Radiații electromagnetice - caracteristici principale

Radiaţii optice. Caracteristici generale.

1. Introducere

Optica studiază lumina şi fenomenele luminoase. Aceasta constituie o ramură a ştiinţelor fizice care se ocupă cu probleme precum: natura şi proprietăţile luminii, modul de producere a acesteia, legile propagării luminii, modul de interacţiune cu substanţa. În cadrul opticii geometrice s-au construit dispozitive care contribuie la largirea posibilităţilor de observare vizuală a omului.

Lumina provenită de la diferite corpuri constituie agentul fizic care, prin intermediul retinei, face ca ochiul să poată „vedea” aceste corpuri (opsis = ştiinţă despre vedere).

Natura, cât şi structura luminii au preocupat pe oameni din cele mai vechi timpuri.

Din antichitate au fost emise ipoteze pur speculative, întrucât acestea nu puteau fi probate prin experienţe, astfel că doar legile propagării au fost studiate amănunţit pe baza teoriei că lumina se propagă în linie dreaptă. Aşadar sunt enunţate legile refracţiei între anii 1626 şi 1637, în urma studiilor lui Snellius şi Decartes, aceasta în timp ce legile refracţiei erau cunoscute cu mult timp înainte ( atât Euclid cât şi Aristotel le utilizau deja, fără a se fi cunoscut vreodată descoperitorul acestora ).

Astăzi cunoaştem că fenomenele luminoase ( acţiunea fotochimică, luminescenţa, efectele fiziologice ale vederii, etc. ) sunt produse de câmpul electric alternativ al undei electromagnetice. Cercetătorii au perfecţionat aparatele optice, totodată explicând şi fundamentând din punct de vedere fizic legile opticii geometrice. Studiul fenomenelor optice se grupează de obicei în trei secţiuni:

- optică geometrică, în care se studiază legile propagării luminii şi formării imaginilor optice, făcându-se în general abstracţie de natura luminii,

- optică ondulatorie, unde sunt studiate fenomene precum difracţia, interferenţa şi polarizaţia luminii; astfel de fenomene putând fi explicate considerând lumina ca un fenomen de natură ondulatorie, în speţă o undă electromagnetică,

- optică fotonică, în care sunt studiate procese precum efectul fotoelectric şi altele care scot în evidenţă aspectul corpuscular al undelor electromagnetice.

2. Natura electromagnetica a radiaţiilor optice. Caracteristici.

Undele luminoase sunt unde electromagnetice, la această concluzie a ajuns Maxwell după calcularea vitezei de propagare a undelor electromagnetice. Lumina vizibilă este doar o mică parte a unui domeniu continuu al radiaţiilor electromagnetice, din care mai fac parte şi radiaţiile invizibile, precum IR, UV, X, etc., descrierea între diferitele radiaţii de acest fel, constând doar în valorile lungimilor de undă din domeniul optic cuprins între limita de transparenţă a atmosferei şi limita de transparenţă a corpurilor pentru radiaţiile generate prin emisie termică. Acestea sunt radiaţiile optice.

Figura 1: Spectrul luminii naturale in domeniul vizibil.

Radiaţia optică de o singură lungime de undă se numeşte radiaţie monocromatică. Concepte şi ipoteze asupra naturii electromagnetice a radiaţiilor optice au fost formulate de oameni de stiinţă din antichitate, totuşi primele explicaţii ştiinţifice ale fenomenelor optice au apărut la sfârşitul secolului al XVII-lea, odată cu teoria corpusculară a lui Newton precum şi cu teoria ondulatorie a lui Huygens.

Spre exemplu, Huygens face analogie între propagarea sunetului în aer şi propagarea luminii, luând în consideraţie faptul că un corp care emite lumină imprimă un impuls particulelor unui mediu ipotetic denumit eter, particule care la rândul lor transmit starea de mişcare altor particule, similar unor bile elastice, în acest fel, lumina, asemeni sunetului, propagându-se din aproape în aproape. În decursul timpului s-au succedat ipoteze după ipoteze, Fresnel completând principiul enunţat de către Huygens cu teoria stării de coerenţă a undelor electromagnetice şi interferenţa acestora, la care ulterior s-a adăugat legătura dintre polarizaţia radiatiilor optice şi teoria transversalităţii undelor dezvoltată de către Young, concluzionând că lumina este o oscilaţie transversală a eterului distribuit în tot spaţiul. Maxwell a arătat că perturbaţiile electromagnetice se propagă prin unde transversale, ceea ce a dus la emiterea ipotezei că lumina este de natură electromagnetică.

De fiecare dată au fost explicate eventualele contradicţii apărute, cum sunt inexistenţa fizică a eterului, discrepanţele intervenite între teorie şi experienţă la calculul vitezei de propagare a luminii, emisia de radiaţii optice a corpurilor incandescente, etc. Astfel, abia după introducerea de către Einstein a unei concepţii corecte despre particula de lumină (fotonul) şi progarea acesteia, a reieşit că lumina este de natura electromagnetică şi că are caracter dual atât de undă, cât şi de corpuscul.