Sodankylän geofysiikan observatorio VALO FYSIIKASSA Jyrki Manninen Sodankylän geofysiikan observatorio 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Historiaa 1 Ilmiöitä (mm. kaiku, taittuminen, väri-ilmiöt, äänen korkeudet) ihmeteltiin jo antiikin Kreikassa. Pythagoraan käsitys oli, että valonsäteet koostuvat kimmoisista hiukkasista. Demokritoksen mukaan värit johtuvat atomien ominaisuuksista, esim. koosta Pythagoraan aikalaiset vahvasti Platonin näkösäteiden kannalla (silmä lähettää ja vastaanottaa takaisin heijastuneet säteet). Aristoteles totesi, että tällöin ihminen näkisi myös pimeässä Äänen aaltoluonne oli helpompi ymmärtää, esim. havaittiin äänen aiheuttavan tärinää, samoin rajallinen etenemisnopeus (ukkonen) viittasi myös aaltoliikkeeseen. 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon taittuminen Innoittaja: vedessä oleva airo näyttää olevan poikki. Heron ja Ptolemaios tekivät mittauksia ja taulukointia. Heron totesi valon kulkevan aina lyhintä mahdollista reittiä. Ptolemaios teki tutkimuksia heijastumisesta, taittumisesta, väreistä, eri muotoisista peileistä, jne. » Jonkinlainen approksimaatio taittumislaille 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Historia jatkuu… Arabitiedemies Abu al-Hasan ibn-al-Haitham (engl. kirjall. Alhazen) (965-1038) teki kattavia tutkimuksia optiikassa: Peruskäsitteistö syntyy: polttopiste, keskussäteet, ... Korosti kokeellisuutta tutkimuksissaan. Pohja geometriselle optiikalle. Totesi valon olevan lähteestä huolimatta samanlaista (aurinko, tuli, heijastunut valo) Läpimurto oli tutkimus taittumisen riippuvuudesta rajapinnan molemmin puolin olevista aineista. (taitekerroin) Seuraava harppaus otettiin vasta Willebrord Snellin (1591-1626) aikakaudella (taittumis- laki), jonka tosin vasta Huygens julkaisi teoksessaan 20 vuotta myöhemmin. 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Optiikka eli valo-oppi Geometrinen optiikka Valon voidaan ajatella muodostuvan säteistä Pätee pienille aallonpituuksille (l pieni) Heijastuslait ja hajaantuminen riittävät selittämään ilmiöt Fysikaalinen optiikka Tutkii valoa aaltokenttänä Lisäksi interferenssi, diffraktio ja polarisaatio Selitetään kaikki valon fysikaaliset ominaisuudet aallonpituudesta (l) riippumatta 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Laitekehitys alkaa Lasisten linssien valmistus alkaa 1200-luvulla Linssien muoto ja valmistustapa oli opittu ilman teorioita Italiassa valmistettiin 1270-luvulla silmälasit, joissa oli kuperat linssit. Vastaavia löydetty myös Kiinasta 1400-luvulla alettiin korjata koverilla linsseillä kaukonäköä 1590-luvulla tehtiin mikroskooppi ja 1609 kiikari, josta kehittyi edelleen kaukoputki (esim. Galileo Galilei) Ihmisen näkökyky parani ainakin tekijällä 100. Myöhemmin mikroskooppien kehittyminen avasi uuden ”mikrokosmoksen”. Antiikin filosofian kielteinen suhtautuminen ihmisen luontaisten aistien parantamiseen sai väistyä. 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon spektri Aikaisemmin oletettiin värin ja valon olevan kaksi toisistaan riippumatonta asiaa. Valon koostumuksen tarkempaa selvitystä nopeuttivat hankaluudet optisten laitteiden käytössä. (dispersio) Mitä isompi suurennos, sitä tuhruisempi kuva. Newton alkoi tutkia systemaattisesti ja sai valkoisen valon hajautettua väreihin prismalla. Merkittävä Newtonin havainnosta tuli vasta, kun toisin päin asetettu prisma kokosi valon taas takaisin valkoiseksi. 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

UV- ja IR-säteily Aaltoteorian läpilyönti herätti myös kysymyksen, onko olemassa “näkymätöntä valoa”. Ääniopista tiedettiin, että eri ihmiset pystyivät kuulemaan eritaajuisia ääniä. Olisiko valon kanssa samoin? William Herschel (1738-1822) tutki lämmityksen vaikutusta spektrin väreihin ja havaitsi, että valon lämmitysteho kasvaa, kun mennään kohti punaista valoa. Herschel löysi Auringon spektristä voimakkaan alueen, joka ei ollut näkyvän valon alueella ⇒ IR-alue. Johan Ritter löysi UV-valon hieman myöhemmin valokuvaus-menetelmillä. Hän huomasi, että hopeakloridi tummuu voimakkaammin violetin ulkopuolella. UV- ja IR-säteily todettiin aaltoliikkeeksi, koska niillä havaittiin samoja ominaisuuksia kuin valolla. 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Spektri Yläosa on auringonvalon spektri, eli sateenkaaren värit Alaosassa esimerkkinä revontulivalon spektri Violetin vasemmalla puolella on UV-alue ja punaisen oikealla puolella IR-alue 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Spektri Kuvassa näkyy kaksi optista ilmiötä: Sateenkaari Auringonsäteet 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Aallonpituudet Värien aallonpituusalueet ovat suunnilleen: violetti 380−450 nm sininen 450−490 nm vihreä 490−560 nm keltainen 560−590 nm oranssi 590−630 nm punainen 630−760 nm 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon nopeus 1/2 Antiikin filosofiassa valon nopeus on äärettömän suuri. Ole Römer (1644–1710) määritti valon nopeuden Jupiterin kuun jaksollisen välkkeen taajuuden muutoksen avulla 1675. (Tulos noin 210 000 km/s.) Teki tarkistuksia kalenteriin, mm. pääsiäisen sovitus Kuun vaiheisiin. Valon nopeus määritettiin ilman astronomisia mittauksia 1849. Ranskalainen H.L. Fizeau (1819-1896) mittasi valon nopeuden hammaspyörän avulla. Hän päätyi arvoon 313 000 km/s. Fizeau ihmetteli myös, miksi valon nopeus ei muuttunut, kun se kulki vedessä ensin myötävirtaan ja sitten vastavirtaan. 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon nopeus 2/2 Myöhemmät ja tarkemmat metodit perustuvat sähköisiin vakioihin. Maxwell’n kaava johtaa valon nopeuden tarkkaan arvoon tyhjiössä 299 792 458 m/s 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon luonteesta 1 1600-luvulla oli “valmiina” kaksi teoriaa: I aaltoteoria ja II hiukkasteoria Aaltohypoteesin “esi-isä” oli engl. fyysikko C. Huygens (1629-1695). Aaltoteoria selitti hyvin taipumisen rajapinnoissa Aaltoteorian kannattajat olivat radikaaleja, joita oli vähemmistö. Itseään Isaac Newtonia oli vaikea vastustaa. Kritiikki vallalla ollutta hiukkasteoriaa kohtaan alkoi voimistua 1800-luvun alussa Youngin kokeiden myötä: Kaksoisrakokoe osoitti interferenssin Newtonin renkaiden selitys linssien välissä olevalla ilmalla 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Laservalon diffraktio hilassa 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon luonteesta 2 Hiukkasteoria: valo + valo = 2 valoa Aaltoteoria: valo + valo = 2 valoa tai pimeä Young: ”Valo on poikittaista aaltoliikettä.” Fresnel (1788-1827) puolusti aaltoteoriaa ja ”keksi” seuraavat: Interferenssin matemaattinen tarkastelu 1819 Määritteli valon olevan poikittaista aaltoliikettä (kuten Young:kin) Tutki valon polarisaatiota, mikä on myös merkittävä argumentti valon aaltoluonteelle. Majakat ja Fresnelin linssin muut käyttökohteet. 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon luonteesta 3 Fraunhofer (1787-1826) huomasi natriumin spektrissä tummia viivoja Vuonna 1826 Herschel ja Talbot osoittivat, että eri alkuaineiden lämmittämisestä lähtevä valo muodostuu karakteristisista spektriviivoista Newton ajatteli Auringon spektrin olevan jatkuva, mutta Wollaston (1766-1828) totesi siinäkin olevan epäjatkuvuuksia. Fraunhofer kartoitti Auringon valon kaikki spektriviivat (574 viivaa). Alkoi tuntua siltä, että eri viivat olivat peräisin eri alkuaineista. 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon luonteesta 4 Ilmeni vaikeuksia selittää, miksi korkeilla taajuuksilla aaltoilulla oli suurempi energia kuin matalilla. Toisaalta valon kulkemista tyhjiössä oli vaikea selittää muuten kuin valon hiukkasluonteella. Esim. tyhjiössä oleva hyrrä pyörii, kun sitä pommitetaan valolla. Valon hiukkasluonne perustuu Max Planckin (1858-1947) teoriaan siitä, että säteily syntyy aineessa energiapaketteina, eli kvantteina fotoniteoria E = hf, jossa h = 6,63 x 10-34 Js. Valolla on myös hiukkasluonne 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Valon yksiköt Valon määrän mitta on valon intensiteetti - teho pinta-alayksikköä kohti. Sen yksikkö SI-järjestelmässä on 1 W/m2 Ihminen ei kuitenkaan aisti fysikaalisesti yhtä voimakkaita, mutta eri taajuisia (erivärisiä) valoja yhtä voimakkaina. Sen vuoksi käy- tännön tarkoituksiin käytetään myös fotometrisia yksiköitä, jotka on määritelty siten, että ne vastaavat ihmisen näköaistimuksen voimakkuutta eri aallonpituuksilla. SI-järjestelmässä fotometrisena perussuureena on valovoima, jonka yksikkö on kandela (1 cd) ≈ kynttilä. Valovirran yksikkö lumen (1 lm = 1 cd · sr) sekä valaistusvoimakkuuden yksikkö luksi (1 lx = 1 lm/m2) -> 1 kynttilä metrin etäisyydellä = 1 lx 07.02.2010 MAOL 2010 Rovaniemi

Yhteystiedot HUOM! Kysyä saa milloin ja mitä tahansa, Jyrki Manninen Sodankylän geofysiikan observatorio Tähteläntie 62 99600 Sodankylä Puh: 016-619 824 Fax: 016-619 875 E-mail: Jyrki.Manninen@sgo.fi www.sgo.fi HUOM! Kysyä saa milloin ja mitä tahansa, vastaan milloin ja mitä tahansa.