Fysiikka 3: luku 3 Valo

Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä. Toisin kuin mekaaninen aaltoliike, valo ei tarvitse edetäkseen väliainetta vaan se etenee myös tyhjiössä. Sähkömagneettinen aalto syntyy, kun eletkroni tai jokin muu varattu hiukkanen värähtelee edestakaisin. Sähkömagneettinen aalto etenee sähkö- ja magneettikenttien värähtelynä. Värähtelysuunnat ovat kohtisuorassa aaltoliikkeen etenemissuuntaa vastaan, eli sähkömagneettinen aaltoliike on poikittaista aaltoliikettä. Suhteellisuusteorian mukaan mikään energiaa kuljettava signaali tai hiukkanen ei voi liikkua nopeammin kuin valo tyhjiössä. Kaikki sähkömagneettinen säteily etenee tyhjiössä aina samalla nopeudella. Aaltoliikkeen perusyhtälö valolle on

c = ƒλ

3.2 Valon voimakkuus

Valolähteen voimakkuuden mittana käytetään valolähteen valovirtaa Φ. Valovirta on valolähteen säteilyteho suhteutettuna siihen, miten voimakkaana ihmissilmä aistii sen. Valovirran yksikkö on 1 lm (lumen). Leikkaussalissa kirurgien ja hoitajien vihreä vaatetus vähentää valon häikäisevää heijastumista. Pinta näyttää sitä valoisammalta, mitä suurempi valovirta sille tulee. Pinnan valaistusvoimakkuus E on

E = Φ / A

missä Φ on pinnalle A osuva valovirta. Valaistusvoimakkuuden E yksikkö on 1 lm/m², josta käytetään nimitystä 1 lx (luksi). Valovoima I kuvaa valolähteen kirkkautta. Valovoima on SI-järjestelmän perussuure ja sen yksikkö on 1 cd (kandela). Toisin kuin valaistusvoimakkuus, valovoima ei riipu valolähteen etäisyydestä, vaan se ilmaisee, kuinka suuren valovirran valolähde lähettää kuhunkin suuntaan. Valovoima ei liity valaistukseen tai havaitsijan kokemaan valon määrään, vaan se on valolähteen ominaisuus.

Energiansäästölamppujen lumen-arvot eli valon voimakkuudet ovat wattia kohden huomattavasti suurempia kuin hehkulamppujen lumen-arvot.

3.3 Valon heijastuminen, taittuminen ja kokonaisheijastuminen

Diffuusi heijastuminen tarkoittaa heijastumista epätasaisesta pinnasta. Jokaisessa pinnan kohdassa toteutuu heijastuslaki eli se että tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Aineen taitekerroin määritellään yhtälöllä

n = c / c_aine

jossa n on taitekerroin, c valon nopeus tyhjiössä ja c aine valon nopeus aineessa. Mitä enemmän aine taittaa valoa, sitä hitaammin valo etenee siinä ja sitä suurempi on sen taitekerroin. Taitekerroin on aina suurempi kuin yksi, jasn arvo riippuu myös valon aallonpituudesta. Taitekerroin tyhjiössä on tasan 1. Ilman taitekerroin on 1,0028, mutta useimmiten ilmaa voi pitää tyhjiön kaltaisena eli sen taitekertoimelle voi käyttää arvoa n = 1,00.

Voimakkaasti valoa taittavan aineen sanotaan olevan optisesti tiheä ja vähän valoa taittavan optisesti harva. Kun valo tulee optisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen (n1 < n2), niin silloin valon nopeus pienenee ja valo taittuu normaaliin päin. Kun valo tulee optisesti tiheämmästä aineesta optisesti harvempaan aineeseen (n1 > n2), niin valon nopeus kasvaa ja valo taittuu normaalista poispäin. Valonlähde määrää valon taajuuden, joten sen arvo ei muutu taittumisen yhteydessä.

Optisesti harvemman aineen taitekerroin on pienempi kuin optisesti tiheämmän aineen. Kokonaisheijastumisen avulla valo voidaan ohjata kulkemaan haluttuun suuntaan ilman peilejä optisissa laitteissa. Valokuitujen toiminta perustuu valon kokonaisheijastumiseen kuidun seinämistä. Kuidun päästä lähetetty valo tulee ulos toisesta päästä, vaikka kuitu olisi mutkitteleva. Lasista tai muovista vedetty kuitu päällystetään jollakin sitä optisesti harvemmalla aineella. Optisessa tiedonsiirrossa valokuiduissa käytetään näkyvän valon sijasta infrapunasäteilyä.

Endoskooppi on valokuituja hyödyntävä laite, jolla lääkäri tähystää ihmiskehon onteloita, kuten vatsaa ja suolistoa, ja rakennustarkastaja etsii esim homevauriota talon rakenteista. Tähystäminen tapahtuu lähettämällä muutaman kuidun kautta valoa kohteeseen ja katselemalla muiden kuitujen takaisin tuomaa kuvaa laitteen okulaarista tai tietokoneen näytöltä.

3.4 Valon aaltoilmiöitä

Aineen taitekertoimen riippuvuutta valon aallonpituudesta kutsutaan dispersioksi. Prisma saa valon hajaantumaan eri väreihin.  Spektriä tarkastelemalla huomataan, että punainen valo taittuu vähiten ja violetti eniten. Tulevan säteen ja eniten taittuneen läpimenneen säteen välistä kulmaa δ kutsutaan kokonaispoikkeamaksi. Kulmaa fii kutsutaan prisman taittavaksi kulmaksi.

Spektrin syntyminen osoittaa, että tulevassa valossa on kaikkia aallonpituuksia eli kaikkia värejä. Tällaista valoa kutsutaan valkoiseksi valoksi. Valoa, jossa on vain yhtä aallonpituutta, kutsutaan monokromaattiseksi eli yksiväriseksi valoksi. Esim laserin valo on tällaista valoa.

Värien muodostuminen

Valoa aistitaan silmän verkkokalvon sauva- ja tappisoluilla. Sauvasolut auttavat näkemään pimeässä, mutta ne eivät erota värejä. Tappisolujen yksi laji on herkin spektrin punaiselle päälle, toinen siniselle päälle ja kolmas välialueelle, erityisesti vihreälle värille. Väriaistimus syntyy aivoissa siitä yhteisvaikutuksesta, jonka silmiin tuleva valo aiheuttaa eri tappisoluissa. Kun kaikki kolme tappisolutyyppiä reagoivat valoon sopivassa suhteessa, aistimme valon valkoisena. Tällaista värinmuodostusta kutsutaan yhdistäväksi eli additiiviseksi värinmuodostukseksi. Punaista, vihreää ja sinistä kutsutaan additiivisen värinmuodostuksen pääväreiksi.

                                                                                                                             

Värin muodostumista siten, että valkoisesta valosta osa absorboituu, kutsutaan vähentäväksi eli subtraktiiviseksi värinmuodostukseksi. Kun kappaleeseen osuu kaikkia aallonpituuksia sisältävää valoa, kappale imee itseensä osan valosta ja heijastaa osan. Heijastunut osa määrää kappaleen värin. Subtraktiivisen värinmuodostuksen päävärit ovat syaaninsininen, magentanpunainen ja keltainen. Kun niitä sekoitetaan sopivassa suhteessa keskenään, saadaan mustaa. Kun kappale on musta, se ei heijasta mitään väriä vaan kaikki valon aallonpituudet absorboituvat siihen. Kappale on valkoinen, kun se heijastaa kaiken valon.

Interferenssi ja diffraktio            

Interferenssillä tarkoitetaan eri aaltojen yhteisvaikutusta. Diffraktiolla tarkoitetaan esteen aiheuttamaa valon taipumista. Diffraktio on heijastumisen ja taittumisen lisäksi kolmas ilmiö, joka muuttaa valon kulkusuuntaa. Kun laserin valo osuu kohtisuorasti kaksoisrakoon, valo hajaantuu varjostimella erillisiksi valopisteiksi, joista kirkkain on keskellä. Kuvio syntyy eri raoista pallomaisesti leviävien aaltojen interferoidessa keskenään. Valoisa kohta syntyy varjostimelle, kun on voimassa ehto

d sin α = kλ, k = 0, 1, 2, 3, ....

jossa d on rakojen välimatka, α taipumiskulma, λ aallonpituus ja k valoisan kohdan kertaluokka. Valoisia kohtia kutsutaan k:n arvon mukaan nollannen, ensimmäisen, toisen, jne kertaluvun valomaksimeiksi eli diffraktiomaksimeiksi. Keskellä on nollannen kertaluvun valomaksimi ja sen molemmilla puolilla ovat muiden kertalukujen valomaksimit. Maksimien kirkkaus heikkenee kertaluvun kasvaessa eli kohti diffraktiomaksimin reunoja.

Kahden raon koetta kutsutaan myös Youngin kokeeksi Thomas Youngin mukaan. Hän todisti vuonna 1801 valon aaltoluonteen ja osoitti Newtonin esittämän valon hiukkasteorian vääräksi. Kaksoisrakokokeen tulos voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla. Elikkä sen mukaan molemmat raot ovat palloaaltojen lähteitä. Kun palloaaltojen välillä tapahtuu interferenssi, aallot joko vahvistavat tai vaimentavat toisiaan valon kulkusuunnasta riippuen ja varjostimelle syntyy vuoronperään valoisia ja tummia raitoja.

Diffraktio. Kuva Googlen kuvahaku.

Hila

Hila on levy, jossa on yhdensuuntaisia ja toisistaan yhtä etäällä olevia rakoja tai uurteita. Viereisten rakojen välimatkaa sanotaan hilavakioksi d. Mitä lähempänä raot ovat toisiaan, eli mitä pienempi hilavakio on, sitä voimakkaampi on taipuminen hilassa ja sitä leveämpi on varjostimelle syntyvä diffraktiokuva.

Polarisaatio

Valoaalossa sähkökenttä värähtelee aallon etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa tasossa. Se voi värähdellä tässä tasossa kaikissa suunnissa. Osittain polarisoituneessa valossa sähkökenttä värähtelee jossakin suunnassa enemmän kuin muissa suunnissa. Täydellisesti polarisoituneessa valossa sähkökenttä värähtelee sen sijaan ainoastaan polarisaatiosuunnassa.

Polarisoivat aurinkolasit eivät päästä lävitseen vaakasuunnassa polarisoitunutta valoa, ja niiden läpi kulkenut valo värähtelee lasien pystysuunnassa. Polarisoituneen valon polarisaatiosuunnaksi on sovittu valoaallon sähkökentän suunta. Polarisoituminen on poikittaiseen aaltoliikkeeseen liittyvä ilmiö. Pitkittäinen aaltoliike ei voi polarisoitua, koska värähtelyt tapahtuvat siinä aina aallon etenemissuunnassa.

Valo on yleensä polarisoitumatonta. Tämä johtuu valon mikroskooppisesta syntytavasta kun kyseessä on auringonvalo tai hehkulampun valo. Auringonvalo syntyy elektronien värähtelyistä, joiden suunta määrää säteilyn sähkökentän värähtelysuunnan. Auringonvalo koostuu suunnattomasta määrästä yksittäisten elektronien lähettämiä aaltoja. Koska elektronit värähtelevät mielivaltaisiin suuntiin, värähtelee yhdistetyn aallon sähkökenttä myös kaikkiin suuntiin eli valo on tällöin polarisoitumaton.

Polarisoituneessa valossa sähkökenttä värähtelee siis jossakin suunnassa eli polarisaatiosuunnassa voimakkaammin kuin muissa suunnissa. Valo voi polarisoitua kulkemalla polarisaattorin läpi, heijastumalla aineiden rajapinnasta tai sirotessaan.

Polarisaattori päästää lävitseen vain tiettyyn suuntaan värähtelevän sähkökentän ja absorboi muihin suuntiin värähtelevät kentät. Polarisaattoria voi käyttää myös analysaattorina, eli sen avulla voi tutkia, onko tuleva valo polarisoitunutta ja mikä on sen polarisaatiosuunta.

                                                                                                                                               

Polarisoivien aurinkolasien linsseissä on ainekerros, jossa pitkät molekyylit ovat asettuneet yhdensuuntaisiksi ketjuiksi niin, että ne estävät häiritsevien heijastusten pääsyn linssien läpi. Eräät aineet kiertävät polarisoituneen valon sähkökentän värähdystasoa. Tällainen aine on esim ruokosokeriliuos. Tällaisia aineita sanotaan optisesti aktiivisiksi aineiksi. Nestekidenäytön toiminta perustuu nestekiteiden kykyyn kiertää valon polarisaatiosuuntaa.

Valo polarisoituu heijastuessaan eristeen pinnasta. Muista aineista se ei polarisoidu. Polarisoituminen tapahtuu ainoastaan silloin, kun valo tulee rajapintaan vinosti. Tällöin sekä heijastunut että taittunut valo ovat osittain polarisoituneet, ja sopivassa tulokulmassa ne ovat täydellisesti polarisoituneet.

Osittain polarisoituneessa valossa sähkökenttä värähtelee jossakin suunnassa enemmän kuin muissa suunnissa, ja täydellisesti polarisoituneessa valossa se värähtelee ainoastaan polarisaatiosuunnassa. Ilmakehästä sironnut auringonvalo on polarisoitunutta. Mehiläiset käyttävät tätä suunnasta riippuvaa taivaansinen polarisoitumista hyväksi suunnistaessaan.

Brewsterin lain mukaan heijastunut valo on täydellisesti polarisoitunut silloin, kun heijastuneen ja taittuneen säteen välinen kulma on suora. Brewsterin laki pätee vain eristeille. Täydellinen polarisaatio aineiden 1 ja 2 rajapinnassa tapahtuu, kun valon tulokulma α1 toteuttaa ehdon

tan α1 = n2/n1

jossa n1 ja n2 ovat aineiden taitekertoimet.

Laser

Laserin valo on koherenttia valoa. Se koostuu aalloista, joilla on sama taajuus ja vaihe. Laservalolla on suuri intensiteetti, koska koherentti valo on tiivistynyt siinä hyvin kapeaksi säteeksi. Laseria käytetään mm. lasertulostimissa, poliisien lasertutkissa, etäisyyden mittaamisessa, leikkauksissa ja tutkimuksessa. Kaupan kassalla lasersäde tunnistaa hinnan tuotteen viivakoodista. Hiilidioksidilaserilla voidaan työstää metalleja. Pienitehoisia lasereita käytetään cd-soittimissa. Silmän laserleikkauksissa laserhoito perustuu noin yhden millimetrin läpimittaisen laserpulssin aiheuttamaan sarveiskalvon hiontaan.

Laseria käytetään myös tiedonsiirtoon ja tallentamiseen. Sinisen laserin aallonpituus on punaista laseria lyhyempi ja sinisen laserin tallennuskapasiteetti on punaista laseria paljon suurempi. Tämä perustuu siihen, että sinistä valoa lähettävän laserin säde on kapeampi kuin punaista valoa lähettävän. Tämä mahdollistaa suuremman bittimäärän lukemisen ja kirjoittamisen levyn pinta-alaa kohden.