozásának helyén keletkező képei fehér ernyőn láthatjuk, anélkül, hogy a tükörbe kellene néznünk. Az ilyen képet valódi képnek nevezzük. A síktükörbe és domború tükörbe nézéskor a tükör mögött látszó kép a látszólagos kép. Homorú gömbtükör is ad látszólagos képet, és pedig akkor, ha a tárgy igen közel van a tükörhöz. Ha a víztartó kád egyik oldalfala homorú és ehhez közel indítunk körhullámokat, a visszatérő hullámok lehetnek a terjedés irányában domborúak, ez az eset tehát a látszólagos tükörképnek felel meg. Ha valamilyen akadályról visszavert hullámsugarak széttartók, akkor látszólagos tükörkép keletkezik, ha pedig összetartók, akkor a kép valódi. A látszólagos képet csak az látja, aki belenéz a tükörbe, a valódi képet a fehér ernyőn bárki láthatja. A homorú tükörben látott látszólagos kép nagyított. Homorú tükröt használnak beretválkozáshoz, fog- és gégetükörnek. A homorú tükörrel létesített valÓdi kép a tükör és a tárgy viszonylagos helyzete szerint különböző méretű lehet: ha a tárgy a gömbtükör gömbi középpontjáben van, akkor a kép ugyanakkora, mint a tárgy; ha ennél közelebb van a tárgy a tükörhöz, akkor a kép messzebb keletkezik és nagyított; ha pedig a tárgy nagyobb távolságban van a tükörtől, akkor a kép közelebb van és a tárgynál kisebb. Mindegyik esetben csak meghatározott helyen kapunk éles képet. Homorú tükör van a fényszórókban. A tükör közelében levő fényforrásból kiinduló széttartó sugarakat a tükör kb. párhuzamossá teszi, s meghatározott irányban küldi ki.
A fény törése. A fény az egyes átlátszó anyagokban különböző sebességgel terjed. Pl. a vízben 3/4-szer, az üvegben 2/3-szor terjed lassabban, mint a levegőben. A fény külön-
|
125. kép. A fénytörés és magyarázata. |
böző terjedési sebességének gyakorlati szempontból fontos következményei vannak. Ha a fény egy másik átlátszó anyagba hatol be, az eltérő terjedési sebesség miatt irányt változtat. Ezt a következő példa magyarázza meg. Gondoljunk nyilt terepen széles arcvonalon előnyomuló hadoszlopra. Az arcvonal a menetirányra merőleges. Tegyük fel, hogy a hadoszlop gyepes területen gyors lépésben halad előre, majd egy felszántott területnek a menetirányhoz képest ferdén húzódó határvonalához érkezik (125. kép). A felszántott földön jóval lassúbb az előnyomulás. Az arcvonal jobb széle A pontban éri el a rossz terepet, majd fokozatosan később az arcvonal többi része, B pontban az arcvonal balszéle is eléri azt; ekkor azonban az arcvonal jobb széle C pontba jutott el. Innen kezdve az egész arcvonal a rossz terepen nyomul előre csökkentett sebességgel és megváltozott irányban. Az eredeti irány visszaállítása úgy lehetséges kanyarulattal, hogy az arcvonal jobb széle egy ideig gyorsabban menetel. Ez a példa világosan mutatja, hogy, ha meg akarják tartani az egyenes arcvonalat és az arcvonal egyik része sem halad nagyobb sebességgel, mint amit a terep megenged, akkor a másik terepen az előnyomulás irányának meg kell változnia.
|
Ugyanez a meggondolás érvényes a fényhullám terjedésére. A menetelő hadoszlopnak párhuzamos fénysugárnyaláb, az egyenes arcvonalnak a fényhullám mint síkhullám felel meg. A gyepes terület a levegőnek, a felszántott rossz terep pl. az üvegnek felel meg. Az üveg határfelületére ferdén beeső fénysugárnyaláb az üvegben más irányban terjed tovább, mégpedig a beesési merőleges felé hajlik el (126. kép). Ezt a jelenséget fénytörésnek nevezzük. A merőlegesen beeső fénysugár irányváltozás nélkül halad tovább. Minél ferdébben éri a fénysugár az üveg határfelületét, annál nagyobb az irányváltozás. |
126. kép. A fénytörés és magyarázata. |
A fény terjedési sebessége. A fény terjedési sebessége óriási nagy. Először a 17. század második felében csillagászati módszerrel RÖMER dán fizikus határozta meg, később laboratóriumi kísérletekkel is megmérték. A mérések eredménye szerint a fény a légüres térben és közelítőleg a levegőben is másodpercenként 300000 km-t, üvegben 200000
km-t, vízben 225000 km-t tesz meg. Földünket egy másodperc alatt hétszer futná körül a fény, ha körpályán haladna. A Holdról kb. egy másodperc alatt, a Napról 500 másodperc alatt jut el hozzánk.
127. kép. A kép eltolódása fénytöréskor.
Szemünknek megvan az a tulajdonsága, hogy a tárgyat olyan helyen levőnek látja, amilyen irányban a tárgyról jövő fénysugarak közvetlenül a szembe hatolnak. Ezzel magyaráztuk a látszólagos tükörképek keletkezését. A fénytörés is megváltoztatja a fénysugár irányát, tehát fénytöréskor sem látjuk a tárgyat eredeti helyén. Ha pl. egy edény aljára pénzdarabot teszünk, és úgy helyezkedünk el az edény szélénél, hogy a pénzdarabot ne lássuk, víz beöntése után szemünk elmozdítása nélkül a pénzdarab láthatóvá válik (127. kép). Az A pontból kiinduló fénysugarak úgy törnek meg a víz és a levegő határfelületén, hogy meghosszabbításuk a magasabban fekvő B pontban van, szemünk tehát az A pontban levő tárgyat B pontba képzeli. A különböző sűrűségű levegőrétegekben némileg változik a fény terjedési sebessége, mégpedig a Föld felszíne közelében a sűrűbb levegőrétegben a terjedési sebesség kisebb, mint a magasabb, ritkább levegőrétegben. Ennek az a következménye, hogy az alacsonyabban levő égitestekről a levegőn át görbült pályán jut a fény a Föld felszínére (128. kép). Ezért pl. a lenyugvó Napot még akkor is látjuk, amikor már a látósík alatt van. Erre a légköri sugár-
128. kép. Fénysugár törése a légkörben.
törésre minden csillagászati megfigyelésben tekintettel kell lenni.
|
Ha párhuzamos síklapokkal határolt üveglemezen halad át fénysugár, kétszer törik meg: mikor belép az üvegbe és mikor kilép. Amennyivel belépéskor a beesési merőlegeshez közeledik, ugyanannyival távolodik tőle a kilépéskor, ezért a kilépő fénysugár az eredeti fénysugárral párhuzamosan eltolódik (129. kép). Erről úgy lehet könnyen meggyőződni, hogy vastag üveglemezt ferdén írás fölé tartunk. A fény útja minden törés alkalmával megfordítható, vagyis pontosan az ellenkező irányban is terjedhet. |
129. kép. Fény útja üveglapon át. |
Fénytani lencsék. A fénytörést is felhasználhatjuk arra, hogy a párhuzamos és a széttartó sugarakat összetartókká tegyük, és így a homorú tükörhöz hasonlóan valódi képeket létesítsünk. Bevezetésül szolgáljon a következő kísérlet vízfelületi hullámokkal. A víztartó kádban bemerülő deszkával egyenes vonalú párhuzamos hullámokat keltünk. Tudjuk, hogy ezek a síkhullámoknak, illetőleg a párhuzamos sugaraknak felelnek meg. Tegyünk a vízbe két körívvel határolt, lencse alakú üveglemezt. A kádban legyen annyi víz, hogy az üveglemezt nehány milliméternyire elborítsa. Az üveglemez két oldalán elhelyezett deszkalapokkal a hullámok
|
terjedését oldalt megakadályozzuk (130. kép). Az üveglemez felett a sekélyebb vízrétegben a hullámok lassabban terjednek, tehát a lemez középső, széles része fölött terjedő hullámok jobban elmaradnak, mint a lemez szélei fölött terjedő hullámok. Ennek az a következménye, hogy a hullámok az üveglemez fölött homorú ívekben meggörbülnek, sugaraik tehát összetartókká válnak, F pontban találkoznak, s onnét széttartóan haladnak tovább. Ugyanilyen hatása van a gömbfelületekkel határolt üvegtestnek a fénysugarakra. A két domború gömbfelülettel határolt üvegtestet gyűjtőlencsének nevezik. Lehet az egyik határoló felület síklap, sőt homorú gömbfelület is, csak a lencse közepe legyen vastagabb a szélénél. A gyüjtőlencsére beeső párhuzamos fénysugárnyaláb a lencséből összetartóan lép ki. Jól ismeretes az a jelenség, hogy az üveglencsén át vezetett napsugarak közel egy pontban gyűlnek össze (131. kép F). Ebben a pontban a napsuga- |
130. kép. Lencsealakú akadály hatása a hullámokra. |
131. kép. Párhuzamos fénysugarak törése üveglencsén.
raknak gyujtó hatásuk is van: a vékony papírt megpörkölik. Méltán nevezhetjük gyujtópontnak azt a pontot, amelyben a gyűjtőlencsén át haladó, eredetileg párhuzamos sugarak találkoznak. A fény útja itt is megfordítható, ha a gyujtópontba kis kiterjedésű, pontszerű fényforrást teszünk, akkor a belőle kiinduló széttartó fénysugarak a lencséből kilépve párhuzamosakká válnak. Ha a pontszerű fényforrást – pl. kis izzólámpát – a gyujtóponton túl másutt helyezzük el (132. kép A pontjában), a széttartó fénysugarak összetartókká válnak, a lencse túlsó oldalán egy pontban (B) találkoznak, majd ismét széttartóan haladnak tovább. Az összetartó fénysugarak találkozási helyén valódi kép keletkezik. A gyujtópont a lencséhez tartozó jellemző pont, távolságát a lencse közepétől gyujtótávolságnak mondják. A gyujtótávolság a lencse méreteitől, a határoló gömbfelületek görbültségétől és a lencse anyagától függ.
132. kép. Széttartó fénysugarak törése üveglencsén.
Ha a fényforrás, vagy megvilágított tárgy a gyujtótávolságnál közelebb van a gyűjtőlencséhez, akkor az onnan kiinduló széttartó sugarak a lencsén áthaladva megmaradnak széttartó sugaraknak, de kevésbbé széttartók, mint a lencse előtt (133. kép). Ha az ilyen helyzetű tárgyra nézünk a lencsén át, a tárgyat nem eredeti helyén, A pontban, hanem a távolabbi B pontban látjuk. Ilyenkor tehát látszólagos kép keletkezik, s ez a kép tapasztalás szerint nagyobb a tárgynál.
133. kép. Látszólagos kép gyüjtőlencse mögött.
A gyűjtőlencse ehben a szerepében különösen becses eszköz: egyszerű nagyító. A gyűjtőlencse annál jobban nagyít, minél erősebben görbült felületei vannak, vagyis minél rövidebb a gyujtótávolsága. Ha a lencse gyujtótávolságát méterben fejezzük ki és annak megfordított értékét vesszük, a dioptriaszámot kapjuk. A kétdioptriás lencse gyujtótávolsága 1/2 méter.
|
134. kép. Fénysugarak törése szórólencsén. |
A különböző eseteket összefoglalva azt mondhatjuk, hogy a gyűjtőlencse a rajta áthaladó fénysugarakat összetartóbbakká teszi. A gyűjtőlencse ellentéte, a szórólencse a rajta áthaladó sugarakat széttartóbbakká teszi. (134. kép). A szórólencsét általában homorú gömbfelületek határolják, közepe vékonyabb, mint a széle. Ha a szórólencsén átnézünk, a mögötte levő tárgynak kicsinyített, látszólagos képét látjuk. |
|
Látószervünk. Látószervünknek, a szemnek működésében is a fénytörésnek van szerepe. A szemben gyűjtőlencse van a gyűrűalakú szivárványhártya mögött, az u. n. kristálylencse, ezenkívül kocsonyaszerű átlátszó anyag tölti ki a szemgolyó belsejét, s az elülső kemény szaruhártya és a szivárványhártya között is átlátszó fénytörő anyag van: a csarnokvíz (135. kép). Mindezek a fénytörő anyagok a szembe belépő fénysugarakat összetartókká teszik. A szemgolyó legbelső hártyáján a látóideg végződései terülnek szét; ez az ideghártya (retina). Az ideghártyának legérzékenyebb része a szem tengelyének metszésében levő sárgafolt (a). Ha valamilyen tárgyat élesen megfigyelünk, a róla jövő széttartó suga- |
135. kép. A szem keresztmetszete. |
rakat a szem fénytani berendezése a sárgafolton gyűjti össze, mégpedig a tárgy egyes pontjaiból érkező fénysugarak a sárgafolt különböző pontjaiban találkoznak, tehát különböző idegvégződéseket ingerelnek, ezért a tárgy egyes részeiről különálló benyomásokat kapunk. Nyilvánvaló azonban, hagy a különböző távolságban levő tárgyakról érkező fénysugarak nem találkozhatnának ugyanazon a helyen, a sárgafolton, ha a szem fénytani berendezése változatlan maradna, márpedig az éles látásnak feltétele a sugarak találkozása a sárgafolton. Látószervünk azonban különböző távolságokra tud alkalmazkodni. Megfelelő izmok segítségével a szem lencséje szükség szerint megváltoztatja domborúságát. Ha közeli tárgyat akarunk élesen megfigyelni, akkor szemlencsénk domborúbbá lesz, gyujtótávolsága megrövidül, s így a közeli tárgyról jövő, erősen széttartó fénysugarakat is a sárgafolton gyűjti össze. A szemnek ez a tulajdonsága az alkalmazkodóképesség. A rendes szem megerőltetés nélkül kb. 25 cm távolságig tud alkalmazkodni; ez a tiszta látás távolsága. A másik irányban bármilyen nagy távolságra élesen lát. A rövidlátó szem még kisebb távolságra is tud alkalmazkodni, de a nagyobb
távolságok felé korlátozott az alkalmazkodása. A rövidlátó szem tehát nagyon erősen gyűjti össze a sugarakat, ezért javítására szórólencsét használnak. Van olyan szem, amelynek közelpontja 25 cm-nél jóval távolabb van. Az ilyen távollátó szem fénytani berendezése az erősebben széttartó sugarakat nem tudja a sárgafolton összegyűjteni, ezért gyűjtőlencsével javítják. Idősebb korban az alkalmazkodóképesség általában gyengül, ezért a rendes szemű ember idővel rendszerint távollátóvá válik és gyűjtőlencsét használ szemüvegnek.
Összetett nagyító. A sokféle fénytani eszközt többnyire tükrökből és lencsékből állítják össze. Fontos fénytani eszköz az összetett nagyító és a távcső.
Az összetett nagyító (mikroszkóp) szabad szemmel nem látható, igen kicsi tárgyak megfigyelésére való. A megvizsgálandó tárgyat jól meg kell világítani. A tárgy rendszerint két vékony üveglemez közé foglalt igen vékony metszet. Az összetett nagyító lényegében két gyűjtőlencséből áll (136. kép). Az egyik lencse, a tárgylencse közel van a tárgyhoz, és a tárgyról nagyított valódi képet ad a másik oldalon. Ezt a valódi képet nem vetítjük fehér ernyőre, hanem egy másik lencsén, a szemlencsén át nézünk feléje, s a szemlencsét olyan távolságban helyezzük el, hogy a valódi képnél is nagyobb, látszólagos kép keletkezzék. A szemlencsét tehát egyszerű nagyítóként használjuk. Összetett nagyítóval kb. 1000-szeres nagyítást lehet elérni.
136. kép. A fény útja az összetett nagyítóban.
Távcső. A legegyszerűbb távcső két gyűjtőlencséből: tárgy- és szemlencséből áll. A távcső arra való, hogy távoli tárgynak valódi képét adja, de a nagy távolság miatt kicsinyítve. Ezt a kicsinyített valódi képet figyeljük meg a szemlencsével, mint egyszerű nagyítóval. A szemlencsén át a valódi képnél nagyobb látszólagos képet látunk. Mivel a valódi kép a tárgyhoz képest fordított helyzetű, a látszólagos kép pedig nem fordít, az ilyen egyszerű (csillagászati) távcsőben látott kép fordított. Többféle módon lehet olyan
távcsövet összeállítani, amelyen át egyenes helyzetű képet látunk. A gyakorlati élet követelményeinek megfelelően különféle távcsövet szerkesztettek, valamennyiben megtalálható azonban a tárgylencse, ezzel gyűjtjük össze a távoli tárgyról érkező fénysugarakat. A tárgylencsének lehetőleg nagy átmérőjűnek kell lennie, hogy minél több fényt fogadjon be. Különösen a csillagvizsgáló távcsövek tárgylencséjét készítik nagy átmérőjűre, hogy a távoli égitestekről jövő kevés fényből minél több jusson bele. Nehéz műszaki feladat nagyátmérőjű üveglencsék készítése teljesen tiszta és egyenletes üvegből; a megolvasztott és lencsealakban kiöntött üveget hosszú időn át igen lassan kell hűteni és azután megfelelő alakúra csiszolni. Ezért csillagvizsgáló távcsövek lencséi igen értékesek. Egyes csillagvizsgáló távcsövek tárgylencséjét nagyátmérőjű homorú tükörrel helyettesítik; az ilyen tükör elkészítése is nagy gondot igényel. A homorú tükör is tudvalevőleg valódi képet ad a távoli tárgyról s így gyűjtőlencse helyett használható.
Fényképezőgép. A fényképezőgép leglényegesebb alkotórésze gyűjtőlencse. E lencse a felveendő tárgynak valódi képét adja a fényérzékeny lemezen. A fényérzékeny lemez fénytől védett dobozba van foglalva; fény csak a lencse előtt levő pillanatzáron és a lencsén át juthat a doboz belsejébe. A lencse távolságát a fényérzékeny lemeztől a felveendő tárgy távolsága szerint kell változtatni, hogy a lemezen lerajzolódó valódi kép éles legyen. Felvételkor a fény hatására láthatatlan vegyi változások mennek végbe a fényérzékeny lemezen, s vegyi eljárásokkal előhívják és állandósítják a képet.
Vetítőkészülék. Sokszor használt eszköz a vetítőkészülék. Két gyűjtőlencséje van. Az egyik, a kondenzor lencse, az erős fényforrás közelében van s az a rendeltetése, hogy a fénysugarakat összetartóan vezesse a vetítendő diapozitív képre. A diapozitív kép átlátszó lemezre vagy filmre
fotografált kép. A jól megvilágított képről a másik, a vetítőlencse erősen nagyított képet vetít a fehér ernyőre. Vetíteni lehet nyomtatott szöveget, rajzot, képet, sőt lapos tárgyat is. Ilyenkor átvilágítás helyett erős fényforrással rávilágítunk a képre vagy tárgyra s a vetítőlencse a megvilágított tárgy képét vetíti ki az ernyőre (episzkópikus vetítés). A vetítésnek ez a módja fényben szegényebb, mint a diapozitív képek vetítése.
Teljes visszaverődés. A fénytörésnek van egy különösen érdekes esete. Ha a fény üvegből vagy vízből levegőbe megy át, akkor a beesési merőlegestől távolodik (137. kép). Ferdén megerősített kis síktükör (A) segítségével függőlegesen vezessünk keskeny fénysugárnyalábot festett vízzel telt kádba. Egy másik beállítható kis síktükröt a kád alján helyezünk el (B). Ha az utóbbi tükör kis szöget zár be a vízszintessel, akkor a visszavert fénysugár kis beesési szög alatt éri a víz felületét és azon át irányváltozással kilép. Növeljük a B tükör hajlását a vízszinteshez, ezzel növekedik a víz határfelülete felé terjedő fénysugár beesési szöge, a levegőbe kilépő fénysugár egyre inkább közeledik a vízszintes irány-
137. kép. Teljes visszaverődés.
hoz s lesz olyan beesési szög, amelynek megfelelő kilépő sugár úgyszólván vízszintesen súrolja a víz felületét. Ha a kis tükör forgatásával még tovább növeljük a beesési szöget, akkor a fénysugár többé nem lép ki a vízből a levegőbe, hanem a határfelületről visszaverődik. Ez a teljes visszaverődés jelensége. Hosszabb kádbnn a jelenség többször is megismétlődik, ha a kád alján vízszintesen tükröt helyezünk el. A fénysugár zegzúgos alakban ide-oda jár az alsó tükörlap és a vízfelület között, de nem tud kijutni a vízből. Ehhez hasonló jelenség a világító szökőkút. A kiszökkenő vízsugarat megfelelő módon belülről színes fénnyel megvilágítják, és a fény sokszoros teljes visszaverődéssel követi a vízsugár útját. A prizmás távcsövekben megfelelően csiszolt üveghasábok vannak, s ezekben a fény az üveg és a levegő határfelületéről teljesen visszaverődik.
Teljes visszaverődés akkor következik be, ha valamilyen átlátszó anyagban terjedő fény elég nagy beesési szög alatt ritkább átlátszó anyag határfelületére érkezik. Az a legkisebb beesési szög, amelynél a fény már nem hatol be a másik anyagba, hanem teljesen visszaverődik, a teljes visszaverődés határszöge. Ez a szög az átlátszó anyagok minőségétől függ; üveg és levegő között kb. 42°.
A drágakövek erős csillogása teljes visszaverődés következménye. A teljes visszaverődés határszöge drágakövek esetében meglehetősen kicsi, pl. gyémántra nézve 24°. A megfelelően csiszolt drágakőbe belépő fény többszöri teljes visszaverődés után a drágakő egyes lapjain mindenféle irányban gyengülés nLlkül kilép és csillogást okoz.
Színszórás. A fénynek igen jellemző tulajdonsága a színe. Szemünkben külön szerv közvetíti a színérzetet. Az ideghártyán szétterülő látóidegvégződések között vannak a színek iránt érzékeny ú. n. csapok. Kutassuk ezután azt, hogy fizikailag miben térnek el egymástól a különböző színű fénysugarak.
A színekre vonatkozó alapkísérlet Newtontól származik. NEWTON keskeny résen bevezetett fehér napfényt háromoldalú üveghasábra ejtett. Az üveghasábban a fény kétszer – mind a be-, mind a kilépéskor – megtörik és végeredményben eredeti irányától a hasáb vastagabb résre felé eltér (138. kép). Az üveghasábból kilépő fény, sőt már a rövid darabon a hasábon belül terjedő fény is, színes. A fény útjába helyezett ernyőn a következő főbb színárnyalatok figyelhetők meg: legkevésbbé tér el a fehér fény irányától a vörösszínű fény, azután következik sorban a narancssárga, sárga, zöld, világoskék, sötétkék és az ibolyaszínü fény. Az egyes színárnyalatok között fokozatos átmenetek vannak. NEWTON ezt az alapkísérletet még azzal is kiegészítette, hogy keskeny réssel egy-egy színárnyalatot különválasztott és azt egy másik háromoldalú üveghasábon vezette át. A fény megmaradt ugyanolyan színűnek.
Az alapkísérletekből világos, hogy a fehér napfény különféle színű fény keveréke. Fénytöréssel az egyes színárnyalatokat külön lehet választani egymástól, vagyis az összetett fehér fényt egyszerű színekre lehet felbontani. A második üveghasábbal végzett kísérlet bizonyítja, hogy a különválasztott színek egyszerűek, további felbontásuk nem lehetséges. Az összetett fehér fény színekre bontása a színszórás.
138. kép. Színszórás.
A színszórás a fénytöréssel kapcsolatos jelenség. Önként felvetődik az a kérdés, miért válnak külön egymástól fénytöréskor a különböző színű sugarak. Mivel maga a fénytörés a különböző terjedési sebesség következménye, közelfekvő a gondolat, hogy a színszórás magyarázatában is a terjedési sebességnek van szerepe. Folyamodjunk ismét hasonlathoz. Gondoljunk szabályos sorokban menetelő tömegre. A tömeg tagjai sima, gyepes talajon haladnak, s minden felnőtt mellett gyermek is lépked (a 139. képen a nagy karikák a fel-
139. kép. A fénytöréskor fellépő színszórás magyarázata.
nőtteket, a kis karikák a gyermekeket ábrázolják). A sima terepen a gyermekek is lépést tartanak a felnőttekkel. A menetirányhoz képest ferdén valamilyen rossz, göröngyös talaj határvonala húzódik. A rossz talajon mind a felnőttek, mind a gyermekek menetsebessége csökken, az utóbbiaké azonban nagyobb mértékben. Ha az egyenes arcvonalat meg akarják tartani, mint már láttuk, a menetiránynak kell megváltoznia. Minél nagyobb a menetsebesség csökkenése, annál jobban eltér a menetirány az eredetitől. A különböző mértékű sebességcsökkenésnek az a következménye, hogy a felnőttek arcvonala és menetiránya eltér a gyermekekétől. E példához hasonlóan fel kell tennünk, hogy a különböző színű fény csak légüres térben és nagy közelítéssel a levegőben terjed egyenlő sebességgel. Mihelyt a különböző színekből álló keverékfény más, sűrűbb átlátszó anyagba, pl. üvegbe vagy vízbe jut, az egyes színek terjedési sebessége különböző mértékben csökken. Leginkább annak a színnek a terjedési sebessége csökken, amely a fénytöréskor eredeti irányától a legjobban eltér; ez az ibolyaszín. Legkevésbbé csökken a vörösszínű fény terjedési sebessége, mert fénytöréskor legkevésbbé tér el eredeti irányától. Üvegben vagy vízben a vörösszínű sugár nagyobb sebességgel terjed, mint az ibolyaszínű.
A színkép kibővítése. Az előbbi példa azonban azt is valószínűvé teszi, hogy a különböző színű fénysugarak fizikai tulajdonságaiban már a légüres térben terjedéskor is kell valamilyen eltérésnek lennie. Hiszen a sima, jó terepen együtt menetelő felnőttek és gyermekek is megkülönböztethetők egymástól. Valóban van eltérés a különböző színű sugarak között légüres térben vagy a levegőben is. Ha különválasztva terjednek, akkor látószervünk is különbséget tud tenni köztük, csupán a keveréket nem tudja színeire elemezni. Finom tudományos mérések kiderítették, hogy a különböző színű fény hullámhosszúsága már légüres térben vagy leve-
gőben is eltérő. Legnagyobb a vörösszínű fény hullámhosszúsága, legkisebb az ibolyaszínűé. A hullámhosszúság fokozatosan csökken a vörös színtől az ibolyaszín felé. A szélső vörös szín hullámhosszúságát 76 százezredmilliméternek, a szélső ibolyaszínű fény hullámhosszúságát kb. fele akkorának találták.
Már régen megállapították, hogy van a vörösnél nagyobb hullámhosszúságú és az ibolyánál kisebb hullámhosszúságú tény, csak szemünk nem veszi észre az ilyen fényt. A fizikusok szokták a "fény" szót a köznapinál általánosabb értelemben is használni, beszélnek "fény"-ről a vörösön innen és az ibolyán túl. Minden ilyen általános értelemben vett fénynek az a jellemző tulajdonsága, hogy ugyanolyan hullámzásból áll és csak a hullámhosszúságban van eltérés. A hullámhosszúság a vörösen innen és az ibolyán túl igen tág határok között változik. A "fényt" többezer kilométeres hullámhosszúságtól tízmilliárdod milliméteres hullámhosszúságig ismerik. A szorosabb értelemben vett fény, a látható fény a hullámhosszúságok skálájának csupán nagyon szűk részét foglalja el.
A "láthatatlan fény" különféle hatásáról ismerhető fel. Legközönségesebb a melegítő hatás, ez megvan az ibolyán túl, a látható fényben is és egyre fokozódó mértékben a vörösön innen a nagyobb hullámhosszúságok felé kb. a milliméteres hullámig. Vegyi hatása is van a fénynek, ezen alapszik a fényképfelvétel fényérzékeny lemezen. A vegyi hatás megvan a vörösön innen eső fényben, a látható fényben és még inkább az ibolyán túli fényben. A vegyi hatás a rövidebb hullámhosszúságok felé növekedik. Ismeretes, hogy a vörösön innen eső, vagyis sötét sugarakkal is lehet fényképezni, csak megfelelően előkészített, az illető sugarakra érzékeny lemezre van szükség. A "láthatatlan fény"-nek még egyéb fizikai hatása is van, ezért törvényszerűségeit pontosan ismerik. A drótnélküli távíróban és a rádióban használt
elektromágneses hullámok szintén fénytermészetűek, hullámhosszúságuk a vörösön innen eső, főleg melegítő hatású sugaraknál nagyobb és kilométerekig növekedik. A nagy áthatolóképességű Röntgen-sugarak az ibolyántúli sugaraknál is rövidebb hullámhosszúságúak, és még a Röntgen-sugaraknál is rövidebb a rádium egyes sugarainak hullámhosszúsága. Íme milyen sokféle változatos jelenség tartozik a "fény" fogalma alá. Érdemes mégegyszer felsorolni például a növekvő hullámhosszúságok sorrendjében a "fény" különböző fajtáit; a rádium és néhány hozzá hasonló anyag egyes sugarai, a Röntgen-sugarak, az ibolyántúli, a látható, a vörösön innen eső sugarak, a rádió és a szikratávíró sugarai. Csodálatosan átfogó gondolat ennyi látszólag nagyon különböző fizikai jelenség egységbe foglalása. A tudománynak valóságos diadala volt annak a felismerése, hogy a sokféle sugárzás alaptermészete ugyanaz, a fizikai alaptörvények azonosak. A sugárzások hatásában mutatkozó eltérések a különböző hullámhosszúságok következményei. Mivel szemünk a sugárzások óriási birodalmának csak igen kis tartományát képes felfogni, a tudomány igen hosszú fáradságos kutató munkával jutott el a különböző sugárzások aiaptermészetének felismeréséhez.
Hullámhosszúság és rezgésszám. Térjünk vissza ismét a látható fény tartományába. Ha a fényt a hanggal összehasonlítjuk, az előbbiek alapján világos, hogy a hang magasságának a fény színe felel meg. Miként hallószervünk a hang rezgésszámát mint hangmagasságot érzékeli, szemünk is képes a fény rezgésszámát színe révén észrevenni. Beszélhetünk a fény rezgésszámáról, hiszen a hanghullámok köréből ismerjük a szoros kapcsolatot a hullámhosszúság és a rezgésszám között. A rezgésszám és a hullámhosszúság szorzata tudvalevőleg a hullám terjedési sebességét adja. Más szóval a terjedési sebesség és a hullámhosszúság hányadosa a rezgésszámmal egyenlő. Vonatkoztassuk mind a terjedési sebességet, mind a hullámhosszúságot a légüres térre;
hányadosuk, a rezgésszám, független attól, hogy hol terjed a fény. Mivel a fény terjedési sebessége igen nagy, a látható fény hullámhosszúsága pedig igen kicsi, a rezgésszám különösen nagy szám. Például a vörösszínű fény rezgésszáma:
|
= |
|
= |
= 400 000 000 000 000 l/m[ásod]perc, vagyis a vörösszínű fényben másodpercenként kb. 400 billió a rezgések száma. Az ibolyaszínű fényben kb. kétszer annyi, 800 billió a másodpercenkénti rezgések száma, mivel hullámhosszúsága fele akkora. Még sokszorta több a rezgések száma az ibolyántúli, továbbá a Röntgen-sugarakban és a rádium egyes sugaraiban. Utóbbiak rezgésszámát 20–21 számjeggyel kell felírni, tehát ezer trillió körül jár. Ezzel szemben egyre kisebb a rezgésszám a vörösön innen eső sugarakra, a melegítő hatású sugarak rezgésszáma százmilliárdig csökken, a rádióban leginkább használatos elektromos sugarak rezgésszáma millió körül jár, a szikratávíróban előfordulnak 10000-es rezgésszámú lassú rezgések.
A testek színe. Érdekes annak a kérdésnek a megvizsgálása, hogy mi okozza a tárgyak különböző színét. Egyszerű kísérletekkel a következő tapasztalatokat gyüjthetjük. Bontsuk fel Newton alapkísérletének utasítása szerint a fehér fényt, akár a napfényt, akár pl. villamos ívlámpa fényét, üveghasáb segítségével, egyes színeire. Pontos kísérletekben az üveghasáb elhelyezése előtt gyüjtőlencsével a megvilágított keskeny résnek éles képét vetítik ernyőre, s az üveghasáb közbehelyezésével a fehér réskép egymásba olvadó színes képek sorozatára bomlik fel. Ezt szokás színképnek (szpektrumnak) nevezni. Ha mármost a rés elé vörös üveglapot teszünk, a színképnek úgyszólván csak a vörös körüli része marad meg, a többi alig látszik. A vörös üveglap a színek legnagyobb részét visszatartja, elnyeli és csak a vörös közelében levő sugarakat engedi át. Ha sárga-
színű üveglapot helyezünk a rés elé, a színképből csak a kék, az ibolyaszínű, és a legszélső vörösszínű rész hiányzik. Az a sárga szín tehát, amelyet a sárga üveglap átvilágításakor látunk, több szín keveréke. Szemünk nem tudja megállapítani, hogy a látott szín egyszerű vagy keverék szín. Ebből a szempontból hallószervünk tökéletesebb, mert a jó zenei hallású fül az összetett hangban az alkotó hangokat is észre tudja venni, de még a kevésbbé jó fül is meg tudja állapítani, hogy a hang egyszerű-e vagy összetett. A szem ideghártyáján pálcikák és csapok vannak. A pálcikák általában a fénybehatásra, a csapok a színekre érzékenyek. Háromféle csapot különböztetnek meg, aszerint, hogy a színkép egyik és másik végére, illetőleg közepére érzékenyek. Mindegyik csap a színárnyalatok széles tartományára érzékeny. Az egyes színárnyalatokat aszerint érzékeljük, hogy az illető szín a háromféle csapot milyen arányban ingerli. Például a kék szín egyes árnyalatait azért tudjuk megkülönböztetni, mert az egyik valamivel erősebben ingerli a színkép közepére érzékeny csapokat, mint a másik. Tartsuk szemünk elé a kék és a sárga üveglapot együtt, és nézzünk át rajtuk valamilyen világos felületre: zöld színt látunk. Ezt a jelenséget azzal magyarázzuk, hogy mindegyik üveglap a színkép bizonyos színeit elnyeli, mégpedig a kék üveglap a színkép vörösszínű végén levő színeket, a sárga üveglap a színkép másik végén levő színeket nyeli el túlnyomórészben, és így a kiszűrés után főkép a színkép közepére, vagyis a zöld szín közelébe eső színárnyalatok maradnak meg, ezek pedig szemünkben a zöld szín benyomását keltik. Hasonló jelenség a vízfestékek keverése. Ismeretes, hogy kékszínű és sárgaszínű vízfestékek keverése vízben zöldszínű folyadékot ad. A vízfestésnek az az alapelve, hogy a megfestett vízzel egyetlen vékony rétegben bevonják a fehér rajzlapot. A befestett területre eső fehér fény kétszer megy át a festékrétegen s közben a fehér lapról szétszóródik. A festékrétegen áthaladva a fehér fény bizo-
nyos szinárnyalatokat elveszít, s csak azok maradnak meg, amelyeket a festékanyag átenged. Vízfestéskor nem szabad különböző színeket egymásra festeni, mert a többszörös különböző színű elnyelés következtében bizonytalan, piszkos színű felületek keletkeznek. Más az olajfestékek színhatása. Az olajfestékek teljesen elfedik a vásznat, a ráeső fény nem hatol át a festékrétegen, hanem már a festékréteg felületéről szétszóródik. Itt a festékanyagnak az a tulajdonsága érvényesül, hogy az összetett fehér fényből bizonyos színeket elnyel, másokat szétszór. Az utóbbiak keveréke határozza meg az illető befestett felület színét. Ezzel eljutottunk az át nem látszó tárgyak színeinek magyarázatához. Minden tárgy olyan színűnek látszik, amilyen színű fényt felületéről szétszór. Az átlátszó testeken áthaladó és az át nem látszó tárgyak felületéről szétszórt fény mindig keverékszínű fény. Ezért nagyon sok esetben a tárgyak színe nem található meg a színkép színárnyalatai között (pl. barna, szürke szín, stb.).
Megfontolásra érdemes a következő kísérlet. Két kerek rést világítsunk meg egy-egy villamos ívlámpával, és a rések képét úgy vetítsük gyüjtőlencsékkel egymás mellé, hogy a képek részben fedjék egymást. Tegyünk az egyik rés elé kékszínű, a másik rés elé sárgaszínű üveglapot. A résképek egymást fedő részét az ernyőn fehérnek látjuk. Mindegyik üveglapon áthaladó fény magában véve kiszűrt fény, bizonyos színárnyalatok keverékét tartalmazza. A közösen megvilágított területen a kiszűrt színárnyalatok összeadődnak, s szernünkben azért keltik a fehér fény benyomását, mert kisebb-nagyobb mértékben a színképnek minden színárnyalatát tartalmazzák. Ez a fehér fény természetesen összetételére nézve nem azonos a napfénnyel, vagy a villamos ívlámpa fényével, de szemünk már nem képes elemezni a színösszetételt, többféle színkeveréket is fehérnek lát.
A fény elhajlása. Előfordulnak a természetben és laboratóriumi kísérletekben olyan színek, amelyek nem ma-
gyarázhatók fénytöréssel, vagy bizonyos színű fénysugarak elnyelésével. Ide tartozik a szappanbuborék színjátszása, a holdudvar stb. Ezeket a színjelenségeket is a fény hullámelméletével magyarázzuk.
Keltsünk jól ismert módon egyenes deszkalappal egyenesvonalú vízfelületi hullámokat. E hullámok útjába tegyünk akadályt, közepén néhány cm-es réssel (140. kép). Azt tapasztaljuk, hogy a résen túl a hullámok elgörbülnek, nagyjából elnyujtott ívalakban terjednek. Ha olyan akadályt teszünk az egyenesvonalú hullámok útjába, amelyen nagyon szűk – néhány mm-es – rés van, a résen túl félköralakú hullámok terjednek. Az akadályok résein át terjedő hullám lényegesen eltér az eredeti hullámtól, a szűk résből félkörben minden irányban terjed a hullám (141. kép). Azt is mondhatjuk, hogy a hullám a résen elhajlik. Ez a jelenség csak akkor következhetik be, ha a rés olyanféle méretű, mint az áthaladó hullámok hullámhosszúsága. Mivel pedig a fény hullámhosszúsága igen kicsi, a fény csak akkor hajlik el, ha igen szűk réshez érkezik. Ha fekete kartonlapot hegyes tűvel átszúrunk, és a nagyon kicsi résen át kis izzó
|
140. kép. |
141. kép. |
|
|
|
||
lámpa felé nézünk, színes egyközepű köröket látunk. A fény nem csak egyenesen terjed a szűk résen át, hanem oldalt elhajlik, és a színes körök azt bizonyítják, hogy az elhajlás a hullámhosszúságtól is függ, ezért különböző színű fényre nézve eltérő.
A vízfelületi hullámokkal végzett elhajlási kísérletet még úgy módosíthatjuk, hogy az akadályon több, egyenlő távolságban levő szűk rést alkalmazunk (142. kép). Ha az akadály egyik oldalán ismét egyenesvonalú hullámokat indítunk, akkor az akadályon túl mindegyik résből indulnak fél-
225
142. kép. Hullámok terjedése szűk rések során át.
köralakú hullámok, s azok természetesen egymásra torlódnak. Az így egymásra torlódó hullámok határvonala, úgy mondhatjuk, az egyes elemi körhullámok közös arcvonala, ismét egyenes vonal. Bár a sok szűk résen elhajlik a hullámzás, mindenesetre van eredeti irányban tovaterjedő hullám.
|
Ha a rajzot jól megfigyeljük, más olyan irányt is találunk, amely érintőleg határolja az elemi hullámköröket, így pl. AB es AC irány. Ezek az irányok különböző szögeket zárnak be az eredeti hullámvonallal. Ezek az irányok is úgy foghatók fel, mint előrehaladó hullámok arcvonalai, s így a több szűk rés soráról különféle irányban elhajlott hullámok indulnak. Ennek a jelenségnek lényeges feltétele, az, hogy a szűk rések pontosan egyenlő távolságra legyenek egymástól. Az ilyen réssort rácsnak szokás nevezni. Fényhullámokra használható rácsot, optikai rácsot, úgy készítenek, hogy üveglemezre hegyes gyémánttűvel igen sűrűn párhuzamos vonalakat karcolnak. Két szomszédos karcolás között a fényre átlátszó rés keletkezik. Az optikai rácsokon egy-egy milliméterre kb. 500 vonal is jut, tehát ekkor két szomszédos rés távolsága, az ú. n. rácsállandó 2 ezredmilliméter. Mivel a látható fény hullámhosszúsága az ezredmilliméternél kevesebb, az ilyen rácsállandó már nem sokkal nagyobb a fény hullámhosszúságánál. Ilyen fínoman beosztott rácsot csak nagyon tökéletes osztógépen lehet készíteni. Ha a rácson át nézünk valamilyen fényforrásba, pl. izzólámpába, középen fehérnek látjuk magát a fényforrást, két oldalt pedig színes sávokat látunk. Ezek a színes sávok az elhajlott fénytől származnak. A különböző hullámhosszúságok szerepét a fényelhajlásban, rajzon érthetjük meg. A 143. kép kétféle elemi hullámrendszert ábrázol. A folytonos vonallal kihúzott körhullámok nagyobb hullámhosszúságúak, mint a szaggatott vonalúak. A nagyobb hullámhosszúságú fény elhajlása nagyobb, mint a kisebb hullámhosszúságú fényé. Minden egyes színárnyalatra meghatározott irányú elhajlott hullámarcvonal |
143. kép. Különböző színű fénysugarak elhajlása. |
alakul ki, ezért a rácson átterjedő fehér fény elhajlott része színeire bomlik, akárcsak fénytörés alkalmával. Középen eredeti irányban halad a fehér fény, kétoldalt szimmetrikusan színképek keletkeznek, mégpedig a színkép ibolyaszínű vége van belül, vörösszínű vége kívül. Nagyobb távolságban kétoldalt még további színképek is látszanak, sokkal gyengébben. Megkülönböztetnek első-, másod-, harmadrendű elhajlási színképeket.
Elhajlási színképeket látunk, ha ködös időben utcai lámpa felé nézünk. Szórjunk két üveglap közé finom likopódiumport, – vagyis korpafűspórákat – ragasszuk össze a két üveglapot a széleken, és nézzünk át a finom porrétegen erős fényforrás felé. Színes gyűrűrendszert látunk. Itt is fényelhajlás jelentkezik, az apró porrészecskék épúgy elhajlítják a fényhullámokat, mint a nagyon szűk rések és az elhajlás itt is a hullámhosszúságtól függ. Hasonlóképen fényelhajlással magyarázzuk a Nap és a Hold körül időnként látható színes gyűrűket, a nap-, illetve holdudvart. A jelenség létrejöttében a levegőben lebegő igen apró vízcseppecskéknek van szerepük. Ehhez azonban az szükséges, hogy a lebegő részecskék kb. olyan méretűek legyenek, mint a fény hullámhosszúsága. Ha jóval nagyobbak, akkor közönséges visszaverődés, illetőleg szétszóródás áll be.
Az ég kék színe. A levegő részecskéi még a fény hullámhosszúságánál is kisebb méretűek. A levegőrészecskék, az ú. n. molekulák állandóan rendszertelen mozgásban vannak, emiatt számuk nagyon kis térfogatokban folyton változik. Ennek az ingadozásnak az a következménye, hogy a levegőben terjedő fényhullámok részben szétszóródnak, és pedig a kékszínű, rövid hullámok jobban szétszóródnak, mint a vörös és hozzá közel eső színű hullámok. A különböző színű fényhullámok szétszórásában tehát bizonyos kiválogatódás, szelektivitás van. Ez magyarázza meg az ég kék színét. A kékszínű sugarak mindenfelé szétszóródnak. Ebből az kö-
[Az eredetiben: 143–145. képek.]
vetkezik, hogy amikor a Nap a láthatár közelében van, vagyis napkeltekor és napnyugtakor a Napról érkező fénysugarak vöröses, sárgás színűek. ilyenkor ugyanis a napsugarak viszonylagosan hosszú utat tesznek meg a légkörön át, sok kékszinű és hozzá közeleső színű fény szétszóródik, s így a maradék vörös és sárga színeket látjuk. A levegőben lebegő porrészecskék és apró vízcseppek mindenféle színű sugarat szétszórnak. Az ilyen szennyezett és párás levegőben az ég szürkésnek látszik. Az ég sötétkék színében magaslati helyek és szubtrópusi vidékek por- és páramentes levegőjében gyönyörködhetünk. A felhő sok apró vízcseppecske halmaza. Ha a felhő eltakarja a Napot, akkor sötétnek látjuk, mivel a napsugarak legnagyobb részét szétszórja, el is nyeli és alig jut valami a felhőn keresztül. Ha a felhő oldalról kap megvilágítást, többé-kevésbbé világosfehérnek látszik a szétszórt sugarak következtében.
|
Fénytalálkozás. A színjelenségeknek még egy csoportját érdemes közelebbről szemügyre venni. Mindenki jól ismeri a szappanbuborékok színjátékát. Ehhez hasonló a víztócsák tetején igen vékony rétegben szétterülő olaj színeződése. Néha fémek felületén is lehet látni ilyenféle színeket. Mindezeket a színjelenségeket a vékony lemezek színeinek nevezzük és a fényhullámok találkozásával magyarázzuk. A megértés kedvéért végezzünk még egy kísérletet vízfelületi hullámokkal. Két kis pálcika mozgatásával a vízfelület két különböző pontjából egyidejűleg indítsunk körhullámokat (144. kép). A körhullámok egymással találkoznak, egymásra tevődnek, ennek következtében a vízfelület egyes helyein a rezgés erősebbé, másutt gyengébbé válik. Tudjuk, hogy a hullámzó vízfelületen a vízrészecskék felfelé és lefelé mozognak, a vízfelület síkjában nem mozdulnak el. Nyilván ott erősítik egymást a találkozó hullámok, ahol mind a két hullámban ugyanabban az időben vagy felfelé, vagy lefelé irányul a rezgés. Másfelől a találkozó hullámok olyan |
144. kép. Vizfelületi hullámok találkozása. |
helyeken gyengítik egymást, ahol az egyik hullám felfelé irányuló rezgése a másik hullámnak lefelé irányuló rezgésével találkozik. A vízfelület minden egyes pontja csak egyféle mozgást végezhet, és ez a mozgás vagy erősebb vagy gyengébb rezgés lehet, mint az egyszerű hullám rezgése. A hullámtalálkozásnak ezt a két esetét úgy is jellemezhetjük, hogy erősítéskor hullámhegy hullámheggyel, hullámvölgy hullámvölgygyel, gyengítéskor pedig hullámhegy hullámvölggyel találkozik. A II.!!! táblán hullámok találkozása látható higany felületén.
|
145. kép. Vékony lemezek színjelenségeinek magyarázata. |
Ugyanez a jelenség bekövetkezhetik fényhullámokkal is. Erősödés van akkor, ha az egymással találkozó fényhullámok egyike egész számú hullámmal előzi meg a másikat. Gyengülés akkor következik be, ha az egyik fényhullám páratlan számú félhullámmal előzi meg a másikat. Azt szokás mondani, hogy az egymással találkozó fényhullámok között útkülönbség van. A vékony átlátszó lemez azzal létesít útkülönbséget két fényhullám között, hogy a fényhullámok a vékony lemez mindkét felületéről visszaverődnek és az, amelyik a lemezbe behatolva annak túlsó felületéről verődik vissza, a másikhoz viszonyítva elmarad (145. kép). Ez az elmaradás annál nagyobb, minél nagyobb a lemez vastagsága és minél ferdébben érik a hullámok a határfelületeket. Ezenkívül a két fényhullám között az is félhullámnyi útkülönbséget okoz, hogy az egyik hullám sűrűbb, a másik pedig ritkább anyag határfelületéről verődik vissza. Végül az ilyen módon találkozó fényhullámok útkülönbsége a hullámhosszúságtól is függ. Ha a vékony lemezt fehér fény éri, valamilyen irányban a vörös színű, egymással találkozó fényhullámok útkülönbsége páratlan félhullámhosszúság, tehát ebben az irányban a vörös színű fénysugarak kioltják egymást, s akkor a lemezt azon a helyen a többi szín keverékében, a vörös színnek kiegészítő színében, zöld színben látjuk. Ha a lemez vastagsága helyről-helyre változik, a színkioltás is helyenként különböző, ezért
a kevéssé változó vastagságú vékony lemez fehér fényben színt játszik. A hullámok találkozása a természetben gyakorí jelenség, alapelve minden esetben erősödés és gyengülés a különböző útkülönbség miatt. A hullámok találkozását tudományos néven interferenciának nevezik.
Az interferencia hangjelenségek körében is megtalálható: ha két olyan sípot szólaltatunk meg egyszerre, amelyeknek hangmagasságában csak kis eltérés van, lüktető hangot hallunk. Mivel a magasabb hang hullámhosszúsága valamivel rövidebb, a magasabb hang hullámai megelőzik az alacsonyabb hang hullámait, mégpedig egyik pillanatban páros számú félhullámmal, a következő pillanatban páratlan számú félhullámmal, tehát egyszer erősebb rezgések, másszor gyengébb rezgések érik hallószervünket, lüktetés keletkezik.
|
146. kép. Kettős fénytörés. |
Kettős törés. Sarkítás. A fény átlátszó anyagon néha úgy halad át, hogy kettéválik. Ezt a jelenséget kettőstörésnek nevezik. Már a 17. században ismerték az Izlandből származó átlátszó mészpátkristálynak kettősen törő tulajdonságát. Ennek a tiszta, átlátszó kristálynak eltorzított téglaalakja van, lapjai romboidok. Ha az átlátszó mészpátkristályt írás fölé tartjuk, kettősen látjuk az írást (146. kép és II. tábla). A kettévált fénysugaraknak érdekes tulajdonságai vannak. MALUS 1808-ban a lenyugvó Napról jövő és ablaküvegről elég nagy szög alatt visszaverődő fénysugarak útjába tette a kettőző mészpátkristályt, tehát a Napot kettősen látta. Mikor azonban a mészpátkristályt a fénysugár körül forgatta, a két fénysugár közül hol az egyik, hol a másik volt erősebb. Mivel ezt a jelenséget nem tapasztalta akkor, amikor a mészpáton át közvetlenül nézett a lenyugvó Nap felé, fel kellett tennie, hogy az üvegről visszavert fénysugár más természetű, mint a közvetlenül beeső fénysugár. Ezt a különbséget azonban szemünk nem képes észrevenni, az átlátszó mészpátkristály látószervünknél többet tud mondani a ráeső fénysugárról. Ezek
|
ből és ezekhez hasonló jelenségekből arra következtetnek, hogy a fény keresztrezgések terjedése, vagyis transzverzális hullámzás, mert, ha a rezgések a terjedés irányában mennének végbe, nem volna semmi ok arra, hogy a mészpátkristály forgatásakor bármiféle változás következzék be. A fényforrásból közvetlenül terjedő fényben, az ú. n. természetes fényben a rezgések a sugárra merőlegesen sűrű egymásutánban minden elképzelhető irányban jelentkeznek. Az üvegről kb. 55°-ú szög alatt visszavert fényben a rezgések a terjedés irányára merőlegesen, de meghatározott síkban mennek végbe (147. kép). A visszavert fényben a rezgések a visszaverő síkkal párhuzamos irányúak. Az ilyen fényt sarkított fénynek nevezik. |
147. kép. Sarkított fény rezgéseinek iránya. |
Az üveglap a visszaverődéskor mintegy megrostálja a fényrezgéseket, csak a vele párhuzamos rezgéseket engedi
tovaterjedni. A mészpátkristályban kettévált fénysugarak mindegyike szintén sarkított fény, a rezgések a kétféle fénysugárban egymásra merőleges irányúak. A mészpátkristály nem csak kettéválasztja a beeső fénysugarat, hanem a fényt sarkítja is, vagyis rezgéseiket megrostálja. Ha természetes fény éri a kristályt, a mindenféle elképzelhető irányban végbemenő rezgésekből jut mindkét egymásra merőleges irányra. Ha azonban a mészpátkristályra beeső fény maga is sarkított, akkor nem mindig jut rezgés mind a két egymásra merőleges irányra: a kristály helyzete szerint túlnyomóan csak az egyik, vagy csak a másik irányú fényrezgések juthatnak keresztül a kristályon. Ez magyarázza meg azt a jelenséget, amelyet
MALUS tapasztalt. Az üvegtábláról visszaverődött és sarkított fényt a mészpátkristály kettéválasztja, de a kristály helyzete szerint hol az egyik, hol a másik fénysugárra jutnak erősebb rezgések.
Újabban celluloidból olyan lapokat készítünk, amelyek a keresztülmenő fényt majdnem teljesen sarkítják, ennélfogva két ilyen, egymásra merőleges sarkítási irányú lemezen alig halad át fény. A fény sarkítását az átlátszó anyagba beleágyazott és egy irányban elhelyezkedő apró kristályok okozzák.
Ilyen sarkító lapokkal lehet a szembejövő gépkocsik fényszórójának kellemetlen vakító fényét tompítani. Tegyük fel, hogy a közlekedő gépkocsik fényszóróit ilyen sarkító lapokkal borítják be, és pedig úgy, hogy sarkítási irányuk a vízszintessel 45°-ú szöget zárjon be és a kocsik egyirányú helyzetében egymással párhuzamosak legyenek. A gépkocsi utasai – elsősorban vezetője – szemvédőül ugyanilyen sarkító lapokat használnak, szintén 45°-ú sarkítási iránnyal, párhuzamosan a saját fényszórójukra felszerelt lap sarkítási irányával. Ha valamennyi gépkocsin ugyanolyan sarkítási iránnyal szerelik fel a sarkító lapokat, akkor a szembejövő gép kocsi fényszórójának sarkítási iránya a szemvédő sarkítási irányára éppen merőleges irányú, s így a fényszórót erősen letompítja, viszont a saját fényszórónak előre vetett fényét a kocsi vezetője teljes erősséggel látja, mert a sarkítási irányok párhuzamosak (148. kép). Ilyen irányú kísérleteket már a mostani háború előtt végeztek.
148. kép. Fényszórók fényének tompítása sarkító lapokkal.