Slide 1

Valgus kui
elektromagnetlaine


Slide 2

Valgus – osake või laine?

Kuidas on võimalik panna kella eemalt
helisema?


Slide 3

Kella helistamiseks tuleb...
... visata kella millegagi so kanda keskkonnas edasi ainet – keha
kineetiline energia läheb kellale üle või
... mõjutada kellatila nööri kaudu so kanda keskkonnas edasi
võnkumise energiat e tekitada laine – laine energia läheb kellale üle.
 Valgus on energia edasikandumine ruumis, sest valguse
kätte jäävad kehad soojenevad (suureneb siseenergia) ja
pleekuvad (muutub keemiline energia)
 Valguse olemuse kohta tekkis 17. sajandil paralleelselt
kaks teooriat




Isaac Newton oletas, et valgus on valgusallikast igas suunas väljuvate
osakeste voog (valgus on erilise „valgusaine“ edasikandumine
ruumis)
Christiaan Hygens [höihens] oletas, et valgus on eriliste lainete voog,
mis levib ruumi täitvas ja kõikidesse kehadesse tungivas keskkonnas
– eetris.


Slide 4

Kumb siis ikkagi – osake või laine?

 Teooriad eksisteerisid pikka aega kõrvuti, valdav enamus teadlastest toetas

Newtonit, sest tema autoriteet oli tol ajal lihtsalt suurem.
 Mõlemal teoorial olid oma nõrkused:




korpuskulaarteooriaga oli keeruline selgitada seda miks erinevate valgusallikate
valguskiired üksteist ei mõjuta (osakesed peaksid ju üksteisega põrkuma)
laineteooriaga oli keeruline seletada valguse sirgjoonelist levimist (merelained ju
kanduvad ka kivide taha...)

 XIX. sajandi alguses avastati elektromagnetlained (Maxwell) ja

tõestati, et valgus on nende erijuht – levimisel käitub valgus
lainena.
 XX. sajandi alguses avastati, et valguse kiirgumisel ja neeldumisel
käitub valgus aga hoopis osakeste voona.
 Valgus ei ole mitte „puhas“ osakeste voog või „puhas“
elektromagnetlaine, vaid valgusel on korraga mõlemad omadused
– öeldakse, valgusel on dualistlik iseloom.


Slide 5

VALGUS KUI
ELEKTROMAGNETLAINE


Slide 6

ERINEVA OLEMUSEGA LAINED
 HELILAINE
 on pikilaine, mis kannab edasi võnkumise (mehaanilist)
energiat õhuosakeste vaheliste vastasmõjude tõttu, kusjuures
osakesed võnguvad laine levimisega samas sihis
 VEELAINE
 on ristlaine, mis kannab edasi võnkumise (mehaanilist)
energiat veeosakeste vaheliste vastasmõjude tõttu, kusjuures
osakesed võnguvad laine levimise sihiga risti


Slide 7

ELEKTROMAGNETLAINE
 Elektromagnetlaine on oma olemuselt erinev nii

heli- kui veelainetest.
 Peamine erinevus seisneb selles, et
elektromagnetlaines ei võngu levimisel mingi
keskkond.
 Elektromagnetlainetus avaldub ruumis levivate
teineteisega seotud elektri- ja magnetväljade
süsteemi perioodilistes muutumistes.


Slide 8

LAINETE KAKS KIRJELDAMISE VIISI
 Nii mehaanilisi (heli-, veelaine) kui veelaineid

kirjeldatakse kahel moel:
I. võnumiste ruumilise jaotumise kaudu
•
•

Võrrand/graafik kirjeldab perioodiliselt muutuva suuruse
jaotumist erinevates ruumipunktides.
Sinusoidi naabermaksimumide (-miinimumide jt samas faasis
võnkuvate punktide) vaheline kaugus iseloomustab laine
lainepikkust

(keskkonnaosakeste) võnkumise ajalise
perioodilisuse kaudu

II.
•
•

Võrrand/graafik kirjeldab perioodiliselt muutuva suuruse
jaotumist erinevatel ajahetkedel.
Sinusoidi naabermaksimumide (-miinimumide jt samas faasis
võnkuvate punktide) vaheline kaugus iseloomustab laine
võnkeperioodi


Slide 9

Ülemisel graafikul on kujutatud võnkumiste
(elektrivälja/magnetvälja) jaotus ruumis

Alumisel graafikul on kujutatud samade võnkumiste
(elektrivälja/magnetvälja) ajaline jaotumine


Slide 10

VALGUS ON ELEKTROMAGNETLAINE
 Ehkki ajalooliselt on valgust kirjeldatud ka kui erilise

keskkonna „maailmaeetri“ võnkumisena, võime
tänapäeval kindlalt väita, et
 VALGUS ON ELEKTROMAGNETLAINE, mille
lainepikkus (õhus) jääb vahemikku 380 nm …
760 nm.
 Valgust, nagu kõiki teisi laineidki kirjeldatakse lisaks
lainepikkuse (λ) ka laineperioodi (T),
lainesageduse (f), lainekiiruse (v) ning lainefaasi
(ϕ) abil.
 Ehkki „valguslaines“ muutuvad perioodiliselt (ja samas
faasis) nii elektri- kui ka magnetväli, piisab
valgusega seotud nähtuste kirjeldamiseks
ainult elektriväljaga seotu kirjeldamisest, sest
valgussignaali registreerimisel (silmas, seadmetes)
tekitab vastava reaktsiooni just elektriväli.


Slide 11

VALGUST KIRJELDAVAD SUURUSED
 LAINEPIKKUS (λ)
 lühim kaugus, mõõdetuna pikki ruumipunkte ühendavat
sirget, kahe punkti vahel, kus elektri- ja/või magnetvälja
muutused toimuvad samas faasis.
 LAINEPERIOOD (T)
 lühim aeg, mille tagant hakkavad laines aset leidvad
perioodilised muutused kordama või
 aeg, mille jooksul laine läbib lainepikkusega võrdse teepikkuse.


Slide 12

VALGUST KIRJELDAVAD SUURUSED
 LAINESAGEDUS (f)


laine(osakeste) poolt ajaühikus sooritatavate täisvõngete arv.

 LAINE KIIRUS (v)


ajaühikus laine poolt läbitav teepikkus.

v=λ×f


valguslaine kiirus vaakumis (ja ka õhus) on universaalne konstant,
mille väärtus on 300 000 km/s = 3×108 m/s

 LAINE FAAS (φ)



suurus, mis määrab ära perioodiliselt muutuva suuruse väärtuse
antud ajahetkel
kuna nii elektri- kui ka magnetväli muutuvad sinusoidaalselt, on
faasiks siinusfunktsiooni argument


Slide 13

VALGUST KIRJELDAVAD SUURUSED
 VALGUSE INTENSIIVSUS (I)
 iseloomustab valguslaine poolt läbi pinnaühiku kantavat
energiat
 Igapäevaselt kasutatakse ka valguse tugevust või heledust.


Slide 14

VALGUS JA VÄRV


Slide 15

VÄRV VS LAINEPIKKUS
 On kindlaks tehtud, et erineva lainepikkusega

valguslained tekitavad silmas erineva värviaistingu
 Erinevate inimeste silmades tekitab sama
lainepikkusega valgus erinevaid aistingud – seega on
värvide tajumine subjektiivne.
 Kokkuleppeliselt loetakse kõige pikema
lainepikkusega (kuni 760 nm) laineid punasteks ning
lühima lainepikkusega laineid (alates 380 nm)
violetseteks, kõik ülejäänud värvid jäävad nende
vahele.


Slide 16

VÄRVUSTE SKAALA
VÄRVUS
PUNANE
ORANŽ
KOLLANE
ROHELINE
HELESININE
SININE (INDIGO)
VIOLETNE (LILLA)

LAINEPIKKUS (nm)
760 … 630
629 … 600
599 … 570
569 … 520
519 … 470
469 … 420
419 … 380


Slide 17

VÄRVUSTE SKAALA
 Värvuste järjekorda skaalal (alates pikemaline-

lisemast) aitab meeles pidada järgmine „lause“:

Peetri Onu Käib
Reedeti Harilikult
Saunas Vihtlemas


Slide 18

INFRA- JA ULTRAVALGUS
 Elektromagnetlainet, mille lainepikkus on suurem

(sagedus on väiksem) nähtava valguse punase osa
omast, nimetatakse INFRAVALGUSEKS



ka infrapunakiirguseks, IR-kiirgus
infravalgust kiirgavad kõik kuumad kehad – mistõttu tajume
infravalgust soojusena

 Elektromagnetlainet, mille lainepikkus on lühem

(sagedus on suurem) nähtava valguse punase osa
omast, nimetatakse ULTRAVALGUSEKS





ka ultraviolettkiirguseks, UV-kiirguseks
ultravalgust kiirgavad väga kõrge temperatuuriga kehad
ultravalgus põhjustab inimese rakkudes keemilise reaktsisiooni,
mille tagajärjel vabaneb pigment – nahk päevitub
liiga suurtes kogustes UV-kiirgust võib põhjustada vähirakkude
vohamist nahal


Slide 19

VALGUSE LEVIMINE


Slide 20

LAINEFRONT
 Valgus levib ruumis lõpliku kiirusega –

valgusallika „süttimisest“ kuni tema jõudmiseni
mingisse ruumipunkti kulub mingi ajavahemik.


Valguse kiirus vaakumis (ka õhus) on 300 000 km/s

 Pinda, mis eraldab ruumi seda osa, kuhu

valgus on jõudnud osast, kus valgust veel ei ole,
nimetatakse lainefrondiks.
 Sõltuvalt selle pinna kujust liigitatakse laineid
 keralaineteks ja
 tasalaineteks.


Slide 21

VALGUSKIIR
 Valguslaine levimise kirjeldamiseks on

võetud kasutusele valguskiire mõiste.
 Valguskiir on mõtteline joon, mis
näitab valguslaine levimissuunda
ruumis
 Homogeenses keskkonnas on
valguskiired alati sirgjooned
 Igapäevaelus saame jälgida mitte
valguskiiri vaid valgusvihkusid ehk
valguskiirte kimpe.


Slide 22

VALGUSVIHKUSID ON KOLME LIIKI:

 Koonduv valgusvihk
 Hajuv valgusvihk
 Koonduva

ja hajuva vihu puhul on tegu
keralainega

 Paralleelne valgusvihk
 Paralleelse

vihu puhul on tegu tasalainega


Slide 23

HAJUV VALGUSVIHK

1. Hajuvas valgusvihus
eemalduvad kiired üksteisest
2. Valgusvihus edasi liikudes
(allikast eemaldudes) vihus
sisalduv valgusenergia väheneb.


Slide 24

KOONDUV VALGUSVIHK

1. Koonduvas valgusvihus lähenevad kiired
üksteisele.
2. Valgusvihus edasi liikudes (allikast eemaldudes)
suureneb vihus sisalduv valgusenergia.


Slide 25

PARALLEELNE VALGUSVIHK

1. Paralleelses valgusvihus asuvad kiired
üksteisest igal pool ühekaugusel.
2.Valgusvihus sisalduv energia ei sõltu
sellest millist kohta vihus vaadeldakse
– energia jaotus on homogeenne.


Slide 26

VARI

 Kui valguse teele jääb valgust mitte läbilaskev

keha, siis valguse sirgjoonelise levimise tõttu ei
pääse valgus tema taha ning sinna tekib
piirkond, kus valgusenergiat ei ole (või on
oluliselt vähem) – VARI
 Varjupiirkonnas viibides pole valgusallikat

näha (või näeb seda osaliselt või osasid
allikaid)


Slide 27

VARJU TEKKEMEHHANISM

Piirkond,
kuhu ei lange
valgust
Väike
valgusallik
as

Suur
läbipaistmatu
keha


Slide 28

MITME VALGUSALLIKA VARJUD

Sinise
valgusallika
varjupiirkond

Punase
valgusallika
varjupiirkond

Mõlema
valgusallika


Slide 29

TÄIS- JA POOLVARI
 Sellist varjupiirkonda, kuhu ei lange ühegi

valgusallika valgust, nimetatakse
TÄISVARJUKS
 Seda varjupiirkonda, kuhu valgusallika

valgus langeb ainult osaliselt või kuhu
langeb ainult osade valgusallikate valgus,
nimetatakse POOLVARJUKS


Slide 30

SUURE VALGUSALLIKA VARI

PV
TV

PV
PV


Slide 31

MIDA NÄEME TÄIS- JA POOLVARJU
ALAS (SUUR VALGUSALLIKAS)?
Poolvari

Täisvar
i

Rõngakujuline
poolvari


Slide 32

Kuu faaside tekkimine


Slide 33

Kuuvarjutus


Slide 34

KUUVARJUTUSE KULGEMINE
(27.10.2004; HOCKLEY, TEXAS, USA)

21.18

21.22

21.45

21.24

21.40

21.27

21.33

21.28

21.30


Slide 35

PÄIKESEVARJUTUS


Slide 36

FOTOSID PÄIKESEVARJUTUSEST


Slide 37

PÄIKESEVARJUTUSED EESTIS
 Päikesevarjutus on suhteliselt

haruldane loodusnähtus.
 Viimane täielik päikesevarjutus oli
22.07.1990, sellest eelmine 21.08.1914,
üle-eelmine 3.05.1715
 Järgmine täielik päikesevarjutus on
Eestis nähtav 16.10.2126
 Lähiaastate

päikesevarjutused maailmas

 Vt ka NASA tabelit päikesevarjutuste toimumiste kohta

Maailmas: http://eclipse.gsfc.nasa.gov/eclipse.html


Slide 38

VALGUSE LAINELISUSEGA
SELETATAVAD NÄHTUSED


Slide 39

PEEGELDUMINE
 Valgus levib ühtlases keskkonnas sirgjooneliselt, kuid

jõudes kahe keskkonna lahutuspinnale, muudab valgus
sellel oma levimise suunda.
 Kui valgus jätkab peale levimissuuna muutust
levimist samas keskkonnas, nimetatakse seda
nähtust valguse peegeldumiseks.
 Valguse peegeldumisel kehtib alati reegel, et nurk, mis
jääb langeva kiire ja langemispunkti tõmmatud
lahutuspinna ristsirge vahele (langemisnurk) on
täpselt sama suur kui nurk, mis jääb
peegeldunud kiire ja sama sirge vahele
(peegeldumisnurk).


Slide 40

PEEGELDUMINE

Saab näidata, et valguse langemisnurk ja peegeldumisnurk on alati
võrdsed; langev kiir, peegeldunud kiir ja peegelpinna pinnanormaal asuvad alati
samas tasapinnas.
Punkti, kus peale peegeldumist lõikuvad peegeldunud valguskiired, nimetatakse
tõeliseks kujutiseks; kus lõikuvad peegeldunud kiirte pikendused –
näivkujutiseks.
Kujutis on koht, kus me näeme asuvat peegeldunud keha.


Slide 41

MURDUMINE
 Homogeenses keskkonnas levib valgus ühtlase

kiirusega ja sirgjooneliselt.
 Jõudes kahe keskkonna lahutuspiirile, muutub seal
nii valguse kiirus kui ka suund – sirgest valguskiirest
saab murdjoon
 Nähtust, kus valgus muudab keskkondade
lahutuspinnal oma levimise suunda ja
siirdub ühest keskkonnast teise, nimetatakse
valguse murdumiseks.


Slide 42

MURDUMINE

Kuna vees on valguse kiirus ca 1,33 korda
väiksem kui õhus, siis on ka vees asuvalt kehalt
meie silma langeva valguse suund teistsugune
– me näeme osaliselt vees asuvat keha
murdununa.


Slide 43

DISPERSIOON
 Vaakumis (ka õhus) liiguvad igasuguse

lainepikkusega elektromagnetlained sama kiirusega
– 300 000 km/s.
 Sattudes vaakumist erinevasse keskkonda ilmneb, et
erineva lainepikkusega (sagedusega) valgus
liigub keskkonnas erineva kiirusega.
 Valguse kiiruse sõltuvust valguse
lainepikkusest nimetatakse valguse
dispersiooniks.


Slide 44

DISPERSIOON

Valge valgus on oma olemuselt liitvalgus – ta sisaldab endas kõiki
värve. Läbides klaasi (või mõne muu keskkonna) “lõhustub” valgus
tänu dispersioonile paljudeks värvilisteks valgusteks – spektriks.
Mida väiksem on valguse lainepikkus, seda rohkem ta keskkonnas
murdub – punane valgus kaldub esialgsest levimissuunast vähem
kõrvale kui violetne.


Slide 45

INTERFERENTS
 Kui ühes ja samas ruumipunktis on korraga mitu

koherentset (sama sageduse ja muutumatu
käiguvahega) valguslainet, siis toimub selles
ruumipunktis nende lainete liitumine
resultantlaineks – interferents.
 Erilise valgusallika – LASER’i poolt kiiratav valgus on
koherentne ning tema abil on nii interferentsi (kui ka
difraktsiooni) nähtused hästi jälgitavad.
 Lainete interferentsi saab selgitada Hyghens’i-Fresnel’i
printsiibi abil:






Iga punkt, kuhuni laine on jõudnud, muutub iseseisvaks laineallikaks,
kusjuures valguse intensiivsus (lainetuse amplituud) on määratud
elementaarlainete liitumise tulemusena.
Kui liituvad lained on samas faasis, siis toimub lainete võimendamine
Kui liituvad lained on vastandfaasis, siis lained nõrgendavad (kustutavad)
üksteist.


Slide 46

INTERFERENTS

Värviline õlilaik märjal asfaldil on seletatav kahe valguslaine –
allikast lähtuva ning veekihilt peegelduva – liitumisena.


Slide 47

INTERFERENTS

Ka läätsedel tekkivad nn
Newtoni rõngad on seletatavad
mitmekordselt, erinevatelt
pidadelt peegeldunud
valguslainete interferentsiga


Slide 48

DIFRAKTSIOON
 Difraktsioon on laine kõrvalekaldumine

sirgjoonelisest levimisest ning kandumine
tõkke taha.
 Difraktsioon on hästi jälgitav kui tõkke
mõõtmed erinevad (valguse) lainepikkusest 2 … 5
korda st on lainepikkusega samas
suurusjärgus – seega peavad valguse teele jääva
tõkke mõõtmed olema difraktsiooninähtuse
jälgimiseks suurusjärgus 0,7 … 4 μm
 Difraktsiooninähtuse tulemusel on võimalik
vaadelda varju piirkonnas valgust.


Slide 49

DIFRAKTSIOON

Difraktsioon peenikeste pilude süsteemis (difraktsioonvõrel)


Slide 50

DIFRAKTSIOON

Difraktsioon väikesel ringikujulisel aval


Slide 51

DIFRAKTSIOON

Difraktsioon väikesel kettakujulisel tõkkel


Slide 52

POLARISATSIOON
 Loomulik valgus on segu erinevate lainepikkustega ja








erinevas sihis võnkuvatest väljadest.
Valgust, milles elektrivälja võnkesiht muutub
kaootiliselt nimetatakse polariseerimata
valguseks.
Valguslainet, milles elektrivälja võnkesiht jääb
alati samaks, kusutakse (lineaarselt)
polariseeritud valguseks
Nähtust, kus valguslainest “lõigatakse” välja kõik
võnketasandid peale ühe, nimetatakse valguse
(lineaarseks) polarisatsiooniks.
Elektrivälja tugevuse vektori võnkesiht määrab valguse
polarisatsiooni sihi.


Slide 53

POLARISATSIOON

Polariseerimata valguslaines toimuvad elektrivälja võnkumised kõikvõimalikes
tasandites.
Peale polaroidfiltri läbimist säilub lineaarselt polariseeritud valguslaines neist
võnketasanditest vaid üks.
Kui lineaarselt polariseeritud valguse teele asetada sellega ristuv polaroidfilter,
siis valgus “kustub”, sest filtris lõigatakse ära ka viimane võnketasand.


Slide 54

POLARISATSIOON

• 3D filmide projekteerimine ja vaatlemine põhineb valguse polarisatsioonil.
• Kummagi silma jaoks projitseeritakse ekraanile oma pilt, kusjuures vastavaid
pilte edastavad valgusvihud on teineteise suhtes polariseeitud ristuvates
sihtides.
• 3D pildi vaatamiseks on tarvis polaroidprille – mõlema silma jaoks just selle
silmale edastatava pildi polarisatsioonile vastava sihiga – nii pääseb silma
ainult selle silma jaoks mõeldud pilt, teise silma pilt aga “lõigatakse” ära.


Slide 55