Interakcija svetlosti i materije

Interakcija svetlosti i materije predstavlja složen kvantnomehanički mehanizam međusobnog delovanja elektromagnetnih talasa i kvantnih stanja elektrona. Uprošćena interpretacija ovih Interakcija može se svesti na tri osnovna efekta: Apsorpciju, transmisiju i refleksiju svetlosti.

Apsorpcija svetlosti

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

Crvena boja predmeta

Refleksija svetlosti

Refleksija je odbijanje svetlosti od površine tela. Ukoliko je površina tela uglačana, zraci koji padaju paralelno na površinu ostaju paralelni i nakon odbijanja. U tom slučaju govorimo o pravilu refleksije svetlosnih zraka:

Ugao između upadnog zraka i normale na površinu jednak je uglu između odbojnog zraka i normale na površinu.

Jednaki upadni i odbojni uglovi.

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

Refrakcija svetlosti

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

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

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

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

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

Prelamanje svetlosti kroz prizmu.

Totalna refleksija

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

Kritični ugao totalne refleksije.

Riblje oko

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

Duga

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

Duga

Fatamorgana

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

Totalna refleksija o vreo sloj vazduha.
Fatamorgana