FIZIK OPTIK: SEJARAH, ISTILAH YANG KERAP, UNDANG-UNDANG, APLIKASI - FIZIKAL - 2026

The optik fizikal adalah sebahagian daripada optik belajar sifat gelombang cahaya dan fenomena fizikal yang hanya difahami dari model gelombang. Ia juga mengkaji fenomena gangguan, polarisasi, difraksi dan fenomena lain yang tidak dapat dijelaskan dari optik geometri.

Model gelombang mentakrifkan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik yang medan elektrik dan magnetnya berayun tegak lurus antara satu sama lain.

Gelombang Elektromagnetik

Medan elektrik (E) gelombang cahaya berperilaku serupa dengan medan magnetnya (B), tetapi medan elektrik mendominasi medan magnet kerana hubungan Maxwell (1831-1879), yang menetapkan hal-hal berikut:

Di mana c = Kelajuan penyebaran gelombang.

Optik fizikal tidak menjelaskan spektrum penyerapan dan pelepasan atom. Sebaliknya, optik kuantum memang mengkaji kajian mengenai fenomena fizikal ini.

Sejarah

Sejarah optik fizikal bermula dengan eksperimen yang dilakukan oleh Grimaldi (1613-1663), yang melihat bahawa bayangan yang dilemparkan oleh objek yang diterangi kelihatan lebih luas dan dikelilingi oleh garis-garis berwarna.

Dia memanggil fenomena difraksi yang diperhatikan. Karya eksperimentalnya membawanya untuk mengusulkan sifat gelombang cahaya, bertentangan dengan konsepsi Isaac Newton yang berlaku pada abad ke-18.

Paradigma Newtonia menyatakan bahawa cahaya berkelakuan seperti sinar mayat kecil yang bergerak dengan kelajuan tinggi di jalur segiempat.

Robert Hooke (1635-1703) mempertahankan sifat gelombang cahaya, dalam kajiannya tentang warna dan pembiasan, menyatakan bahawa cahaya berkelakuan seperti gelombang suara yang menyebar dengan cepat hampir seketika melalui media material.

Kemudian Huygens (1629–1695), berdasarkan idea-idea Hooke, menggabungkan teori gelombang cahaya dalam Traité de la lumière (1690) di mana dia menganggap bahawa gelombang cahaya yang dipancarkan oleh badan bercahaya menyebarkan melalui medium halus dan elastik yang dipanggil eter.

Teori gelombang Huygens menerangkan fenomena pantulan, pembiasan dan difraksi jauh lebih baik daripada teori korpuskular Newton, dan menunjukkan bahawa kelajuan cahaya menurun ketika melalui medium yang kurang padat ke yang lebih padat.

Idea Huygens tidak diterima oleh para saintis pada masa itu kerana dua sebab. Yang pertama adalah kemustahilan untuk menjelaskan definisi eter dengan memuaskan, dan yang kedua adalah prestij Newton di sekitar teori mekaniknya yang mempengaruhi sebilangan besar saintis untuk memutuskan untuk menyokong paradigma cahaya korpuskular.

Kelahiran semula teori gelombang

Pada awal abad ke-19, Tomas Young (1773-1829) berjaya membuat komuniti saintifik menerima model gelombang Huygens berdasarkan hasil percubaan gangguan cahaya. Eksperimen memungkinkan untuk menentukan panjang gelombang warna yang berbeza.

Pada tahun 1818 Fresnell (1788-1827) menyatakan semula teori gelombang Huygens dari segi prinsip gangguan. Dia juga menerangkan fenomena birefringence cahaya, yang memungkinkannya untuk menegaskan bahawa cahaya adalah gelombang melintang.

Pada tahun 1808 Arago (1788–1853) dan Malus (1775-1812) menjelaskan fenomena polarisasi cahaya dari model gelombang.

Hasil eksperimen Fizeau (1819-1896) pada tahun 1849 dan Foucalt (1819-1868) pada tahun 1862 memungkinkan untuk mengesahkan bahawa cahaya menyebar lebih cepat di udara daripada di air, bertentangan dengan penjelasan yang diberikan oleh Newton.

Pada tahun 1872, Maxwell menerbitkan risalahnya mengenai Elektrik dan Magnetisme, di mana dia menyatakan persamaan yang mensintesis elektromagnetisme. Dari persamaannya, dia memperoleh persamaan gelombang yang memungkinkannya menganalisis tingkah laku gelombang elektromagnetik.

Maxwell mendapati bahawa kecepatan penyebaran gelombang elektromagnetik berkaitan dengan medium penyebaran dan bertepatan dengan kelajuan cahaya, menyimpulkan bahawa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Akhirnya, Hertz (1857–1894) pada tahun 1888 berjaya menghasilkan dan mengesan gelombang elektromagnetik dan mengesahkan bahawa cahaya adalah sejenis gelombang elektromagnetik.

Apa yang dikaji oleh optik fizikal?

Optik fizikal mengkaji fenomena yang berkaitan dengan sifat gelombang cahaya, seperti gangguan, difraksi dan polarisasi.

Gangguan

Gangguan adalah fenomena di mana dua atau lebih gelombang cahaya bertindih, wujud bersama di kawasan ruang yang sama, membentuk jalur cahaya terang dan gelap.

Jalur terang dihasilkan apabila pelbagai gelombang ditambah bersama untuk menghasilkan gelombang amplitud yang lebih besar. Jenis gangguan ini disebut gangguan konstruktif.

Apabila gelombang bertindih untuk menghasilkan gelombang amplitud yang lebih rendah, gangguan itu disebut gangguan merosakkan, dan jalur cahaya gelap dihasilkan.

Gangguan

Cara jalur berwarna diedarkan disebut corak gangguan. Gangguan dapat dilihat pada gelembung sabun atau lapisan minyak di jalan yang basah.

Difraksi

Fenomena difraksi adalah perubahan arah perambatan yang dialami oleh gelombang cahaya ketika mencecah halangan atau bukaan, mengubah amplitud dan fasa.

Seperti fenomena gangguan, difraksi adalah hasil superposisi gelombang koheren. Dua atau lebih gelombang cahaya adalah koheren ketika mereka berayun dengan frekuensi yang sama mengekalkan hubungan fasa yang tetap.

Oleh kerana halangan semakin kecil dan lebih kecil dibandingkan dengan panjang gelombang, fenomena difraksi mendominasi fenomena pantulan dan pembiasan dalam menentukan taburan sinar gelombang cahaya sebaik sahaja ia menyerang halangan. .

Polarisasi

Polarisasi adalah fenomena fizikal di mana gelombang bergetar dalam satu arah tegak lurus ke satah yang mengandungi medan elektrik. Sekiranya gelombang tidak mempunyai arah perambatan yang tetap, dikatakan bahawa gelombang tersebut tidak terpolarisasi. Terdapat tiga jenis polarisasi: polarisasi linear, polarisasi bulat, dan polarisasi elips.

Sekiranya gelombang bergetar selari dengan garis tetap yang menggambarkan garis lurus dalam bidang polarisasi, ia dikatakan polarisasi secara linear.

Apabila vektor medan elektrik gelombang menerangkan lingkaran dalam satah tegak lurus dengan arah perambatan yang sama, mengekalkan magnitudnya tetap, gelombang tersebut dikatakan terpolarisasi bulat.

Sekiranya vektor medan elektrik gelombang menggambarkan elips di satah tegak lurus dengan arah perambatan yang sama, gelombang itu dikatakan terpolarisasi elips.

Istilah Kerap dalam Optik Fizikal

Polarisasi

Ia adalah penapis yang membenarkan hanya sebahagian cahaya yang berorientasi pada satu arah tertentu untuk melaluinya tanpa membiarkan gelombang yang berorientasi ke arah lain melewati.

Gelombang depan

Ini adalah permukaan geometri di mana semua bahagian gelombang mempunyai fasa yang sama.

Amplitud dan fasa gelombang

Amplitud adalah pemanjangan maksimum gelombang. Fasa gelombang adalah keadaan getaran pada seketika. Dua gelombang berada dalam fasa ketika mereka mempunyai keadaan getaran yang sama.

Sudut bir

Ini adalah sudut kejadian cahaya di mana gelombang cahaya yang dipantulkan dari sumber terpolarisasi sepenuhnya.

Inframerah

Cahaya tidak dapat dilihat oleh mata manusia dalam spektrum sinaran elektromagnetik dari 700 nm hingga 1000 μm.

Kelajuan cahaya

Ini adalah pemalar kelajuan penyebaran gelombang cahaya dalam vakum yang nilainya 3 × 10 ⁸ m / s. Nilai kelajuan cahaya berbeza-beza ketika menyebarkan dalam medium bahan.

Panjang gelombang

Ukuran jarak antara puncak dan puncak lain atau antara lembah dan lembah gelombang lain ketika ia menyebarkan.

Ultraviolet

Sinaran elektromagnetik yang tidak kelihatan dengan spektrum panjang gelombang kurang dari 400 nm.

Undang-undang Optik Fizikal

Di bawah ini dinyatakan beberapa undang-undang optik fizikal yang menerangkan fenomena polarisasi dan gangguan

Undang-undang Fresnell dan Arago

1. Dua gelombang cahaya dengan polarisasi linear, koheren dan ortogonal tidak saling mengganggu untuk membentuk corak gangguan.
2. Dua gelombang cahaya dengan polarisasi linear, koheren dan selari boleh mengganggu di kawasan ruang.
3. Dua gelombang cahaya semula jadi dengan polarisasi linear, tidak koheren dan ortogonal tidak saling mengganggu untuk membentuk corak gangguan.

Undang-undang Malus

Undang-undang Malus menyatakan bahawa intensiti cahaya yang dipancarkan oleh polarizer berkadar langsung dengan kuadrat sudut kosinus yang membentuk paksi transmisi polarizer dan sumbu polarisasi cahaya kejadian. Dalam kata lain:

I = intensiti cahaya yang dihantar oleh polarizer

θ = Sudut antara paksi penghantaran dan paksi polarisasi rasuk kejadian

I ₀ = Keamatan cahaya kejadian

Undang-undang Malus

Undang-undang Brewster

Sinar cahaya yang dipantulkan oleh permukaan sepenuhnya terpolarisasi, dalam arah normal ke bidang kejadian cahaya, ketika sudut antara sinar yang dipantulkan dan sinar yang dibiaskan adalah sama dengan 90 °.

Undang-undang Brewster

Permohonan

Sebilangan aplikasi optik fizikal adalah dalam kajian kristal cecair, dalam reka bentuk sistem optik, dan dalam metrologi optik.

Kristal cecair

Kristal cair adalah bahan yang disimpan di antara keadaan pepejal dan keadaan cair, yang molekulnya mempunyai momen dipol yang mendorong polarisasi cahaya yang jatuh ke atasnya. Dari harta tanah ini, skrin untuk kalkulator, monitor, komputer riba dan telefon bimbit telah dibangunkan.

Jam digital dengan paparan kristal cecair (LCD)

Reka bentuk sistem optik

Sistem optik sering digunakan dalam kehidupan seharian, sains, teknologi, dan penjagaan kesihatan. Sistem optik membolehkan maklumat diproses, dirakam dan dihantar dari sumber cahaya seperti cahaya matahari, LED, lampu tungsten atau laser. Contoh sistem optik ialah diffractometer dan interferometer.

Metrologi optik

Ia bertanggung jawab untuk melakukan pengukuran resolusi tinggi parameter fizikal berdasarkan gelombang cahaya. Pengukuran ini dibuat dengan interferometer dan instrumen biasan. Di kawasan perubatan, metrologi digunakan untuk sentiasa memantau tanda-tanda penting pesakit.

Penyelidikan Terkini dalam Optik Fizikal

Kesan Kerker optomekanik (AV Poshakinskiy1 dan AN Poddubny, 15 Januari 2019)

Poshakinskiy dan Poddubny (1) menunjukkan bahawa zarah nanometrik dengan gerakan getaran dapat mewujudkan kesan optik-mekanik yang serupa dengan yang dikemukakan oleh Kerker et al (2) pada tahun 1983.

Kesan Kerker adalah fenomena optik yang terdiri daripada memperoleh arah cahaya yang kuat yang tersebar oleh zarah-zarah magnet sfera. Arah arah ini memerlukan zarah-zarah mempunyai tindak balas magnetik dengan intensiti yang sama dengan daya elektrik.

Kesan Kerker adalah cadangan teori yang memerlukan zarah bahan dengan ciri-ciri magnetik dan elektrik yang pada masa ini tidak wujud di alam semula jadi.Poshakinskiy dan Poddubny mencapai kesan yang sama pada zarah nanometrik, tanpa tindak balas magnetik yang signifikan, yang bergetar di angkasa.

Penulis menunjukkan bahawa getaran partikel dapat menimbulkan polarisasi magnet dan elektrik yang mengganggu, kerana komponen polaritas magnetik dan elektrik dengan susunan magnitud yang sama disebabkan oleh zarah apabila penyebaran cahaya tidak elastik dipertimbangkan.

Penulis mencadangkan penerapan kesan optik-mekanikal dalam alat optik nanometrik dengan menjadikannya bergetar dengan penerapan gelombang akustik.

Komunikasi Optik Ekstrakorporeal (DR Dhatchayeny dan YH Chung, Mei 2019)

Dhatchayeny dan Chung (3) mengusulkan sistem komunikasi optik ekstrasorporeal eksperimental (OEBC) yang dapat mengirimkan maklumat tanda penting orang melalui aplikasi di telefon bimbit dengan teknologi Android. Sistem ini terdiri daripada satu set sensor dan hab dioda (susunan LED).

Sensor diletakkan di pelbagai bahagian badan untuk mengesan, memproses, dan menyampaikan tanda-tanda penting seperti nadi, suhu badan, dan kadar pernafasan. Data dikumpulkan melalui array LED dan dihantar melalui kamera telefon bimbit dengan aplikasi optik.

Susunan LED memancarkan cahaya dalam jarak panjang gelombang penyebaran Rayleigh Gans Debye (RGB). Setiap kombinasi warna dan warna cahaya yang dipancarkan berkaitan dengan tanda-tanda vital.

Sistem yang diusulkan oleh penulis dapat memudahkan pemantauan tanda-tanda vital dengan cara yang dapat dipercayai, kerana kesalahan dalam hasil eksperimen adalah minimum.

Rujukan

1. Kesan Kerker Optomekanik. Poshakinskiy, AV dan Poddubny, A N. 1, 2019, Kajian Fizikal X, Jilid 9, hlm. 2160-3308.
2. Penyerakan elektromagnetik oleh sfera magnet. Kerker, M, Wang, DS dan Giles, C L. 6, 1982, Jurnal Persatuan Optik Amerika, Jilid 73.
3. Komunikasi tambahan badan optik menggunakan kamera telefon pintar untuk penghantaran tanda vital manusia. Dhatchayeny, D and Chung, Y. 15, 2019, Appl. Pilihan., Jilid 58.
4. Al-Azzawi, A. Prinsip dan Amalan Optik Fizikal. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Ensiklopedia Sahabat Sejarah dan Falsafah Sains Matematik. New York, AS: Routledge, 1994, Jilid II.
6. Akhmanov, SA dan Nikitin, S Yu. Optik Fizikal. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG dan Lipson, H. Fizikal Optik. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Optik Fizikal. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA and White, H E. Dasar-dasar Optik. NY: Pendidikan Tinggi McGraw Hill, 2001.