Fyzikální optika se zabývá vlnovými vlastnostmi světla, zkoumá podstatu světla, šíření, odraz, lom, interference, disperzi a polarizaci. Světlo je elektromagnetické vlnění s vlnovými délkami ve vakuu od 380 nm do 760 nm a frekvencemi odpovídajícími rozsahu 7,8×10^14 Hz až 3,8×10^14 Hz. Fázová rychlost světla ve vakuu je c = 3×10^8 m·s^−1; v jiných látkách je v < c. Směrování světla sleduje Fermatův princip a princip nezávislosti chodu paprsků, interferenci lze dosáhnout rozdělením jednoho zdroje na dvě koherentní vlny, odrazem, ohybem nebo lomem.
Interference a koherence
Interference vzniká skládáním dvou světelných vln, které musí být koherentní a mít stejnou frekvenci a stálý fázový rozdíl. Interferenční maxima a minima se popisují jejich pořadovými čísly a podmínkami pro maximum/minimum v daném uspořádání. Rozlišujeme interferenční maximum a minimum; maxima se zesilují a minima zeslabují.
Interferenční maximum prvního řádu při odraze lze vypočítat z tloušťky vrstvy nebo z rozměrů soustav; příklady uvádí tloušťky vrstev v nanometrech a indexy lomu n. Rozbor řeší konkrétní hodnoty fZ a d, a ukazuje, jak se určí tloušťka vrstvy pro dané maximum prvního řádu.
Jako praktické aplikace interference se popisují i opilé situace: tloušťka stěny mýdlové bubliny (n = 1,33) pro interferenci s bílým světlem, interferenční minimum pro olejovou skvrnu, či maximalizace v odraženém světle na tenké vrstvě oleje na vodě, a to včetně výpočtů pro různé vlnové délky.
Praktické výpočty a příklady
1) Co zkoumá fyzikální optika a její základní pojmy. Řešení uvádí, že světlo je elektromagnetické vlnění, rozsah vlnových délek a frekvencí, rychlost ve vzduchu a interakce se světlem v různých prostředích.
2) Vzdálenosti a časy šíření světla od Měsíce a Slunce k Zemi: Měsíc-Země 384 450 km; Slunce-Země 150 000 000 km; časové průchodnosti odpovídají 1,28 s a 8,33 min.
3) Z výpočtů vyplývá, že poloměr Země lze odvodit z časového průběhu šíření; uvádí se hodnota přibližně R = 6378 km.
4) Sírius A a další hvězdy - zvažování rozsahu lidí, vnímání a vzdáleností; uvádí se odhad vzdálenosti a světelných roků. Tyto úlohy slouží k propojení teorie a měření v astronomii.
5) Při pozorování stínu a výšek objektů se vypočítává ohnisková mohutnost a obrazové vzdálenosti; uvedeny jsou vztahy a příklady pro lupy a mikroskopy.
6) Příklady s fotoelektrickým jevem: prahová frekvence, energie fotonů, práce elektronů na povrchu kovů (nikl), a související výpočty pro kritické vlnové délky a energii fotonů. Zahrnuty jsou i výpočty kinetické energie elektronů vyletujících z povrchu při dané frekvenci nebo vlnové délce.
7) Fragmenty o rychlostech elektronů a fotonů z ultrafialového záření, de Broglieho vlně a relativních efektech. Příklady zahrnují výpočty rychlostí e- z fotoefektu a vlnových délek při různých zdrojích světla a napětích.
8) Comptonův rozptyl: změna vlnové délky Δλ a související změna vlnové délky, pro praktické výpočty změny šíření po srážce s elektronem. Uvádí se i energie získaná elektronem a změna vlnové délky fotonu.
9) Franck-Hertzův experiment a měření Planckovy konstanty prostřednictvím prahového napětí a vyzařovaného světla; související výpočty h.
10) Zákon zachování energie při Comptonově rozptylu - výpočet energie uvolněné elektronem a změny vlnové délky fotonu. Dále se řeší i vyzařování rtg a související spektrální analýzy.
11) Další úkoly zahrnují výpočet energie fotonů, frekvence a vlnových délek pro UV, viditelné i rádiové spektrum, ať už z hlediska spektrálního rozlišení či absolutních hodnot.
Optika čoček a zobrazovací soustavy
Využívají se zákony nikoliv jen pro jednoduché soustavy, ale i pro dvojvypuklé či tenké čočky, jejich optickou mohutnost a vztahy pro ohniskovou vzdálenost. Příklady zahrnují výpočty f a φ v různých prostředích (vzduch, kapalina) a rozdíly v mohutnosti při ponoření do kapaliny. Dále se řeší konstrukce Keplerova a Galileova dalekohledu a další zobrazovací systémy.
8) Rozptylka a mřížky: určení ohniskové vzdálenosti, maxima a minima na stínítku, a vzájemné vzdálenosti světlých pásů pro dané λ a N. 9) Ovlivnění ohniskové vzdálenosti při změně typů čoček (spojná vs. rozptylná) a souvislosti pro zobrazení a zvětšení. 10) Výpočet poloměrů křivosti optických ploch a jejich proměna při změně prostředí (např. plášťová kapalina). 11) Newtonova čočka a rovnice, jejichž transformace se ukazuje jako stejné jako moderní f2 = (a − f) (a/−f) - ukázky historického vývoje.
12) V praktických cvičeních se řeší umístění předmětu vzhledem k objektivu a způsob změny velikosti obrazu při změně ohniskových vzdáleností. 13) Určování optimálních poloh čoček při překladových úpravách a 14) měřítka, zobrazení a změny zobrazení při změně výšky letu a ohniskových vzdálenostech.
15) Pozorování lupou a výpočet konvenční vzdálenosti d = 25 cm pro optimální zobrazení; 16) Mikroskop se 7násobným okulárem a celkové zvětšení 140×; nahrazení okuláru za jiný s ohniskovou vzdáleností 1 cm - vliv na zvětšení.
17) Životní měření v mikroskopu - průměr červené krvinky a vliv objektivu i okuláru na skutečný průměr. 18) Úhlové zvětšení, 19) Divadelní dalekohled a volba ohniskových vzdáleností pro požadované zvětšení. 20) Hvězdářský dalekohled a jeho zvětšení, výpočet úhlu pozorování Měsíce.
Ochrana a měření
V článku naleznete řadu praktických výpočtů pro měření energie fotonů, frekvencí, vlnových délek a jejich souvislostí s prací elektronů a interakcí s materiály (nikl, zinek, měď). Dále jsou uvedeny metody pro odhad rychlosti elektronů v fotoelektrickém jevu, de Broglieho vlnové délky a kinetické energie elektronů po ionizaci.
Diskuse a řešení vybraných úloh uvádí, jak propojit teoretické vztahy s praktickými čísly: energií fotonů (eV), kinetickou energií molekul, a účinností RTG nebo energiemi procesů v rentgenových zdrojích (například při napětí 20 kV a účinnosti 0,2 %).