Tässähän
Tässähän
Tässähän
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
FYSIIKKA P4:N LUENNOILLA KEVÄÄLLÄ 2011 ESITETTYJÄ<br />
TIIVISTELMIÄ YM.<br />
SISÄLTÖ<br />
Sähkömagneettisen säteilyn spektri .......................................2<br />
Sähkömagneettisten aaltojen ominaisuuksia .........................3<br />
Heijastuminen ja taittuminen ...................................................4<br />
Refraktometrejä ........................................................................5<br />
Sateenkaaren syntyminen ........................................................6<br />
Polarisaatio ...............................................................................7<br />
Valon sironta ...........................................................................10<br />
Huygensin periaate .................................................................13<br />
Kangastuksen syntyminen .....................................................14<br />
Kangastustyyppejä .................................................................15<br />
Kuvautumisen sanastoa .........................................................16<br />
Merkkisäännöt heijastaville ja taittaville pinnoille ................17<br />
Pallopoikkeama koverassa peilissä .......................................18<br />
Kuvautuminen koverassa pallopeilissä .................................19<br />
Pallo- ja väripoikkeama kuperassa linssissä ........................20<br />
Linssityypit ..............................................................................21<br />
Valokuva ..................................................................................22<br />
Ihmissilmän rakenne ja mekaaninen toiminta .......................23<br />
Taittovirheet ja niiden korjaaminen silmälaseilla ..................26<br />
Suurennuslasi .........................................................................28<br />
Monokromaattisuus ja koherenssi .........................................29<br />
Interferenssi valon heijastuessa rajapinnoista......................30<br />
Taipuminen eli diffraktio .........................................................31<br />
Diffraktiohilan spektri .............................................................32<br />
Rayleigh'n kriteeri ...................................................................33<br />
Suhteellinen vs. absoluuttinen ..............................................34<br />
Einsteinin suhteellisuusteorian perusoletukset ...................35<br />
Atomin energiatasokaavio .....................................................36<br />
Fluoresenssi ...........................................................................37<br />
Bohrin vetyatomimallin oletukset ..........................................38<br />
Laser-sanastoa .......................................................................39<br />
Jarrutussäteily röntgenputkessa ...........................................40<br />
Sähkömagneettisen säteilyn hiukkasluonne ........................41<br />
Ydinvoima ...............................................................................42
Sähkömagneettisen säteilyn spektri<br />
Kuva: A. Vuorimäki, Fysiikan peruskurssi III, Turun yliopisto, 1999
SÄHKÖMAGNEETTISTEN AALTOJEN OMINAISUUKSIA:<br />
1. Sähkömagneettisessa aallossa, joka etenee tyhjiössä<br />
tai muussa yhtenäisessä aineessa, sähkökentän<br />
voimakkuus E , magneettivuon tiheys B ja<br />
aallon etenemissuunta ovat kohtisuorassa toisiaan<br />
vastaan kuten x-, y- ja z-akselit oikeakätisessä<br />
<br />
koordinaatistossa: E B v<br />
. Täten kysymyksessä<br />
on poikittainen aaltoliike, jonka suunta on sama<br />
kuin ristitulolla E<br />
B<br />
<br />
.<br />
2. Sähkömagneettisessa aallossa joka etenee tyhjiössä<br />
tai muussa yhtenäisessä aineessa, sähkökentän<br />
voimakkuuden ja sähkövuon tiheyden itseisarvojen<br />
suhde E / B ei muutu, vaan on jatkuvasti<br />
etenemisvauhdin v suuruinen.<br />
3. Sähkömagneettinen aalto etenee tyhjiössä aina<br />
nopeudella c 1/<br />
.<br />
0 0<br />
4. Sähkömagneettinen aaltoliike ei tarvitse väliainetta.<br />
Tässähän ”aaltoilevat” sähkö- ja magneettikentät<br />
tasapainoarvonsa (nollan) suhteen, eivätkä väliaineen<br />
hiukkaset tasapainoasemansa suhteen, kuten<br />
mekaanisessa aallossa.
HEIJASTUMINEN JA TAITTUMINEN<br />
Suunta- eli peiliheijastumisessa ja -läpäisyssä pätee:<br />
1. Tuleva, heijastunut ja taittunut säde sekä<br />
rajapinnan normaali ovat samassa tasossa.<br />
2. Heijastus- ja tulokulma ovat yhtäsuuret.<br />
heijastus = tulo (33.2)<br />
3. Tulo- ja taitekulman sinien suhde on väliaineille<br />
ominainen vakio.<br />
sin a / sin b = n b / n a = v a / v b (33.3)<br />
Em. säännöistä 1. ja 2. yhdessä muodostavat heijastumislain<br />
ja 1. ja 3. yhdessä taittumis- eli Snellin lain.<br />
Säännöistä seuraa, että valon kulku on käänteinen, ts.<br />
takaperin kulkevan säteen reitti on sama eli kulmien<br />
suuruudet eivät muutu, vaikka niiden roolit vaihtuvat.
REFRAKTOMETREJÄ<br />
Kuva: A. Vuorimäki, Geometrinen optiikka, Turun yliopisto, 1995
SATEENKAAREN SYNTYMINEN<br />
Kuvat: B. Jönsson & H. Hallstadius, ”Fysik: Optik”, Studentlitteratur, Lund, 1987.<br />
Vrt. oppikirjan kuva 33.20 [33.18].
POLARISAATIO<br />
Poikittainen aaltoliike edestä katsottuna:<br />
Täysin<br />
polaroimaton<br />
Osittain<br />
(taso-)<br />
polaroitu<br />
Täysin<br />
(taso-)<br />
polaroitu
POLARISOIVAN KALVON PERIAATE<br />
Kalvossa olevat pitkät, yhdensuuntaiset, sähköä<br />
johtavat molekyyliketjut muodostavat ”ritilän”.
MIKROAALTOJEN POLARISOINTI<br />
Mikroaaltojen polarisointiin sopii metallisauvoista tehty<br />
ritilä, jossa sauvojen väli on noin viidesosa aallonpituudesta.<br />
Mitä lyhyempi aallonpituus, sitä tiheämpi<br />
ritilä tarvitaan.<br />
Kuva: E. Hecht, ”Optics, 3rd Ed.” Addison-Wesley, 1998, Figure 8.12.
VALON SIRONTA<br />
Aaltoliikkeen sironta yleensä<br />
Sironta on aaltoliikkeen ja aineen vuorovaikutus, jossa aaltoliike ensin luovuttaa<br />
energiaa aineelle, joka sitten kohta lähettää energian ulos samanlaisena aaltoliikkeenä,<br />
joskin yleensä toiseen suuntaan kuin mihin alkuperäinen aaltoliike eteni.<br />
Sirontaa pohjimmiltaan ovat myös heijastuminen, taittuminen ja diffraktio, joissa<br />
sironta tapahtuu kuitenkin erityisen yhtenäisellä tavalla.<br />
Tavallisesti sironnasta puhuttaessa tarkoitetaan satunnaisiin suuntiin tapahtuvaa<br />
sirontaa yksittäisistä hiukkasista esim. väliaineen epäpuhtauksista.<br />
Valon sironta<br />
Valon sironnan voimakkuus riippuu sirottavien hiukkasten koosta ja valon aallonpituudesta.<br />
Kun hiukkaset ovat hyvin pieniä, aallonpituuden kymmenesosan<br />
luokkaa tai vielä pienempiä, sironnan voimakkuus on kääntäen verrannollinen<br />
aallonpituuden neljänteen potenssiin. Näin pienet hiukkaset sirottavat valoa<br />
kaikkiin suuntiin lähes yhtä paljon eikä hiukkasten muodolla ole tällöin mitään<br />
merkitystä. Hiukkasten koon kasvaessa sironnan voimakkuuden riippuvuus<br />
aallonpituudesta heikkenee ja samalla suurempi osa sironnasta tapahtuu eteenpäin,<br />
valon kulkusuuntaan. Kun hiukkasen koko on aallonpituuden luokkaa,<br />
myös hiukkasen muoto vaikuttaa asiaan ja tällöin ilmiötä voidaan alkaa kutsua<br />
diffraktioksi.<br />
Taivas on sininen, koska ilmamolekyylit sirottavat voimakkaammin auringon<br />
valon lyhyitä aallonpituuksia (sinistä) kuin pitkiä (punaista), jolloin hajavalosta<br />
tulee sinivoittoinen. Samasta syystä aurinko itse näyttää keskitaivaalla<br />
keltaiselta ja lähellä horisonttia suorastaan punaiselta, sillä läheltä horisonttia<br />
tulevat säteet joutuvat kulkemaan pidemmän matkan ilmakehässä ja vielä<br />
suurempi osa sinisestä siroaa pois säteen suunnasta. Jos ilmakehässä ei<br />
tapahtuisi sirontaa, vitivalkoinen aurinko paistaisi sysimustalla taivaalla.<br />
Ilmakehän sirottama auringon valo on pystysuuntaan polaroitunutta, kun<br />
taivasta katsotaan auringon suunnalle kohtisuorassa suunnassa. (Kuten<br />
uimahousuinen mies katsoo oppikirjan kuvassa 33.32 [33.29].) Koska auringosta<br />
tulevassa valossa sähkökentät värähtelevät valon etenemissuunnalle poikittaisissa<br />
suunnissa, vain niissä suunnissa voivat värähdellä myös valoa sirottavien<br />
ilmamolekyylien elektronit, joiden värähtely puolestaan viime kädessä tuottaa<br />
sironneen valon. (Tätä käytetään hyväksi värivalokuvauksessa: kun linssin eteen<br />
asetetaan polaroiva suodin päästösuunta vaakasuorasti, saadaan sinitaivas<br />
kuvassa dramaattisen tummaksi taustaksi kohteille, jotka eivät polaroi auringon<br />
valoa yhtä voimakkaasti.)
SIRONTAKUVION RIIPPUVUUS HIUKKASEN<br />
KOOSTA JA SÄTEILYN AALLONPITUUDESTA<br />
d = hiukkasen läpimitta, = säteilyn aallonpituus<br />
Kuva: H. Karttunen ym. ”Ilmakehä ja sää”, Ursa, 1997, Kuva 3.3.
SIRONNEEN SÄTEILYN POLARISAATION<br />
SUUNTARIIPPUVUUS<br />
Kuva: E. Hecht, ”Optics, 3rd Ed.” Addison-Wesley, 1998, Figure 8.36.<br />
Vrt. oppikirjan kuva 33.32 [33.29].
HUYGENSIN PERIAATE<br />
Aaltorintaman jokaista pistettä<br />
voidaan pitää lähteenä uusille<br />
aalloille, jotka leviävät kaikkiin<br />
suuntiin aaltoliikkeen etenemisvauhtia.<br />
Periaatteen avulla voidaan todistaa<br />
mm.:<br />
Heijastumislaki<br />
Taittumislaki<br />
Diffraktioilmiöitä
ALAPUOLISEN KANGASTUKSEN SYNTY-<br />
MINEN HUYGENSIN PERIAATTEEN MUKAAN<br />
Vrt. oppikirjan kuva 33.37 [33.34].
KANGASTUSTYYPPEJÄ<br />
Kuva: H. Karttunen ym. ”Ilmakehä ja sää”, Ursa, 1997.
KUVAUTUMISEN SANASTOA<br />
Esine tai kohde (engl. object) on<br />
piste tai pisteistö, jossa linssiin tai peiliin saapuvat<br />
valonsäteet leikkaavat.<br />
Esine on todellinen esine (engl. real object),<br />
jos saapuva sädekimppu on hajaantuva ja säteet<br />
lähtevät esineestä.<br />
Esine on vale-esine (engl. virtual object),<br />
jos saapuva sädekimppu on suppeneva ja sen<br />
säteiden jatkeet leikkaavat esinepisteessä.<br />
Kuva (engl. image) on<br />
piste tai pisteistö, jossa linssistä tai peilistä<br />
poistuvat valonsäteet leikkaavat toisensa.<br />
Kuva on todellinen kuva (engl. real image),<br />
jos poistuva sädekimppu suppenee kuvaan.<br />
Kuva on valekuva (engl. virtual image),<br />
jos poistuva sädekimppu hajaantuu ja sen säteiden<br />
jatkeet leikkaavat kuvapisteessä.
MERKKISÄÄNNÖT HEIJASTAVILLE JA<br />
TAITTAVILLE PINNOILLE<br />
1. Esineen etäisyys (s) pinnasta sijoitetaan kaavoihin<br />
positiivisena, jos esine on todellinen eli sijaitsee<br />
pinnan sillä puolella, josta valo tulee. Muulloin<br />
(ts. vale-esineen) etäisyys sijoitetaan negatiivisena.<br />
2. Kuvan etäisyys (s' ) pinnasta sijoitetaan positiivisena,<br />
jos kuva on todellinen eli sijaitsee pinnan sillä<br />
puolella, jonne valo poistuu. Muulloin (ts. valekuvan)<br />
etäisyys sijoitetaan negatiivisena.<br />
3. Pallopinnan kaarevuussäde (R) sijoitetaan<br />
positiivisena, jos pinnan kaarevuuskeskipiste<br />
sijaitsee pinnan sillä puolella, jonne valo poistuu<br />
(ts., jos valo poistuu koverasta pinnasta). Muulloin<br />
(ts. valon poistuessa kuperasta pinnasta) kaarevuussäde<br />
sijoitetaan negatiivisena.<br />
4. Kuvan korkeus (y' ) on samanmerkkinen kuin esineen<br />
korkeus (y), jos kuva on oikeinpäin. Muulloin<br />
(ts. ylösalaisen kuvan tapauksessa) korkeudet ovat<br />
vastakkaismerkkisiä.<br />
Huom.:<br />
Peilien tapauksessa valo poistuu aina pinnan sille<br />
puolelle, mistä se on tullutkin.<br />
Seurauksia:<br />
Sivu- eli viivasuurennus (m) on positiivinen, jos kuva<br />
oikeinpäin ja negatiivinen, jos kuva on ylösalaisin.<br />
Koveran peilin kaarevuussäde (R) ja polttoväli (f) ovat<br />
positiivisia, mutta kuperan peilin negatiivisia.<br />
Kokoavan linssin polttoväli (f) on positiivinen ja<br />
hajottavan negatiivinen.
Pallopoikkeama<br />
koverassa peilissä<br />
C<br />
P<br />
F<br />
C<br />
Kuva: A. Vuorimäki, Geometrinen optiikka, Turun yliopisto, 1995
KUVAUTUMINEN KOVERASSA PALLOPEILISSÄ<br />
Esineen<br />
Kuvan<br />
etäisyys s etäisyys s' tyyppi koko<br />
> s > 2f f < s' < 2f Pienentynyt<br />
s = 2f s' = 2f Todellinen Yhtä suuri<br />
kuva<br />
2f > s > f 2f < s' nurinpäin<br />
s = f<br />
s' = +<br />
s' = –<br />
f > s >0 – < s' < 0<br />
Valekuva<br />
oikeinpäin<br />
Suurentunut<br />
PS: Sen sijaan KUPERA pallopeili tuottaa todellisesta<br />
esineestä aina pienentyneen valekuvan, joka on<br />
oikeinpäin.
Kuvat: A. Vuorimäki, Geometrinen optiikka, Turun yliopisto, 1995
LINSSITYYPIT<br />
1. koverankupera<br />
2. tasokupera<br />
3. kaksoiskupera<br />
4. kuperankovera<br />
5. tasokovera<br />
6. kaksoiskovera<br />
Kuva: A. Vuorimäki, Fysiikan peruskurssi III, Turun yliopisto, 1999
SUOMEN ENSIMMÄINEN VALOKUVA<br />
Henrik Cajander, Turku 3.11.1842.<br />
Antti Vuorimäki, sama paikka kesällä 2010.
IHMISSILMÄN RAKENNE JA MEKAANINEN TOIMINTA<br />
Kuten kamerassa, ihmisen silmässä linssijärjestelmä<br />
muodostaa todellisen, ylösalaisen kuvan valoherkälle<br />
pinnalle. Huomattavin periaatteellinen ero mekaanisessa<br />
toiminnassa kameraan nähden on se, ettei tarkentaminen<br />
ihmissilmässä tapahdu muuttamalla linssin etäisyyttä<br />
valoherkästä pinnasta, vaan muuttamalla linssin taittovoimakkuutta.<br />
(Kalat ja sammakkoeläimet sen sijaan<br />
tarkentavat kameran tavoin siirtämällä linssiä.)<br />
Ensimmäisenä ja voimakkaimpana, kokoavasti taittavana<br />
pintana toimii sarveiskalvon ulkopinta. (Sen palloa hieman<br />
litistyneempi muoto pienentää pallopoikkeamaa.) Sarveiskalvon<br />
ja kammioveden rajapinnassa tapahtuu vain lievä<br />
taittuminen, koska taitekerrointen ero on pieni.<br />
Kammiovedessä sijaitsee värikalvo, jonka keskellä olevan<br />
pyöreän reiän, silmäterän eli pupillin eli mustuaisen kokoa<br />
kalvossa olevat lihakset säätelevät. (Pupillin läpimitta voi<br />
muuttua välillä 1,5...8 mm säännöstellen silmään tulevaa<br />
valovirtaa. Himmentimen tavoin se vaikuttaa myös kuvan<br />
terävyyteen: läpimitan ylittäessä 5 mm alkavat pallo- ja<br />
väripoikkeama huonontaa kuvaa.)<br />
Sipulimaisesti kerrostuneen mykiön eli linssin taittokyky on<br />
sarveiskalvoa pienempi, mutta kasvatettavissa mykiön<br />
muotoa muuttamalla. (Mykiöaineen taitekerroin on keskellä<br />
suurempi kuin reunoilla, mikä vähentää pallopoikkeamaa.)<br />
Mykiön muodonmuutoksesta vastaa sädekehässä oleva<br />
sädelihas. Lihaksen supistuessa mykiön ripustimet höltyvät<br />
ja mykiö kupertuu omaa kimmoisuutaan. Lepotilassa lihas<br />
on veltto, ripustimet kireällä ja mykiö litteimmillään. Iän<br />
mukana mykiö menettää kimmoisuuttaan eikä pysty<br />
kupertumaan niin paljon kuin aikaisemmin.<br />
Edellä kuvattua silmän mukautumista katseluetäisyyteen<br />
sanotaan akkommodaatioksi. Lähin selvästi nähtävä piste<br />
on likipiste (lapsilla 10 cm silmästä). Piste, johon akkommodoitumaton<br />
silmä katsoo, on kaukopiste ja se on normaalisti<br />
äärettömyydessä. Etäisyyttä, jolla silmä rasittumatta<br />
selvimmin kykenee näkemään esineen, sanotaan selvän
näkemisen väliksi tai lukuetäisyydeksi ja se on normaalisti<br />
n. 25 cm.<br />
Kamerasta poiketen silmän kuvatila on hyytelömäisen<br />
aineen, lasiaisen täyttämä. (Koska esineen- ja kuvanpuoleisessa<br />
tilassa on eri väliainetta, myös silmän polttoväli<br />
eroaa niissä. Ilmanpuoleinen polttoväli on lepotilassa 17 mm<br />
ja lasiaisen puoleinen on 23 mm.)<br />
Vahvan kovakalvoseinämän sisäpuolella on runsaasti<br />
verisuonia sisältävä suonikalvo, joka myös absorboi<br />
hajavaloa. Suurta osaa suonikalvon sisäpintaa peittää<br />
valoherkkien solujen muodostama verkkokalvo. Näkösoluja<br />
on kahta tyyppiä, sauvoja (n. 120 milj. ) ja tappeja (n. 7 milj. ).<br />
Sauvojen herkkyys on tuhansia kertoja suurempi kuin<br />
tappien. (Lisäksi sauvat ovat liittyneet hermosäikeisiin<br />
moninkertaisesti, jolloin mikä tahansa n. sadan sauvan<br />
ryppäästä voi aktivoida yhden hermon. Edullisissa oloissa<br />
yksi ainoakin sauvasoluun osunut fotoni voi tuottaa<br />
valoaistimuksen.) Toisaalta sauvojen antama kuva on<br />
epätarkka ja värejä erottelematon.<br />
Tarkan näkemisen alueella, keltatäplän keskellä olevassa<br />
keskuskuopassa ei ole lainkaan sauvasoluja mutta tappeja<br />
tiheästi (n. 150000 / mm 2 ). Koska keskuskuopan ulkopuolella<br />
näön tarkkuus on huono (5:een päässä enää puolet), vain<br />
pieni osa näkökentästä nähdään selvästi. Liikuttelemalla<br />
silmämunaa voidaan kuitenkin tarkata vuoron perään eri<br />
yksityiskohtia.<br />
Värien näkemisestä vastaavat tappisolut. (Niitä on<br />
kolmenlaisia: sinivioletille, vihreälle ja punakeltaiselle<br />
herkkiä. Herkkyyksien huiput osuvat aallonpituuksille<br />
447 nm, 540 nm ja 577 nm, mutta herkkyysalueet menevät<br />
pahasti päällekkäin.)
Silmän osien suomenkielisiä nimiä oppikirjan kuvassa<br />
34.44a [34.41a].
TAITTOVIRHEET JA NIIDEN KORJAAMINEN SILMÄLASEILLA<br />
Normaalissakin silmässä on pallo- ja väripoikkeamaa sekä<br />
jonkin verran hajataittoisuutta (eli astigmaattisuutta), jota<br />
kuva 34.48a [34.45a] esittää. Säännöllistä hajataittoisuutta<br />
voidaan korjata ns. sylinterilaseilla, joissa linssin pinta<br />
kaareutuu pallomaisen sijasta sylinterimäisesti siten, että<br />
linssin taittokyky on voimakkain suunnissa, joissa silmän<br />
oma taittokyky on heikoin. Kuvassa 34.48b [34.45b] on<br />
kovera sylinterihionta.<br />
Helposti laseilla korjattavia vikoja ovat liki- ja kaukotaittoisuus<br />
sekä ikänäkö.<br />
Kuvan 34.45a [34.42a] esittämässä normaalissa silmässä,<br />
joka ei ole akkommodoitunut, kaukana olevasta pisteestä<br />
tulevat valonsäteet yhtyvät verkkokalvolla.<br />
Kuvien 34.45b [34.42b] ja 34.47a [34.44a] likitaittoisuudessa<br />
(myopia) kaukana olevan kohteen kuva syntyy verkkokalvon<br />
eteen, koska silmämuna on liian pitkä tai silmän taittavat<br />
osat ovat liian voimakkaat. Hajottavat, ts. koveralinssiset<br />
silmälasit korjaavat tilanteen kuten kuvassa 34.47b [34.44b].<br />
Kuvien 34.45c [34.42c] ja 34.46a [34.43a] kaukotaittoisuudessa<br />
(hyperopia) kuva muodostuu verkkokalvon taakse silmämunan<br />
ollessa suhteellisesti liian lyhyt. (Nuori ihminen<br />
pystyy tavallisesti korjaamaan tämän akkommodoimalla<br />
kauaksikin katsoessaan, mutta sädelihaksen rasittuminen<br />
voi ilmetä esim. päänsärkynä.) Kokoavat, ts. kuperalinssiset<br />
lasit normalisoivat tilanteen kuten kuvassa 34.46b [34.43b].<br />
Ikänäköä (presbyopia) ei ole kuvissa erikseen esitelty. Kun<br />
muutoin normaalisti näkevän henkilön akkommodaatio heikkenee,<br />
hän näkee huonosti lähelle ja tarvitsee lukemiseen<br />
kuperalinssiset lasit.<br />
LINSSIEN TAITTOVOIMAKKUUS<br />
Polttovälin ohella käytetään sen käänteissuuretta taittovoimakkuutta:<br />
D = 1/f. Taittovoimakkuuden yksikköä 1/m<br />
kutsutaan dioptriaksi, d. Taittovoimakkuuden etumerkki on<br />
sama kuin polttovälinkin, ts. kokoavan linssin tapauksessa<br />
positiivinen ja hajottavan linssin tapauksessa negatiivinen.
SUURENNUSLASI<br />
Kohteen etäisyys silmästä vaikuttaa verkkokalvolle muodostuvan<br />
kuvan kokoon. Mitä lähempänä silmää esine on, sitä suurempi<br />
kuva verkkokalvolle muodostuu. Vaikka esine olisikin<br />
mahdollista tuoda riittävän lähelle silmää, siitä ei ole hyötyä, jos<br />
silmä ei pysty näkemään tarkasti niin lähellä olevaa kohdetta.<br />
Lähin tarkasti nähty etäisyys on yksilöllinen, mutta yleensä<br />
ajatellaan, ettei kohdetta voida silmää liikaa rasittamatta tarkastella<br />
lähempänä kuin 25 cm. Tätä etäisyyttä kutsutaan selvän<br />
näkemisen väliksi tai normaaliksi lukuetäisyydeksi.<br />
Suurennuslasin ja mikroskoopin tarkoituksena on kasvattaa<br />
silmän kohteesta saamaa näkökulmaa ja siten verkkokalvolle<br />
muodostuvan kuvan kokoa. (Kaukoputken tarkoitus on tämän<br />
lisäksi kasvattaa kohteesta saatavaa valomäärää.)<br />
Suurennuslasi eli luppi on kokoava linssi. Tarkasteltava esine<br />
sijoitetaan polttoväliä lähemmäksi linssiä, jolloin siitä muodostuu<br />
suurentunut valekuva, joka on oikeinpäin, kuten kuva 34.51<br />
[34.46] esittää.<br />
Suurennuslasin tai muun näkökulman kasvattamiseen käytetyn<br />
apuvälineen tehokkuutta kuvaa kulmasuurennus<br />
M '/, (34.21)<br />
missä on kohteen näkökulma paljaalla silmällä, ilman apuvälinettä<br />
ja ' näkökulma apuvälineen kanssa. Apuvälineetön näkökulma<br />
riippuu siitä, millä etäisyydellä silmästä kohde sijaitsee.<br />
Kulmasuurennuksen määritelmässä vertailuetäisyydeksi on<br />
sovittu normaali lukuetäisyys 25 cm.<br />
Jos esine sijoitetaan suurennuslasin polttopisteeseen, valekuva<br />
muodostuu äärettömän kauas, mikä rasittaa normaalia silmää<br />
vähiten. Tällöin kulmasuurennus on normaali lukuetäisyys<br />
jaettuna linssin polttovälillä:<br />
M = '/ = (25cm) / f, (34.22)<br />
sillä pieni kulma tan = y/(25cm) kuvassa 34.51a [34.46a] ja<br />
pieni kulma ' tan' = y/f kuvassa 34.51b [34.46b], joissa y on<br />
kohteen koko.
Hieman parempi suurennus saadaan tuomalla esine lähemmäksi<br />
linssiä, mutta siinä tapauksessa myös valekuva muodostuu<br />
lähemmäksi silmää, joka tällöin rasituu.<br />
Kuvausvirheiden vuoksi yksilinssisen suurennuslasin kulmasuurennusta<br />
ei yleensä tehdä suuremmaksi kuin 3–4. Voimakkaimmissa,<br />
jopa 25 kertaa suurentavissa lupeissa on virheitä<br />
korjattu kittaamalla kolme linssiä yhteen.<br />
Mikroskoopeissa ja kaukoputkissa okulaari toimii suurennuslasin<br />
tavoin, mutta okulaarin esineenä ei ole itse kohde, vaan<br />
laitteen objektiivin kohteesta tuottama, todellinen, ylösalainen<br />
kuva. Tästä syystä myös lopullinen, silmän havaitsema valekuva<br />
on ylösalaisin.
MONOKROMAATTISUUS<br />
Monokromaattisuus merkitsee, että aaltoliike sisältää<br />
vain yhtä taajuutta eli vain yhtä aallonpituutta.<br />
Valon tapauksessa monokromaattisuus on sama asia<br />
kuin yksivärisyys. Valkoinen valo on moniväristä.<br />
Useimpien valonlähteiden valo ei ole monokromaattista.<br />
Esim. auringon ja hehkulampun valot sisältävät<br />
tasaisesti eri aallonpituuksia laajalta väliltä. Purkauslamppujen<br />
valot sisältävät aallonpituuksia muutamalta<br />
kapealta väliltä. Laserin valo on hyvin monokromaattista.<br />
Monivärisestä valosta voidaan tehdä likimain yksiväristä<br />
antamalla sen läpäistä suodatin, joka absorboi<br />
ei-toivottuja aallonpituuksia. Puhtaammin aallonpituuksien<br />
erottelu onnistuu prisman tai diffraktiohilan<br />
avulla.<br />
KOHERENSSI<br />
Koherenssi tarkoittaa samasta lähteestä tulevien<br />
aaltosarjojen samanvaiheisuutta ja aaltosarjojen<br />
pysymistä pitkään tahdissa.<br />
Useimpien valonlähteiden valo ei ole koherenttia<br />
kummassakaan em. mielessä. Auringon, hehkulampun<br />
tai purkauslampunkaan eri kohdista tarkastelupisteeseen<br />
tulevat säteet eivät ole keskenään samassa<br />
vaiheessa. Myöskään auringon tai lampun samasta<br />
kohdasta saapuva valo ei pysy tahdissa pitkään, vaan<br />
aaltosarja katkeaa.<br />
Laserin valo on hyvin koherenttia.<br />
Koherenssi edellyttää, että aaltoliike on monokromaattista.<br />
Interferenssi-ilmiöissä on tärkeää, että interferoivien<br />
aaltojen lähteet ovat koherentteja, jolloin eri lähteiden<br />
aalloilla on pysyvä ja yksikäsitteinen vaihe-ero.
INTERFERENSSIEHDOT VALON HEIJASTUESSA<br />
KOHTISUORASTI ILMAVÄLIN TAI KALVON RAJA-<br />
PINNOISTA<br />
Interferenssi on ehdolla<br />
2t = m (35.17a=18b)<br />
[37.17]<br />
a) vahvistava, jos säteillä ei ole vaihe-eroa<br />
b) heikentävä, jos säteillä on 180° vaihe-ero<br />
ja ehdolla<br />
2t = (m+½) (35.17b=18a)<br />
[37.18]<br />
missä<br />
a) heikentävä, jos säteillä ei ole vaihe-eroa<br />
b) vahvistava, jos säteillä on 180° vaihe-ero<br />
t = ilmavälin tai kalvon paksuus,<br />
= valon aallonpituus,<br />
m = 0, 1, 2, 3, ...<br />
Vaihe-erossa on otettava huomioon kummallekin valonsäteelle<br />
heijastuksessaan mahdollisesti tapahtuva<br />
vaiheen muutos.<br />
Heijastuksessa vaihe jää muuttumatta, jos n a > n b ,<br />
mutta muuttuu 180°, jos n a < n b .<br />
Jos molempien säteiden vaihe muuttuu 180°, niillä ei ole<br />
vaihe-eroa.
DIFFRAKTIOHILAN SPEKTRI
SUHTEELLINEN VS. ABSOLUUTTINEN<br />
Suure on suhteellinen, jos eri havaitsijat<br />
mittaavat sille eri arvoja.<br />
Suure on absoluuttinen, jos kaikki<br />
havaitsijat mittaavat sen yhtä suureksi.<br />
Suhteellisina jo ennen Einsteinin teoriaa<br />
pidettiin mm.<br />
kappaleiden nopeuksia,<br />
paikkojen koordinaatteja<br />
Absoluuttisina ennen Einsteinia pidettiin mm.<br />
tapahtumien aikavälejä,<br />
paikkojen välimatkoja<br />
Einsteinin teoriassa myös aikavälit ja välimatkat<br />
ovat suhteellisia, ts. eri havaitsijat voivat<br />
mitata niille eri arvoja.
EINSTEININ SUPPEAMMAN SUHTEELLI-<br />
SUUSTEORIAN PERUSOLETUKSET:<br />
1. Fysiikan lait pätevät samanlaisina kaikissa<br />
inertiaalikoordinaatistoissa.<br />
2. Valon nopeus tyhjiössä on yhtä suuri<br />
kaikissa inertiaalikoordinaatistoissa ja<br />
riippumaton valonlähteen liiketilasta.<br />
Muist.<br />
Inertiaalikoordinaatisto = koordinaatisto,<br />
jossa kaikki vapaat kappaleet liikkuvat tasaisilla<br />
nopeuksilla, ts koordinaatisto, joka itse<br />
ei ole kiihtyvässä liikkeessä.<br />
Huom.<br />
Oikeastaan 2. oletus on 1. oletuksen seuraus,<br />
sillä valon nopeuden arvo tyhjiössä voidaan<br />
johtaa sähkömagnetismin laeista (Maxwellin<br />
yhtälöistä).
FLUORESENSSI
BOHRIN VETYATOMIMALLIN OLETUKSET<br />
1. Vetyatomissa on elektroni, jonka varaus<br />
on –e ja massa m, sekä elektronia paljon<br />
massiivisempi, mutta hyvin pieni ydin,<br />
jonka varaus on +e.<br />
2. Ytimen ja elektronin välillä vallitsee<br />
sähköinen vuorovaikutus, joka noudattaa<br />
Coulombin lakia.<br />
3. Elektronin rata ytimen sähkökentässä<br />
voidaan laskea Newtonin toisesta laista.<br />
4. Tietyt radat ovat pysyviä, ts. elektroni ei<br />
säteile niillä ollessaan. ( Vanha fysiikka.)<br />
5. Siirtyessään radalta toiselle elektroni<br />
lähettää tai vastaanottaa fotonin, jonka<br />
energia hf on yhtä suuri kuin elektronin<br />
energian muutos. ( Vanha fysiikka.)<br />
6. Elektronin pyörimismäärä on kvantittunut<br />
ja voi saada vain arvoja nh / 2, missä n =<br />
1, 2, 3,... ( Vanha fysiikka.)
LASER-SANASTOA<br />
LASER = Light Amplification by Stimulated<br />
Emission of Radiation<br />
= valon vahvistaminen herätetyn<br />
säteilemisen avulla<br />
ITSESTÄÄN VS. HERÄTTÄEN<br />
Itsestään tapahtuva säteileminen = spontaani<br />
emissio<br />
suunta, vaihe ja polarisaatio satunnaisia<br />
Herätetty säteileminen = stimuloitu emissio<br />
suunta, vaihe ja polarisaatio samat kuin<br />
herättäjällä<br />
KÄÄNNETTY MIEHITYS<br />
korkeamman energian omaavassa tilassa<br />
on useampia atomeja kuin matalamman<br />
energian omaavassa tilassa
ELEKTRONIEN LÄHETTÄMÄN JARRUTUS-<br />
SÄTEILYN SPEKTRI RÖNTGENPUTKESSA<br />
ERI JÄNNITEILLÄ
SÄHKÖMAGNEETTISEN SÄTEILYN<br />
HIUKKASLUONNE<br />
Ilmiöitä, joiden selittäminen vaatii sähkömagneettisen<br />
säteilyn hiukkasluonnetta:<br />
Mustan kappaleen säteilemisvoimakkuuden<br />
jyrkkä pienentyminen lyhyillä aallonpituuksilla<br />
eli suurilla taajuuksilla.<br />
Röntgenputkessa ei synny elektronien<br />
jarrutussäteilyä tiettyä rajaa lyhyemmillä<br />
aallonpituuksilla lainkaan.<br />
Valosähköinen ilmiö vaatii valon taajuudelta<br />
tietyn kynnysarvon, jota pienemmillä taajuuksilla<br />
elektroneja ei irtoa, ja irronneiden<br />
elektronien liike-energioilla on tietty suurin<br />
arvo, joka riippuu valon taajuudesta.<br />
Comptonin sironta eli vapaasta elektronista<br />
sironneen röntgensäteilyn aallonpituus on<br />
alkuperäistä pidempi.
YDINVOIMA<br />
vaikuttaa nukleonien välillä<br />
vetovoima, paitsi hyvin lyhyillä etäisyyksillä (< 0,9 fm)<br />
poistovoima<br />
lyhyt kantama: merkityksetön yli 2 fm etäisyyksillä<br />
kantamansa alueella voimakkaampi kuin mikään muu<br />
nukleoneihin vaikuttava voima, esim. protonien<br />
välinen sähköstaattinen poistovoima<br />
riippumaton sähkövarauksesta<br />
lähes riippumaton siitä, onko nukleoni protoni vai<br />
neutroni<br />
ei riipu pelkästään nukleonien välimatkasta<br />
ei ole esitettävissä yhdellä kaavalla (toisin kuin<br />
Coulombin sähköstaattinen voima ja Newtonin<br />
gravitaatiovoima)<br />
jäännösvoima vahvasta vuorovaikutuksesta*, joka<br />
vaikuttaa nukleonien ”sisällä” olevien kvarkkien**<br />
välillä<br />
* Vahva vuorovaikutus on yksi luonnon neljästä tunnetusta<br />
vuorovaikutuksesta. Kolme muuta ovat heikko<br />
vuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja<br />
gravitaatio.<br />
** Kvarkit ja leptonit ovat nykyisen käsityksen mukaan<br />
jakamattomia perushiukkasia. Kumpiakin on kuusi<br />
erilaista. Protoni koostuu kahdesta u- ja yhdestä d-<br />
kvarkista, neutroni yhdestä u- ja kahdesta d-kvarkista.<br />
Leptoneista tutuin on elektroni.
Change language