Optiek
Optiek of optica is de tak van de natuurkunde die het gedrag en de eigenschappen van licht bestudeert, inclusief de interacties (uitwisselingen) met materie en de constructie van instrumenten die gebruik maken van licht of licht opmeten. Het is een moeilijk onderwerp dat al eeuwenlang voor veel vraagtekens heeft gezorgd. Optiek kan ook een zienswijze (manier van kijken) betekenen. Hieronder lees je ook hoe de kijk op de werking van licht door de eeuwen heen veranderde.
Inleiding
Optiek beschrijft meestal het gedrag van zichtbaar, ultraviolet en infrarood licht. Omdat licht een elektromagnetische golf is, vertonen andere vormen van elektromagnetische straling zoals röntgenstralen, microgolven (van de magnetron) en radiogolven (van zend- en ontvangapparatuur) vergelijkbare eigenschappen.
De meeste optische verschijnselen kunnen worden verklaard door de klassieke elektromagnetische beschrijving van licht te gebruiken. Volledige elektromagnetische beschrijvingen van licht zijn in de praktijk echter vaak moeilijk toe te passen. Praktische optica wordt meestal gedaan met behulp van vereenvoudigde modellen. De meest voorkomende hiervan, geometrische optica, behandelt licht als een verzameling stralen die in rechte lijnen reizen en buigen wanneer ze door oppervlakken als glas of water gaan of reflecteren op (glimmende) voorwerpen. Fysieke optica is een uitgebreider model van licht, dat golfeffecten zoals diffractie (spreiding van licht) en interferentie (versterken of doven van licht) omvat dat kan niet worden verklaard in geometrische optica. Historisch gezien werd eerst het op stralen gebaseerde lichtmodel ontwikkeld, gevolgd door het golfmodel van licht. Vooruitgang in de elektromagnetische theorie in de 19e eeuw leidde tot de ontdekking dat lichtgolven in feite elektromagnetische straling waren.
Sommige verschijnselen zijn afhankelijk van licht dat zowel golfachtige als deeltjesachtige eigenschappen heeft. Verklaring van deze effecten kan gedaan worden met kwantummechanica. Bij het bestuderen van de deeltjesachtige eigenschappen van licht, wordt het licht gezien als een verzameling deeltjes die "fotonen" worden genoemd. Kwantumoptica houdt zich bezig met de toepassing van kwantummechanica op optische systemen (dat wat met licht werkt).
Optische wetenschap is belangrijk voor en wordt bestudeerd in veel gebieden die met licht te maken hebben, zoals astronomie, verschillende technische gebieden, fotografie en geneeskunde. Met name oogheelkunde en optometrie (het werk wat de opticien doet), waarin het fysiologische optiek (medische door de natuur bepaalde optiek) wordt genoemd. Praktische toepassingen van optiek zijn te vinden in een verscheidenheid aan technologieën en alledaagse voorwerpen, waaronder spiegels, lenzen, telescopen, microscopen, lasers, projectoren en glasvezel.
Lichtbreking in prisma
Lichtbreking in het oog
Microscoop
Newtons telescoop
Aansteken van olympisch vuur met holle spiegel
Lenzen
Projector of beamer
Vroege fotocamera
_(14781558325).jpg)
.jpg)
Geschiedenis
Optiek begon met de ontwikkeling van lenzen door de oude Egyptenaren en Mesopotamiërs. De vroegst bekende lenzen, gemaakt van gepolijst kristal, vaak kwarts, dateren al van 2000 v. Chr. en zijn gevonden op Kreta (Archeologisch Museum van Heraclion, Griekenland). Lenzen uit Rhodos dateren van rond 700 v. Chr., evenals Assyrische lenzen zoals de Nimrud-lens. De oude Romeinen en Grieken vulden glazen bollen met water om lenzen te maken. Deze praktische ontwikkelingen werden gevolgd door de ontwikkeling van theorieën over licht en zicht door de oude Grieken en Indianen-filosofen, en de ontwikkeling van meetkundige optica in de Grieks-Romeinse wereld. Het woord optiek of optica komt van het oude Griekse woord ὀπτική ( optikē ), wat "uiterlijk, uiterlijk" betekent, iets wat ook met spiegels heeft te maken.
De werking van het oog en het licht werd toen al bestudeerd door wetenschappers als Democritus , Epicurus, en Aristoteles. Toen dacht met nog dat lichtstralen (emissie) uit het oog kwamen. Nu weten we dat het andersom is. Voorwerpen weerkaatsen licht en dat komt in onze ogen.
De geleerde Plato formuleerde (beschreef) als eerste de emissietheorie, het idee dat visuele waarneming ontstaat door stralen die door de ogen worden uitgezonden. Hij gaf ook commentaar op de beeldomkering van spiegels zoals beschreven in Timaeus. Zo'n honderd jaar later schreef Euclides (4e-3e eeuw v. Chr) een verhandeling getiteld Optica, waarin hij zijn kennis van licht aan geometrie (meetkunde) verbond en zo de geometrische optica bedacht (dat licht in stralen of lijnen gaat). Hij baseerde zijn werk op Plato's emissietheorie waarin hij de wiskundige regels van perspectief beschreef en de effecten van lichtbreking beschreef, hoewel hij zich afvroeg of een lichtstraal uit het oog onmiddellijk de sterren kon verlichten telkens als iemand met zijn ogen knipperde. Euclides verklaarde het principe van de kortste lichtbaan en beschouwde meerdere reflecties (weerkaatsingen) op platte en bolvormige spiegels.
De geleerde Ptolemaeus, schreef in zijn verhandeling Optics, dat de stralen (of flux) van het oog een kegel (vorm van een tovenaarshoed) vormden. Dit beschreef hij als de kijkhoek van het oog, en de basis die het gezichtsveld vormt. De stralen waren gevoelig en brachten informatie terug naar het verstand (De hersenen) van de waarnemer over de afstand en oriëntatie van oppervlakken. Ptolemaeus vatte veel van Euclides werk samen en beschreef vervolgens een manier om de brekingshoek (van de lichtbreking) te meten. Plutarchus (1e-2e eeuw na Chr.) beschreef meerdere weerkaatsingen op spiegels en besprak de vorming van vergrote en verkleinde beelden door holle en bolle spiegels (denk aan een lepel), zowel echte als denkbeeldige beelden.
Middeleeuwen
Tijdens de Middeleeuwen werden Griekse ideeën over optiek weer herontdekt en uitgebreid door schrijvers in de moslimwereld. Een van de vroegste hiervan was Al-Kindi (ca. 801-873) die schreef over de ontdekkingen en kennis van Aristotelische en Euclidische van optiek.
In 984 schreef de Perzische wiskundige Ibn Sahl de verhandeling "Over brandende spiegels en lenzen", waarin hij correct een brekingswet beschrijft die gelijk is aan de latere wet van Snellius (hoe je kunt berekenen onder welke hoek een lichtbundel breekt op de grens van bijvoorbeeld lucht en water). Hij gebruikte deze wet om beste vormen voor lenzen en gebogen spiegels te berekenen. In het begin van de 11e eeuw schreef Ibn al-Haytham, beter bekend als Alhazen, de Book of Optics (Kitab al-manazir) waarin hij reflectie (weerspiegeling) en breking van het licht onderzocht en een nieuw systeem voorstelde voor het verklaren van zien (visie) en licht op basis van bekijkend bestuderen (observeren) en uitproberen (experimenteren). Alhazen vond de "emissietheorie" van Ptolemeus fout. De theorie van de Ptolemeïsche optica waarbij de stralen door het oog worden uitgezonden. In plaats daarvan bracht hij het idee naar voren dat licht in alle richtingen in rechte lijnen van alle punten van de voorwerpen die werden bekeken en vervolgens het oog binnengingen, hoewel hij niet correct kon uitleggen hoe het oog de stralen opving. Het werk van Alhazen werd nauwelijks opgemerkt en genegeerd in de Arabische wereld, maar het werd rond 1200 na Chr. door een onbekende in het Latijn vertaald en verder samengevat en uitgebreid door de Poolse monnik Witelo. Die maakt hiermee dé standaardtekst over optiek in Europa voor de komende 400 jaar.
Roger Bacon, schreef veel over de optiek en hij was in staat om delen van glazen bollen als vergrootglazen te gebruiken om aan te tonen dat licht (zoals zonlicht en kaarslicht) van voorwerpen weerkaatst in plaats van dat het eruit komt.
Eerste echte bruikbare optische instrumenten
De eerste draagbare brillen werden rond 1286 in Italië uitgevonden. Dit was het begin van de optische industrie van het slijpen en polijsten van lenzen voor deze "brillen", eerst in Venetië en Florence in de dertiende eeuw. De brillenmakers ontdekte al werkende het effect op het zien door sterkere of minder sterkere bolling of holling in de glazen aan te brengen. Maar hoe dat nou precies zat, snapten ze nog niet.
Cornelis Drebbel en later Antonie van Leeuwenhoek doen baanbrekend werk met de microscoop. Het eerste record van een optisch brekende telescoop verscheen in Nederland rond 1608, toen een brillenmaker uit Middelburg, genaamd Hans Lippershey, tevergeefs probeerde er patent voor aan te vragen. Het nieuws over het patent verspreidde zich snel en Galileo Galilei hoorde van de uitvinding, construeerde een eigen versie en paste deze toe bij het doen van astronomische ontdekkingen. In het begin van de 17e eeuw breidde Johannes Kepler in zijn geschriften uit over geometrische optica, over lenzen, reflectie (weerspiegeling) door platte en gebogen spiegels, de principes van de camera obscura. Ook gaf hij de optische verklaringen van astronomische verschijnselen zoals zoals maan- en zonsverduisteringen. Hij was ook in staat om de rol van het netvlies als het eigenlijke orgaan dat beelden opnam correct af te leiden en te beschrijven Hij was als eerste in staat om de effecten van verschillende soorten lenzen die brillenmakers de afgelopen 300 jaar hadden waargenomen wetenschappelijk te bewijzen en te berekenen. Na de uitvinding van de telescoop legde Kepler de theoretische basis voor hoe ze werkten en beschreef een verbeterde versie, bekend als de Kepler-telescoop.
De kennis van de optische theorie vorderde halverwege de 17e eeuw met verhandelingen geschreven door filosoof René Descartes, waarin een verscheidenheid aan optische verschijnselen, waaronder reflectie en breking, werd verklaard door aan te nemen dat licht werd uitgezonden door voorwerpen alsof die het zelf produceerden. Dus alsof elk voorwerp net als een kaarsvlam licht uitstraalt en daardoor te zien is. Dit verschilde dus wezenlijk van de oude Griekse emissietheorie waarbij men dacht dat het licht uit het oog kwam. Aan het einde van de jaren 1660 en het begin van de jaren 1670 breidde Isaac Newton de ideeën van Descartes uit tot een lichtlichaamtheorie, waarbij hij op beroemde wijze vaststelde dat wit licht een mix van kleuren was die met een prisma in zijn samenstellende delen kan worden gescheiden in een kleuren-spectrum. In 1690 stelde Christiaan Huygens een golftheorie voor voor licht op basis van suggesties die waren gedaan door Robert Hooke in 1664. Hooke zelf was het niet eens met Newtons ideeën over licht en liet dat publiekelijk merken. De vete tussen de twee duurde tot Hooke's dood. In 1704 publiceerde Newton Opticks en destijds, mede vanwege zijn succes op andere gebieden van de natuurkunde, werd hij algemeen gezien als de overwinnaar in het debat (discussie) over de aard van licht. De Newtoniaanse optica werd algemeen aanvaard tot het begin van de 19e eeuw, toen Thomas Young en Augustin-Jean Fresnel experimenten uitvoerden met de interferentie van licht die het golfkarakter van licht stevig bevestigde. Interferentie is een eigenschap dat golfbewegingen (trillingen) bij elkaar op te tellen zijn en van elkaar kunnen worden afgetrokken.
Max Planck ontdekte in 1899 de zwartlichaamstraling waarbij een zwart voorwerp warmte afgeeft in plaats van licht. Een zwart voorwerp kun je als mens (en de meeste andere dieren) in het donker niet zien, maar wel waarnemen met een infraroodcamera of warmtecamera. In 1905 publiceerde Albert Einstein de theorie van het foto- elektrisch effect. Hier hebben we de zonnepanelen aan te danken.
Straal of toch een golf?
Het is dus lang de vraag geweest of licht nu een straal of een golf was. Wanneer je met een sterke lantaarn een lichtbundel schuin op een vlakke spiegel schijnt, dan zal de lichtstraal als het ware de hoek om gaan en terugkaatsen (reflectie). Zo kun je dus ook met een spiegel "om de hoek" kijken. Daar is een periscoop ook op ontworpen.
Schijn je met een bundel licht van een schijnwerper (schuin) in het water dan lijkt de bundel iets te buigen op de grens van lucht en water (breking) en een deel van het licht wordt op het wateroppervlak weerkaatst (reflectie). Overigens zit er in een schijnwerper een holle reflector die het licht van het lampje tot een bundel maakt. Met deze voorbeelden lijkt licht dus inderdaad te werken als een straal of een bundel stralen.
Nu heb je zogeheten polaroidbrillen en polarisatie-filters (UV filter) die van een glas zijn gemaakt met heel veel haast onzichtbare spleetjes naast elkaar (tralies). Als je de glazen van twee van die brillen of UV-filters op elkaar legt en iets draait ten opzichte van elkaar, dan kun je steeds minder goed door de twee glazen heen kijken. Het licht dooft als het ware. De spleetjes werken als een soort zeef. Hiermee lijkt licht een golf. Stel je voor: Je kunt met z'n tweeën een springtouw op een neer laten golven tussen twee paaltjes of een dubbele deur waar een kier tussen zit (een spleet). Verander je de golfbeweging van verticaal (van boven naar beneden) naar horizontaal (van links naar rechts) dan werkt het niet, want dan botst het touw tegen de paaltjes of de deuren. De beweging wordt als het ware uitgedoofd. Een polarisatiefilter werkt ongeveer hetzelfde en laat het licht maar in één richting door.
Rechte weerkaatsing in een spiegel, maar wel een omkering
Reflectie van de brug in het water
Reflectie in een bolle spiegel geeft een verkleining
Lichtbreking door een dikke glasplaat (lucht - glas - lucht)
UV of polaroid filter
Polarisatie van licht; 1. Lamp, 2. Alle richtingen, 3. polarisatiefilter of tralies, 4. Nog maar één verticale richting.
Een schijnwerper: Het lampje in punt F straalt alle kanten uit en weerkaatst op de holle spiegel in P1, P2 en P3 (en nog veel meer). De lichtstralen Q1, Q2 en Q3 vormen samen een lichtbundel.
Lichtbreking door lens (L) geeft een brandpunt (F). Het licht komt in een bundel van links
Lenzen maken ook gebruik van lichtbreking. Met een vergrootglas (positieve lens) worden de bundel van lichtstralen van de zon naar elkaar toe gebogen tot in het brandpunt dat op die plek heet wordt. Een bol stuk glas in de natuur kan dan ook brand veroorzaken.
Een lichtstraal is makkelijk voor te stellen door gebruik te maken van laserstralen, die als een lijn van licht getoond kunnen worden. Deze konden ze pas maken rond 1960. Een laserstraal is dan ook een smalle bundel van een bepaald kleur licht dat heel fel is. Vandaar ook dat het schadelijk is voor je ogen. Door deze uitvinding kon de CD ontwikkeld worden en het apparaat waarmee een barcode wordt gelezen. Ook de glasvezelkabel is mogelijk geworden door de lasertechniek, maar nog meer door de optische technieken van lenzen en spiegels. Zonder de optische technieken zouden we ook geen TV, computernetwerken en mobieltjes hebben.