Uvod

Dr ing. Vukota Babović

redovni profesor Kragujevačkog univerziteta

POUKE O

SVETLOSTI

Vukota Babović (1989) DON KIHOT

Beograd, 2009.

**
**

Stick to facts, Sir!

Charles Dickens,

Hard Times

**
**

**
**

Za sve što je uspešno grafički

složeno u ovoj knjizi zaslužan je

dipl. ing Miloš Babović, sistem administrator

**
**

UVOD

Izvori elektromagnetskih talasa

Poznato nam je iz kursa elektromagnetizma da se ubrzanim kretanjem naelektrisanih čestica generiše elektromagnetsko zračenje. Učestanosti, odnosno talasne dužine tog zračenja mogu biti veoma različite, u zavisnosti od bitnih parametara u svakom konkretnom fizičkom procesu. Tako, pri sudaru brzog elektrona i antikatode u rentgenskoj cevi, zbog naglog zaustavljanja naelektrisane čestice, nastaje rentgensko zračenje. Ako je napon između elektroda u cevi $U$, kontinualni deo spektra elektromagnetskih talasa počinje na talasnoj dužini $\lambda =hc_{0}/eU$. Na primer, naponi od oko $25\,$ kV daju $\lambda \sim 5\cdot 10^{-11}\,$ m. Kad elektroni koji bombarduju atome antikatode imaju dovoljnu energiju da izbiju neke od elektrona iz unutrašnjih ljuski javlja se i karakteristično rentgensko zračenje, kao posledica kvantnih prelaza atoma u niže energetsko stanje. Nastaju elektromagnetski kvanti energije ne veći od $eU$. Uopšte, atomski sistemi generišu elektromagnetske talase do učestanosti $\nu \sim \int^{20} \,$ Hz ($\lambda \sim \int^{-12} \,$ m).

Manje talasne dužine od pomenutih ima $\gamma$-zračenje. Nastaje u nuklearnim procesima, pri relaksaciji pobuđenih atomskih jezgara, pri transformacijama elementarnih čestica i sl.

Heinrich Hertz (1857 — 1894)

S druge strane, pomoću antena u kojima elektromotorne sile izazivaju harmonijske oscilacije elektrona proizvode se radiotalasi. U svojim znamenitim opitima dobijao je Herc zračenja talasnih dužina od $10$ m do $100\,$ m. Savremena radiotehnika ovladala je bez izuzetka celim radio-dijapazonom, od kilometarskih do sub-milimetarskih talasa, primenom raznorodnih metoda i uz pomoć često vrlo sofisticirane elektronike.

Za pobuđivanje elektromagnetskih talasa učestanosti između rentgenskih i mikrotalasnih primenjuju se specifični postupci u osnovi kojih su sledeće važne klase fizičkih pojava:

$a$) Toplotno zračenje zagrejanih tela

Emituje se kontinualni spektar zračenja koje jednim delom možemo detektovati i okom. Maksimum snage zračenja je obično u infracrvenoj oblasti (između vidljivog i UHF zračenja). Na primer, električni luk između ugljenih elektroda, kao i neke forme električnog gasnog pražnjenja na visokim pritiscima jesu izvori zračenja u vidljivoj i ultraljubičastoj oblasti (deo spektra koji se graniči sa rentgenskim zračenjem).

$b$) Svetljenje gasova pri električnim pražnjenjima na niskom pritisku

Emituje se linijski spektar kao posledica kvantnih prelaza pobuđenih atoma i molekula u niža energetska stanja. Tipičan izvor te vrste je klasična živina lampa. Postoji i čitav niz bez-elektrodnih lampi sa visokofrekventnim pražnjenjem koje emituju ovaj tip zračenja u vidljivoj oblasti i susednim oblastima frekventne skale.

$c$) Luminescentno zračenje

Čvrsta tela koja su izložena dejstvu spoljašnjeg čestičnog ili elektromagnetskog zračenja i sama mogu da zrače. Na tom principu deluju, na primer, foto-liminenscentni ili katodo-luminescentni izvori zračenja.

$d$) Laseri

U aktivnim sredinama optičkih kvantnih generatora pobuđuju se indukovani atomski prelazi i formira koherentni, usaglašeni fotonski fluks. Nastaje sinfazno elektromagnetsko zračenje koje je svojom monohromatičnošću slično sa elektromagnetskim talasima radio-dijapazona. U odnosu na pomenute klasične izvore,

Snop crvene svetlosti iz helijum-neonskog gasnog lasera snage

dva milivata prolazi kroz zamućenu vodu u staklenoj časi

laseri nude novi, principijelno drugačiji kvalitet zračenja: visoka prostorna i vremenska koherencija, snažni snopovi, velika usmerenost i koncentracija energije. Ove izuzetne osobine omogućavaju i izučavanje novih optičkih pojava koje se nisu dale udobno analizirati posredstvom klasičnih svetlosnih izvora u kojima se snopovi formiraju kao zbir slučajnih, pojedinačnih akata emisije, odvojenih talasnih paketa („cugova”) sa međusobno nekorelisanim parametrima.

Skala elektromagnetskih talasa

Vidimo da je skala elektromagnetskih talasa enormna. Podelu te skale na pojedine, relativno autonomne opsege, iza kojih stoje prepoznatljivi fizički fenomeni, moguće je izvršiti na sledeći uslovni način.

1. Elektromagnetski talasi koji imaju talasnu dužinu manju od pikometra formiraju opseg $\gamma$-zraka. Vrlo su prodorni i opasno razaraju živo tkivo. Fotoni gama zraka talasne dužine desetak fermija imaju energije stotinak megaelektronvolti.

2. Kada su talasne dužine veće od pikometra, ali manje od nanometra, govori se o rentgenskim, ili $X$-zracima. Koriste se u medicini, kao dijagnostičko sredstvo, i za direktni tretman obolelog tkiva ozračivanjem. Treba izbegavati nepotrebna izlaganja fluksu rendgenskih zraka. Ovi se zraci upotrebljavaju i u analizi kristalnih struktura, jer su im talasne dužine uporedive sa međuatomskim rastojanjima u kristalima (po redu veličine: nekoliko angstrema). Foton talasne dužine jedan angstrem ima energiju desetak kiloelektronvolti.

3. Ultraljubičasti (UV) zraci pokrivaju oblast talasnih dužina od nanometra do vidljivih talasnih dužina koje počinju oko 400 nanometara. Sunce je značajan izvor ovog zračenja. Izaziva opekotine nezaštićene kože. Deo sunčevog UV zračenja apsorbuje se u stratosferskom sloju oko Zemlje, što je povoljno za organizme na Zemlji. Ozon ($\text{O}_{3}$) u ovom sloju nastaje kada kiseonik reaguje sa UV zracima. Ozon je bitan za zaštitno dejstvo gasovitog omotača naše planete. Ozonski sloj se razara nebrižljivim postupcima, na primer sa freonom u frižiderima, ili sa brojnim sprejevima. Foton talasne dužine 10 nanometara ima energiju oko sto elektronvolti.

4. Vidljivo zračenje je u opsegu od ljubičastih nijansi na približno $0,4\,\mu$ m do crvenih tonova na skoro $0,8\,\mu$ m. Oko prima i obrađuje fotone energije reda veličine jednog elektronvolta. Ovi fotoni nastaju rearanžiranjem elektrona u atomima i molekulima, i zagrevanjem tela kao što je slučaj u sijalici sa grejanom spiralom od volframa. Oko je neadekvatan senzor za fotone van vidljivog dijapazona — fotoni velike energije razaraju tkivo oka, a fotoni male energije ne mogu da pobude biološki senzor u oku, nemaju dovoljnu energiju aktivacije.

5. Zračenje još većih talasnih dužina, sve do skoro jednog milimetra, formira oblast infracrvenih (IC) talasa. Ugrejana tela emituju toplotne zrake, tj IC talase; IC energija interaguje sa molekulima tkiva, pobuđuju se vibracioni i translacioni stepeni slobode, pa se tkivo zagreva. Ovo zračenje je od interesa za fizikalnu terapiju, IC fotografiju, vibracionu spektroskopiju i sl. Foton talasne dužine jedan milimetar ima energiju manju od hiljaditog dela elektronvolta.

Elektromagnetski spektar

6. Mikrotalasi su radiotalasi talasne dužine veće od jednog milimetra a manje od 30 centimetara. Pogodni su za bitne primene u raznim radarskim sistemima. U domaćinstvima koristimo mikrotalasne peći.

7. Dijapazon radiotalasa uključuje još i elektromagnetske talase talasne dužine veće od jednog metra; tu spadaju televizijski talasi, FM i AM radiotalasi, dugi radiotalasi i sl. Danas je nezamisliv život bez radio i televizijskih komunikacionih sistema, mobilne telefonije itd.

Jedinstvena fizička priroda elektromagnetskog zračenja

Elektromagnetski talasi raznih dijapazona imenovani su savršeno različitim terminima. Više od toga, pojedine forme talasa javljaju se u veoma različitim fizičkim okolnostima. Ipak, elektromagnetsko zračenje ima u svim tim slučajevima jedinstvenu fizičku prirodu. U vakuumu, brzina prostiranja elektromagnetskog polja uvek je ista, $c_{0}=\lambda _{0}\nu =3\cdot 10^{8}$ m/s. Zakoni egzistencije elektromagnetskog polja opisuju se za sve učestanosti (sve talasne dužine) jednim te istim, Maksvelovim jednačinama. Do tog rezultata je nauka došla sredinom sedme decenije prošlog

Mladi James Clark Maxwell na Triniti koledžu (Trinity College, Cambridge);

drži jedan od svojih kotura sa bojama spektra dnevne svetlosti (colour wheel)

veka. Danas se smatra da je taj događaj doneo jednu od bitnih generalizacija u fizici, kada su sa jedinstvene pozicije sagledane naoko nepovezane zakonitosti nauke o elektricitetu i magnetizmu.

Metodi detekcije elektromagnetskog zračenja

U praksi, za detekciju pojedinih vrsta elektromagnetskih talasa razvijeni su specifični, diferencirani metodi, prilagođeni što efikasnijem učinku energije konkretnog zračenja.

U nuklearnoj i fizici elementarnih čestica postoje rafinirani postupci za detekciju $\gamma$-fotona (komore, emulzije, brojači i sl.).

Brojne fotohemijske, fotoelektrične, luminescentne i druge reakcije uspešno otkrivaju i analiziraju rentgenske i ultraljubičaste zrake.

Vidljivo zračenje se detektuje fotodiodama, fotootpornicima, fotomultiplikatorima i sl. Naravno, i neposredno, okom.

Termoelektrične pojave su upotrebljiva osnova za prijemnike u infracrvenoj oblasti spektra.

Brojna rezonantna antenska kola uz pomoć raznovrsne elektronike za pojačavačku podršku omogućavaju prijem radiotalasa svih učestanosti.

Proizvod organske evolucije: oko

Gama i iks zraci, ponekad i ultraljubičasti zraci, ugrožavaju ljudsko zdravlje. S druge strane, bukvalno smo svakodnevno uronjeni u ogromno more radiozračenja; koristimo na desetine televizijskih kanala, slušamo mnoštvo FM i AM radiostanica, život bez mobilnih telefona više ne prihvatamo — i sve to, zasad bar, bez vidljivih posledica po biološki potencijal.

Negde u sredini elektromagnetske skale možemo primanu energiju osetiti okom. Priroda nam je evolucijom omogućila da u uskom „prozoru” talasnih dužina od ljubičaste do crvene boje, gledajući, skupljamo informacije iz okolnog sveta.

Značajno je primetiti da i veliki procenat energije zračenja Sunca pripada vidljivom intervalu talasnih dužina $0,4-0,76\,\mu$ m. Sa maksimalnom osetljivošću oko prima talase iz sredine intervala, oko talasnih dužina 555 nanometara. Zanimljiv je podatak da je Zemljina atmosfera upravo u tom intervalu praktično transparentna.

Godine 2009. obeležavala se u svetu, i kod nas, dvestagodišnjica rođenja Čarlsa Darvina. Kad mlad čovek, osmelio se da se ukrca na istraživački brod Beagle; godinama je plovio okeanskim prostranstvima i pohodio daleke zemlje — vratio se sa torbom naučnih dokaza i prosvetlio ljudski um sjajnim učenjem o organskoj evoluciji. Fizičar S. I. Vavilov naglašavao je: Spektralna osetljivost oka najveća je tamo gde je i maksimum spektralne krive zračenja Sunca.

Tako, sadejstvom evolucionih i slučajnih faktora raspolažemo vidom, jednim od bitnih čovekovih čula. Postoje procene da čovek dobija posredstvom oka čak 80% svih informacija kojima raspolaže. Evo jedne od najlepših informacija:

Optika kao deo fizike

Važnost vizuelnog registrovanja zračenja za nas je nesumnjiva. Otuda proizilazi i izuzetan značaj vidljivog dijapazona u fizici. On se izučava u posebnom njenom odeljku koji se zove optika. Istina, mnoge zakonitosti koje važe za vidljivu oblast na snazi su i u dobrom delu graničnih područja koja se ne mogu direktno ispitivati ljudskim okom. Zbog toga je uobičajeno reći, i mi to u ovoj knjizi prihvatamo:

Napravimo jednu terminološku razliku. Pojam optičko zračenje koristićemo u opštem slučaju, kad se izlaganje odnosi i na vidljivu i na dve njoj susedne spektralne oblasti. Pojam svetlost upotrebljavaćemo u užem, svakodnevnom smislu, da njime označimo vidljivo zračenje.

Zahvalnost prethodnicima

U Srbiji, o svetlosti pišu fizičari evo već više od veka. U ličnoj biblioteci držim knjige svojih kolega i profesora beogradskog i drugih srbijanskih univerziteta. Čuvam jednu retku staru knjigu „Iz nauke o svetlosti” koju je izdala u Beogradu 1895. Srpska književna zadruga, u dobroj opremi. Autor je fizičar Đorđe Stanojević (1858 — 1921), profesor univerziteta u Beogradu.

Bilo je to davno vreme, kad se još nije znalo ni za elektron; a Ajnštajnu, šesnaestogodišnjem tinejdžeru, još je bio mutan postulat o konstantnosti brzine svetlosti u svim inercijalnim sistemima referencije i tek u dalekoj magli dolazećeg veka razabirao je mladić-reformator fotone u maksvelovskom snopu undulatorne svetlosti.

Pa ipak, g. Stanojević je u toj knjizi ispričao dosta zanimljivog iz fonda znanja onog vremena, od zakona geometrijske optike, preko optičkih instrumenata do uvek fascinantnih svetlosnih fenomena — pristupom pedagoga od zanata. Fotografije koje je lično snimio, još plene pažnju stručnjaka. Mnogi fizički opiti o kojima govori morali su biti skicirani, no i ti crteži marljivo su oblikovani rukom umetnika. Pogledajmo na priloženom crtežu kako je čitko, oštrom olovkom predstavljena pojava potpunog odbijanja svetlosti kad zraci upadaju iz vode na granicu sa vazduhom.

Danas, mnogi od nas imaju sasvim kvalitetne digitalne fotoaparate i ovu viziju sa 151. strane knjige (u kojoj autor piše da „naučne pouke, upućene bilo početnicima bilo široj publici, moraju biti očigledne i uzete iz svagdašnjeg života”), mogu da snime bez naročitog truda.

Kao omaž starom profesoru, koji je bio jedan od začetnika ove neprekinute tradicije — opsednutost temom kakva je fizika svetlosti i šta je svetlost u fizici— kroz generacije studenata, nastavnika i inženjera u ovoj zemlji, prilažem i fotografiju o kojoj je moj prethodnik, može biti, sanjao.

Isto, objavljujem da je naslov moje knjige sastavljen od reči koje se mogu naći u predgovoru Đ. M. Stanojevića.