A fizikában hullám-részecske kettősségnek nevezzük azt a koncepciót, hogy a fény és az anyag mutat mind hullám-, mind részecsketulajdonságokat. Ez a kvantummechanika egyik központi fogalma.
A fény hullámtermészetét az interferencia, fényelhajlás, és a polarizáció jelensége bizonyítja (hulámtulajdonságok):
*
interferencia: az a jelenség, amelynél a hullámok találkozásából származó eredő hullámkép erősítésekből és gyengítésekből áll. Pl a szappanhártyán vagy az olajfolton látható színes csíkok a fényinterferencia következményei.
*
elhajlás: a hullám terjedési irányának változása, ha valamilyen akadály álla hullám útjában. Amennyiben ez az akadály egy optikai rács, a rács lehetővé teszi a fény hullámhosszának mérését, és alkalmazható színképek előállítására.
*
polarizáció: a tranzverzális hullámokban több síkban is terjedhetnek rezgések. Ha egy ilyen hullámot keskeny résen bocsátunk át, a résből csak olyan hullámok lépnek ki, amelyek rezgésiránya párhuzamos a rés irányával. Alkalmazása: polárszűrők (fényképezőgép, napszemüveg-tükröző felületek zavart fényeinek kiszűrése)
Részecsketermészetét az bizonyítja, hogy hat rá a gravitáció.
Fényelektromos jelenség: A különböző fémekből megfelelő megvilágítás hatására elektronok lépnek ki. Ez a fotoeffektus. A fény képes elvégezni az elektronok kilépési munkáját, ami által létrejöhet a jelenség, azonban ezt nem a megvilágítás erőssége, hanem a megvilágító fény frekvenciája határozza meg. Tehát a kilépő elektronok sebessége csak a megvilágító fény frekvenciájától és a fém anyagára jellemző kilépési munkától függ. A fotoeffektus csak akkor jöhet létre, ha a fény frekvenciája nagyobb egy küszöbnél, a határfrekvenciánál. A fényelektromos jelenség magyarázatára Albert Einstein kidolgozta a fény fotonelméletét. Abból a feltevésből indult ki, hogy a fény elemi, oszthatatlan energiacsomagként (részecskeként, amit fotonnak nevezett el, E=h·f energiaadagokkal (h=Plank állandó)) viselkedik akkor, ha a fém felületén elnyelődik. Ez a h·f energiaadag fedezi az elektron kilépési munkáját (a fennmaradó rész mozgási energia formájában marad meg).
* Alkalmazása: riasztóberendezések, automatikus berendezések (aut. bekapcsolódó világítás – kivéve a hűtőket :D, ajtók, felvonók zárását ellenőrző biztonsági berendezések…), napelem (félvezető anyagból készült fényelektromos érzékelő, melyben fény hatására fezültség keletkezik, és áram indukálódik.)
* Fényelektromos egyenlet: h*f=Eki +Emozg
A
foton az elektromágneses sugárzás elemi részecskéje. Energiája a Plank-állandó ás az elektromágneses hullám frekvenciájának szorzata: h*f=m*c^2 Tömege (nyugalmi tömege nulla): m=(h*f) / (c^2) A foton sebessége c (fénysebesség), tehát a lendülete: I= m*c = h*f/cFényelektromos egyenlet.
Először Olaf Römer, dán csillagász figyelt fel 1676-ban egy olyan jelenségre ami a fény véges sebességére utalt. Előtte azt hitték, hogy a fénynek nincs szüksége időre a terjedéshez.
A Föld Jupiterhez közeli helyzetében Römer megmérte a Jupiter egyik holdjának a keringési idejét, majd kiszámította, hogy fél év múlva, amikor a föld 300 millió kilóméterrel távolabb lesz a Jupitertől mikor kell majd a holdnak az árnyéktérben eltűnni. A megfigyelt esemény, a számításhoz képest késett 22 percet. Römer ezt azzal magyarázta, hogy nagyobb távolságot kell megtennie a fénynek. A többlet út és a többlet idő hányadosaként ki lehet számolni a föld sebességét: 3*10^11m / 10^3s = 3*10^8 m/s.
Földi körülmények között előszőr Fizeau, francia fizikus mért fénysebességet 1849-ben. Közös tengelyre szerelt fogaskeretek szemközti részein úgy bocsátott át fényt, hogy a fény útját tükrökkel meghosszabbította. A fogaskerekek nagy szögbességű forgatásánál a második fogaskerék résén nem jött át fény, mert közben a rés helyére egy fog került. A fény útjából és a kerék elfordulásának idejéből a fénysebbeséget ki lehet számítani.
A természetben elérhető legnagyobb sebesség a fény vákuumbeli sebessége, 3*10^8, ennél nagyobb sebesség sehol sem fordul elő.
Geometriai optika
A geometriai optika egyszerű modell, amely a fény terjedését a fényforrásból minden irányban kilépő fénysugarakkal írja le, és nem foglalkozik a fény természetével (hullám vagy részecske). Alapfeltevései a következők: a fénysugár homogén közegben egyenes vonalban terjed, új közeg határán a visszaverődés és/vagy törés törvényének megfelelően halad tovább, és útja megfordítható.
Egy tárgy (fénykibocsátó test) valódi képéről beszélünk, ha a tárgy egyes pontjaiból kiinduló fénysugarak valamely optikai eszköz hatására újra egy pontban találkoznak. A valódi kép ernyőn felfogható. Egy tárgy látszólagos képéről van szó, ha a tárgy egyes pontjaiból kiinduló fénysugarak valamely optikai eszköz hatására úgy tartanak szét, mintha a tér egy pontjából indultak volna. A látszólagos kép nem fogható fel ernyőn, de a szem képes érzékelni azáltal hogy a széttartó fénysugarak látszólagos metszéspontjában látja a fénykeltő helyet.
A tárgy és a leképező eszköz távolságát tárgytávolságnak (t), a kép és a leképező eszköz távolságát képtávolságnak nevezzük (k). A leképezés a tárgyhoz geometriailag hasonló képet állít elő, amely a tárgyhoz viszonyított állása szerint lehet egyenes állású vagy fordított állású. A kép távolságának (K) és a tárgy nagyságának (T) aránya a nagyítás: N=K/T
1. SZÓRÓLENCSE (pl.: Galilei-féle távcső)
A keletkezett kép (A’B’), bárhova téve a tárgyat: látszólagos, a tárggyal azonos állású és kicsinyített. A kép a tárggyal azonos oldalon van. A hasonló háromszögek alapján: N=K/T=k/t
2. GYŰJTŐLENCSE (pl.: fényképezőgép lencséje, vetítőgép, Kepler-féle távcső)
Öt eset van:
• t>2f: A keletkezett kép: valódi, fordított és kicsinyített. A kép a tárggyal ellentétes oldalon van. 2f>k>f
• t=2f: A keletkezett kép: valódi, fordított és a tárggyal azonos méretű. A kép a tárggyal ellentétes oldalon van. k=2f
• 2f>t>f: A keletkezett kép: valódi, fordított és nagyított. A kép a tárggyal ellentétes oldalon van. k>2f
• t=f: A megtört sugarak párhuzamosak, kép nincs.
• f
<0
Mindegyik esetben az ABO háromszög hasonló az A’B’O háromszöghöz, így a nagyítás: N=K/T=k/t
Felhasználás: közlekedési tükör, távcső, mikroszkóp.
Lézer:A lézer egy olyan fényforrás, amely stimulált emissziót használ egybefüggő fénysugár létrehozására. Neve az angol Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezés rövidítése, a laser magyarosításából származik.
* A létrejött fény időben és térben koherens, a lézer által kibocsátott hullámok fázisa a sugár minden keresztmetszeténél azonos.
* A lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb. A lézerfény nagyrészt párhuzamos fénysugarakból áll, nagyon kis szóródási szöggel. Ezzel nagy energiasűrűség érhető el szűk sugárban, a sugár által megtett távolságtól függetlenül.
* A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, a lézerfény teljesítménysűrűsége a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet.
* A lézer által kibocsátott hullámok mágneses mezejének iránya állandó.
* A lézerek fénye egyszínű. A lézersugár egy olyan elektromágneses hullám, amely közel egyetlen hullámhosszú összetevőből áll.
