Valguslaine

Valgusnähtuste uurimisel peatükkides „Valgus", „Valguse peegeldumine ja murdumine" ja „Lääts ja kujutis" lähtusime tuntud faktist, et valgus levib homogeenses keskkonnas sirgjooneliselt, ja kasutasime valguse leviku kirjeldamiseks valguskiire mõistet. Tutvusime valguse peegeldumise ja murdumisega ning selle rakendustega optikaseadmetes.

Peatüki algul rääkisime hollandi füüsikust Christian Huygensist, kelle tähtsamad tööd olid seotud lainete uurimisega. Lainetel on sõltumata nende olemusest (helilained, lained vee pinnal jne) palju ühist, mistõttu paljud lainenähtused kulgevad ühte moodi. Kui võrrelda valgusnähtuste juures kehtivaid seaduspärasusi, siis paljud neist on samasugused lainetega seotud nähtustega. Heli puhul rääkisime hääle sirgjoonelisest levimisest ühtlases keskkonnas, mida saab kirjeldada helikiire abil. Valguse korral rääkisime valguse sirgjoonelisest levimisest ühtlases keskkonnas ja kasutasime valguskiire mõistet. Nii heli kui ka valguse korral kehtib ühesugune peegeldusseadus. Heli korral me nägime, et mitteühtlases keskkonnas helikiired ei levi sirgjooneliselt ja kalduvad suunas, kus heli kiirus on väiksem. Sama on ka valgusega, kus sama asi ilmneb kõige drastilisemalt terenduse juures. Kõik need sarnasused seletuvad sellega, et ka valgus on laine. Huygens oli esimene, kes lõi valguse laineteooria. Ta jõudis järeldusele, et valgus on laine, sest nii valguse peegeldumist kui ka murdumist saab seletada laineteooriaga.

Siiski sai valguse laineteooria katselise kinnituse enam kui sada aastat hiljem, sest valguse lainelisi omadusi oli raske katseliselt tõestada. Üheks põhjuseks oli see, et valguse lainepikkused on väga väikesed, mistõttu nõudis lainega seotud efektide kindlakstegemine eraldi metoodikat. Teine oluline põhjus, miks valguse laineteooria tõestamine nii palju aega võttis, oli Newtoni autoriteet ja tema oletus, et valgus on valgusosakeste voog, mis inimesele silma jõuab. Paraku oli Newtoni osakesteteooria vale, sest Newtoni järgi murduvad suurema kiirusega valgusosakesed rohkem kui väikese kiirusega osakesed. Teame aga, et see nii ei ole: üleminekul keskkonnast, milles valguse kiirus on suurem, keskkonda, milles valguse kiirus on väiksem, „paindub” murdunud kiir alati pinnanormaali poole. Huygensi laineteooriast aga järeldub see üsna lihtsasti. Kuna Newtoni teooriasse usuti, siis läks pea sada aastat, kui Newtoni teooria ümber lükati ja tunnustati Huygensi laineteooriat.

Newton lahutas päikesevalguse värvilisteks valgusteks, mis omakorda kokku liites andis uuesti valge valguse. Nägime, et erinevat värvi valgus murdub erinevalt ja seetõttu prismat läbides saame spektri – eri värvi valguste rea. Mille poolest aga eri värvi valgused erinevad? Sellele annab vastuse valguse laineline pool. Kui vaatame uuesti Newtoni poolt saadud valge valguse spektrit, siis selgub, et igale värvusele vastab kindla lainepikkusega valguslaine.

Jooniselt on ka näha, et päikesevalguse spekter on pidev, selles esinevad kõikvõimalike lainepikkustega eri värvusega valgused.

Newton eristas omal ajal 7 värvust. Järgnevas tabelis on toodud nendele värvustele vastavate lainepikkuste kokkuleppeline vahemik.

Inimese silma tundlikkus sõltub samuti valguse lainepikkusest. Järgnevalt on toodud silma tundlikkuse kõverad sinisele, rohelisele ja punasele valgusele. Nende maksimumid on lainepikkustel 440, 540 ja 570 nm.

Nähtava valguse lainepikkused on vahemikus 380 nm kuni 760 nm. Violetne valgus on väiksema lainepikkusega kui punane valgus. Mis aga kõige olulisem, valguse lainepikkused on helilainetega võrreldes ääretult väikesed. Inimese kõrvaga kuuldava hääle lainepikkuses on sentimeetritest kümnekonna meetrini, nähtaval valgusel aga sellest umbes miljon korda väiksemad. See oli ka üks olulisi põhjuseid, miks valguse laineliste omaduste kindlakstegemine nii palju aega võttis.

Kuna inimese silm võtab vastu kolme värvi valgust, siis nende valguste erineva intensiivsusega kombinatsioonid võimaldavad saada erinevaid värvusi. Nagu me õppetükis „Kuidas silm näeb värvusi" rääkisime, kasutatakse seda näiteks värvilise pildi saamiseks televiisorites ja kuvarites. Samuti kasutatakse seda tänapäeval populaarsetes LED-lampides, kus kolme valguse: sinise, rohelise ja punase liitumisel saab tekitada valge valguse. Sellise lambi spekter koosneb ainult kolme lainepikkusega valgusest, nagu on kujutatud alloleval joonisel.

Kui päikesevalguse spekter on pidev, sisaldades kõikvõimalikke lainepikkusi vahemikus 380 kuni 760 nm, siis samasuguse valge valguse saame uutes LED-lampe kasutatavates pirnides kolme põhivärvuse sobival kombineerimisel.

Valgusnähtuste korral, kus on oluline valguse laineline loomus, on otstarbekas kasutada lainepikkuse mõistet. Kui me heli korral rääkisime lainepikkuse asemel sagedusest, siis anname võrdluseks ka valguse jaoks eri lainepikkustele vastavad sagedused. Valguse kiiruse, lainepikkuse ja sageduse vahel on samasugune seos nagu heli korral: c = λ f, kus c on valguse kiirus, λ valguse lainepikkus ja f valguse sagedus. Lainepikkuse 380 nm korral saame sageduseks 7,9 ∙ 10¹⁴ Hz ja lainepikkuse 750 nm korral 4,0 ∙ 10¹⁴ Hz. Võrdluseks, esimese oktaavi „la” sagedus on 440 Hz, sellele vastava heli lainepikkus õhus on 75 cm! Siit on näha, et valguse lainepikkused on tavamõistes ääretult väikesed, vastavate võnkumiste sagedused aga ülisuured. Valguse väga väikese lainepikkuse tõttu võib optikas jätta paljudel juhtudel lainepikkuse arvestamata ja käsitleda nähtusi, kus valguse laineline loomus ei ole oluline.

Eelneva põhjal tekib sul kindlasti küsimus, mis lained need valguslained on. Seni me rääkisime lainetest vee pinnal ja helilainetest, mis kujutasid endast võnkumiste edasikandumist keskkonnas. Võnkumised tekivad mingis elastses keskkonnas (gaas, vedelik, tahke keha) ja levivad siis selles keskkonnas edasi lainena. Kui üks keskkonna osake hakkab võnkuma, siis osakestevahelise vastastikmõju tulemusena paneb see võnkuma naaberosakesed, need omakorda nende naabruses olevad osakesed ja selle tulemusena levivad võnkumised lainena võnkumiste allikast eemale. Õhutühjas ruumis helilained levida ei saa, sest puuduvad osakesed, mis võnkumisi edasi kannaks.

Valguse kohta teame, et see levib ka vaakumis (õhutühjas ruumis), jõudes näiteks Päikeselt Maale. Samuti levib valgus keskkonnas, näiteks õhus, klaasis, vees. Kui vaakumis levib valgus kiirusega c = 300 000 $\frac{\text{km}}{\text{s}}$, siis mistahes keskkonnas on tema levimiskiirus väiksem kui vaakumis. Valguse laineteooria näitab, et keskkonnas sõltub valguse kiirus tema lainepikkusest / sagedusest. Nii on sinise valguse kiirus keskkonnas väiksem punase valguse kiirusest keskkonnas. Seetõttu murdub näiteks klaasprismas sinine valgus rohkem kui punane valgus. Vaakumis aga ei sõltu valguse kiirus lainepikkusest, kõik lainepikkused levivad ühe ja sama kiirusega.

Mis imelik laine siis valgus on, et saab levida nii vaakumis kui ka keskkonnas? Füüsika keeles öeldakse, et valgus on elektro­magnet­laine. Nii, nagu gravitatsiooniga on seotud gravitatsiooni­väli, on elektri- ja magnetnähtustega seotud vastavalt elektri- ja magnetväli. Valgus ongi ruumis leviv elektri- ja magnetväli. Neid kahte välja koos nimetatakse elektro­magnet­väljaks ja valgusega seotud lainet elektro­magnet­laineks. Valgus on ristlaine, mis tähendab, et elektri- ja magnetvälja võnkumised toimuvad risti valguse levimise suunaga. Elektri- ja magnetväli saab eksisteerida nii vaakumis kui ka keskkonnas, seetõttu võib ka elektro­magnet­laine (sealhulgas valgus) levida nii vaakumis kui ka keskkonnas.

Silmaga nähtav valgus on ainult väike osa elektro­magnet­lainete spektrist. Päikese­kiirgus sisaldab ka ultraviolett­kiirgust ja infrapuna­kiirgust, mis on samuti elektro­magnet­lained. UV-kiirguse lainepikkus on aga väiksem nähtava valguse laine­pikkusest ja infrapuna­kiirguse lainepikkus on suurem nähtava valguse lainepikkusest. Elektro­magnet­laineid kasutatakse ka mobiilisides ning raadio- ja telesaadete edastamiseks.

Seega on ka laineid, mis saavad levida nii keskkonnas kui ka vaakumis. Need on aga seotud füüsika­nähtustega, mida sa õpid alles 9. klassis.