Valgus kui elektromagnet­laine

  • Meeldetuletus lainetest
  • Valguslaine
  • Valguslainet iseloomustavad suurused
Seotud sisu
Muud tegevused

Lained

Tuletame meelde, milliste lainetega oleme füüsika õppimisel juba kokku puutunud. Need on heli-, vee- ja elektro­magnet­lained. Neil on küll erinev päritolu, kuid ometi on nad omavahel sarnased – kõik nad kannavad edasi võnkumisi.

Elektromagnetlainete erinevus vee- ja helilainetest

Erinevalt heli- ja veelainetest ei pane elektro­magnet­laine võnkuma mingit kesk­konda. Elektro­magnet­laines ei ole laine­harju ega -põhju nagu näiteks veelainel. Laineline olemus avaldub ruumis leviva elektri- ja magnet­välja perioodilises muutumises.

Lainete kaks kirjeldamisviisi

Laineid kirjeldatakse kahesuguste graafikutega. Need näitavad võnkumiste levimist ajas või ruumis. Vaatleme, kuidas kirjeldatakse elektro­magnet­lainet. Ühel juhul registreeritakse elektri- ja magnet­välja väärtused teatud ajahetkel piki mingit ruumi­suunda (joon. 2.1). Elektri­välja kirjeldatakse elektri­välja tugevuse vektoriga  E → MathType@MTEF@5@5@+= feaagGart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbnLNCPf gzGaLCVbqedmvETj2BSbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE 0jxyaibaieIcFv0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGacaGaaiaabeqaamaadaabaaGcbaWaa8Haaeaaca WGfbaacaGLxdcaaaa@3842@  (E-vektor) ja magnet­välja magnet­induktsiooni vektoriga  B → MathType@MTEF@5@5@+= feaagGart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbnLNCPf gzGaLCVbqedmvETj2BSbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE 0jxyaibaieIcFv0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGacaGaaiaabeqaamaadaabaaGcbaWaa8Haaeaaca WGcbaacaGLxdcaaaa@383F@  (B-vektor).

Joonis 2.1. Elektromagnetlaine komponentide hetkväärtused piki x-telge.

Selleks, et olukorda piltlikumalt ette kujutada, kasutame veelainete analoogiat. Joonisel 2.1 toodud graafikule sarnase pildi saaksime, kui me foto­grafeerik­sime lainetavat veepinda välk­lambi valgusel. Sel juhul jäädvustatakse laine kuju ühel kindlal hetkel. Niisugune graafik näitab, kui kaugele laine on antud suunas levinud.

Teisel juhul registreeritakse väljade muutumist ajas ühes kindlas ruumi­punktis (joon. 2.2). Kui meil oleks vaja koostada selline graafik veelainete jaoks, tuleks iga natukese aja järel veetaset mõõte­latiga mõõta. Selliselt graafikult saab kindlaks teha, kui kaua on laine antud punkti läbinud.

Joonis 2.2. Elektromagnetlaine komponentide muutumine ajas.

Mõlemal juhul muutuvad nii elektri- kui ka magnet­väli siinus­funktsiooni järgi ehk sinusoidaal­selt. Väljade võnkumised toimuvad samas faasis. See tähendab, et mõlemad väljad saavutavad oma maksi­maalsed väärtused ühel ajahetkel või ühes ruumi­punktis, samuti ka null­väärtused jne.

Seotud sisu
Muud tegevused

Valguslaine

Valguslaine kui eetrivõnkumine

Kui valguse laineteooria välja töötati, ei teatud, mis lained need valgus­lained on. Arvati, et kogu maailma täidab eriline nähtamatu aine – eeter. Selle eetri võnkumiste levimist peetigi valgus­laineks. 19. sajandi teisel poolel tõestati, et valgus­lained on tegelikult elektro­magnet­lained. Hilisemad uurimused on näidanud, et mingit eetrit pole olemas. Valgus saab levida ka täielikus tühjuses.

Nagu varemõpitust teada, tekitab muutuv elektri­väli muutuva magnet­välja. Muutuv magnet­väli omakorda tekitab jälle muutuva elektri­välja. See omapärane läbi­põimunud väljade süsteem ei püsi ruumis paigal, vaid levib edasi valguse kiirusega.

Valguslaine koosneb ristsuunas võnkuvast elektri- ja magnetväljast.

Valguslaine koosneb kahest komponendist: elektri­väljast ja magnet­väljast. Mõlemad väljad muutuvad ajas perioodiliselt ja paiknevad alati teine­teise suhtes risti. Sealjuures on nad risti ka valguse levimis­suunaga. Valgus­laine on rist­laine.

Valguslaine kirjeldamine ainult muutuva elektrivälja abil

Niisugust valguse levimist on väga raske endale ette kujutada. Seetõttu lihtsustame valgus­laine kirjeldamist. Lepime kokku, et edaspidi valgus­lainest rääkides peame silmas ainult elektri­välja muutumist. Selline lihtsustus on üld­levinud ja ka põhjendatud. Esiteks käitub magnet­väli sarnaselt elektri­väljaga, s.t kõik, mis toimub elektri­väljaga, juhtub ka magnet­väljaga. Teiseks on vastavad uurimused näidanud, et valguse toime registreeri­misel (silm, film, valgus­mõõdik) tekitab signaali just elektri­väli.

Öeldust ei või järeldada, et magnet­väli on valgus­laines tarbetu ballast. Kaugeltki mitte, sest ilma muutuva magnet­väljata ei saaks tekkida muutuvat elektri­välja, ehk teisiti öelduna, ei saaks valgus eksisteerida. Elektri­väli ja magnet­väli on valgus­laine lahutamatud osad.

Seotud sisu
Muud tegevused

Valguslainet iseloomustavad suurused

Valguslaine levimist kirjeldatakse kas kera- või tasa­lainena. Tuletame mehaanika­kursusest meelde, et laineid liigitatakse selliselt laine­frondi kuju järgi.

Lainefrondiks nimetatakse pinda, mis eraldab laine poolt läbitud ruumi osa sellest ruumist, kuhu laine veel pole jõudnud. Laine­frondi kõikides punktides on valgus­laine E-vektorid samas faasis.

Lainefrontide ja kiirte kujutamine joonisel

Kuna õpiku lehtedel pole võimalik esitada ruumilisi kujundeid, siis kujutame kera­lainet ring­joone ja tasa­lainet sirge abil. Sageli kasutatakse joonise selguse huvides laine­frondi ristsirgeid (normaale), mis näitavad laine levimis­suundi. Neid nimetatakse kiirteks (joon. 2.3). Tasa­lainele vastab paralleelne kiirte­kimp (valgus­vihk), kera­lainele – hajuv või koonduv kiirte­kimp.

Joonis 2.3. Tasa- ja keralaine levimise kirjeldamine. Näidatakse lainefrontide asukohti iga perioodi järel ja mõningaid kiiri.

Valguslainet kirjeldatakse veel terve rea suuruste abil, mis on tuntud juba mehaaniliste lainete õppimisest. Nimetame neist tähtsamad.

Elektromagnetlainete vahemik, mida nimetatakse valguseks

Lainepikkus λ näitab kaugust valgus­laine kahe samas võnke­faasis oleva punkti, näiteks naaber­maksimumi vahel (joonis 2.1). Valguseks nimetatakse elektro­magnet­laineid, mille laine­pikkus vaakumis on vahemikus 380…760 nm. Lühemaid ja pikemaid laineid inimsilm ei näe. Valguse laine­pikkus on väga väike. Tuletame meelde, et 1 nm = 10–9 m. Seega valguse laine­pikkus on väiksem kui tuhandik milli­meetrit.

Laineperiood T näitab aega, mis kulub E-vektoril ühe täis­võnke tegemiseks (vt. joon. 2.2). Ühe perioodi kestel läbib laine tee­pikkuse, mis on võrdne laine­pikkusega.

Laine sagedus f näitab, mitu täisvõnget teeb laine ühes ajaühikus.

Laine kiirus v näitab, kui pika tee läbib laine ajaühikus. Valguse kiirust vaakumis märgitakse tähega c. Selle väärtus on ümmarguselt 3 · 108 m/s, sama väärtust võib kasutada ka valguse levimisel õhus. Suurema tihedusega ainetes on valguse kiirus väiksem, näiteks teemandis on see 1,24 · 108 m/s.

Kehtib seos:  v= λ T =fλ .

Vastus. · 10 ms. 

Laine faas määrab muutuva suuruse väärtuse antud ajahetkel. Valgus­laines on muutuvaks suuruseks E-vektor, mis muutub siinus­funktsiooni kohaselt. Järelikult on valgus­laine faasiks siinus­funktsiooni argument (vt joon. 2.4).

Joonis 2.4. Valguslaine faas.
  • Tλ
  • 2πλt
  • 2πT/t
  • 2πfT
  • 2πt/T
  • 2πct/λ
  • 2πλct

Lainepikkuse kaudu: 

Perioodi kaudu: 

Valguse intensiivsus I näitab, kui palju energiat valgus­laine kannab ajaühikus läbi pinna­ühiku. Iga­päeva­ses elus kasutatakse intensiiv­suse asemel ka väljendeid: valguse tugevus või heledus. Valguse intensiivsus on määratud valgus­laine elektri­välja tugevusega.

Valguse intensiivsuse ja elektrivälja tugevuse seos

Elektrivälja tugevus muutub aga pidevalt ja väga kiiresti (valguslaine periood on u 10–14 s). Seepärast pole võimalik mõõta  E → MathType@MTEF@5@5@+= feaagGart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbnLNCPf gzGaLCVbqedmvETj2BSbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE 0jxyaibaieIcFv0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGacaGaaiaabeqaamaadaabaaGcbaWaa8Haaeaaca WGfbaacaGLxdcaaaa@3842@  hetk­väärtusi. Mõõta õnnestub ikkagi mingit keskmist elektri­välja tugevust, mis toimib mingi aja vältel. Selliste kesk­väärtus­tega oleme kokku puutunud ka varem. Tuletame meelde näiteks vahelduv­pinge efektiiv­väärtust, mis iseloomustab samuti muutuva suuruse – pinge keskmist väärtust.

Valguse intensiivsuse korral käib jutt E2 kesk­väärtusest. Joonisel 2.5 on näidatud E2 kesk­väärtus punktiir­joonega. Valguse intensiivsus I loetakse võrdeliseks E2:

I = kE2,

kus k on võrdetegur.

Joonis 2.5. Valguslaine elektrivälja tugevuse ruudu (E2) muutumine ajas. Punktiiriga on märgitud ajas muutumatu keskväärtus.

Tabelis 2.1. on antud ülevaade valgust iseloomustavaist suurustest.

Tabel 2.1. Valguslainet iseloomustavad suurused.

Valguslainet iseloomustav suurus

Tähis

Ühik

Väärtus

Lainepikkus vaakumis

λ

1 nm

380…760 nm

Periood

T

1 s

1,2 · 10–15…2,5 · 10–15 s

Sagedus

f

1 Hz

8 · 1014…4 · 1014 Hz

Kiirus

v, c

1 m/s

1,2 · 108…3 · 108 m/s

Femtosekundilisi (10–15 s) laserimpulsse tekitav seade Tartu Ülikooli Füüsika Instituudis
Seotud sisu
Muud tegevused

Ülesanded

1. Valguslaine võnkesagedus

a) 760 nm?

· 10 Hz

b) 0,38 µm?

· 10 Hz

Vihje
Seos laine kiiruse, sageduse ja lainepikkuse vahel:
v = fλ.
2. Võngete arv sekundis

a) 0,4 µm?

· 10 täisvõnget

b) 600 nm?

· 10 täisvõnget

3. Sagedus ja lainepikkus

Vastus.  nm.

4. Periood ja lainepikkus

Vastus.  nm.

5. Valguse ja heli kiirus

Vastused.

Valguse levimise aeg: 
· 10 s.

Heli kiirus:  m/s.

Valguse kiirus on  korda suurem kui heli kiirus.

Seotud sisu
Muud tegevused

?

  1. Mis liigub, kui valgus levib aines?
  2. Mille poolest erinevad valguslained helilainetest?
  3. Mitu oktaavi moodustab inimsilmale nähtav lainepikkuste vahemik? Võrrelge seda kõrva kuulmispiirkonnaga.
  4. Miks öeldakse, et raadiosaateid antakse eetrisse?
  1. Miks ei kasutata valguse intensiivsuse määramisel E keskväärtust, vaid E2 oma?
  2. Milline on valguse intensiivsuse ühik?
Seotud sisu
Muud tegevused

🌈 Oluline

  1. Valguslaine koosneb teineteisega risti olevast elektri- ja magnetväljast, mis on omavahel seotud ja levivad ruumis valguse kiirusega.
  2. Valguslaine on ristlaine.
  3. Valguslaine elektri- ja magnetväli muutuvad ajas ja ruumis sinusoidaalselt.
  4. Valguslaine kirjeldamisel räägitakse ainult elektrivälja muutumisest, sest valguse toime registreerimisel tekitab signaali just elektriväli.
  5. Valguslaine elektri- ja magnetvälja muutused toimuvad samas faasis.
  6. Valguseks nimetatakse valgusaistingut tekitavat elektromagnetkiirguse osa (380 nm…760 nm).
Seotud sisu
Muud tegevused