Na početku
Na početku, odgovorite na nekoliko kratkih pitanja o prirodi svjetlosti.
Odgovorite na nekoliko kratkih pitanja o prirodi svjetlosti.
Čestice svjetlosti i nastanak fotografije
Pri nastanku fotografije pomoću kamere svjetlosni valovi šire se od svake točke objekta, prolaze kroz sustav objektiva i konvergiraju u žarišnoj ravnini. Put svjetlosti od objekta kroz sustav leća i do žarišta može se izračunati pomoću metoda iz teorije koju ste radili u trećem razredu.
Ali, na koji se način fotografska slika formira?
U osnovi nastanka fotografskog zapisa na digitalnoj kameri se nalazi uređaj CCD (charge-coupled device). Svaki CCD uređaj građen je od miliona fotodioda. Kada fotoni pogađaju silicij od kojeg su fotodiode građene, elektroni ih apsorbiraju te se oslobađaju. Što više fotona pogađa fotodiodu, više je oslobođenih elektrona. Svaka fotodioda ima na sebi električni kontakt i uz prikladan napon silicij ispod diode može prihvatiti i "skladištiti" oslobođene elektrone pa je svakoj fotodiodi pridružena određena količina naboja. O količini naboja, ovisit će sjaj pripadnog "piksela".
Pri nastanku fotografije pomoću kamere svjetlosni valovi se šire od svake točke objekta.
Prolaze kroz sustav objektiva.
Konvergiraju se u žarišnoj ravnini na fotografskom filmu.
Put svjetlosti od objekta kroz sustav leća i do žarišta može se izračunati pomoću metoda iz teorije geometrijske optike.
Na koji se način fotografska slika formira?
Fotografski film sastoji se od emulzije.
Emulzija sadrži zrna kristala srebro-halogenida.
Svako zrno sadrži oko 1010 atoma srebra.
Svaki foton koji se apsorbira na filmu predaje svoju energiju hf jednom atomu u emulziji.
Ta energija aktivira okolne kristale u cijelom zrnu. Koristi se za dovršavanje fotokemijskog procesa.
Pri uobičajenoj osvijetljenosti apsorbira se mnoštvo fotona koji aktiviraju mnoga zrna.
Međutim, ako je fotografija snimljena pri izuzetno slaboj svjetlosti, uočavamo da slika nastaje naizgled nasumičnim udarcima pojedinih fotona.
To vidimo ilustrirano na slici. Slika pokazuje kako fotografija izgleda ovisno o broju fotona.
Youngov pokus s dvije pukotine
Vratimo se Youngovom eksperimentu s dvije pukotine koji smo spominjali u valnoj optici. Kada monokromatska svjetlost prolazi kroz par usko razmaknutih tankih proreza na zastoru, dobijemo interferencijski uzorak .
Razmislite o ovome pokusu tako da svjetlost promatrate kao snop fotona koji prolaze kroz dvostruku pukotinu i dolaze do detektora (uređaj koji može bilježiti pojedinačne fotone).
Vratimo se Youngovom eksperimentu s dvojnim prorezom.
Taj eksperiment smo spominjali u valnoj optici.
Kada monokromatska svjetlost prolazi kroz par usko razmaknutih tankih proreza na fotografskom filmu dobijemo interferencijski uzorak.
Razmislite o ovome pokusu tako da svjetlost promatrate kao snop fotona koji prolaze kroz dvostruku pukotinu i dolaze do detektora (uređaj koji može bilježiti pojedinačne fotone).
Prigušimo izvor svjetlosti tako da fotoni do detektora dolaze jedan po jedan (kao da komadićima krede gađamo školsku ploču kroz dva razmaknuta otvora na kartonskoj prepreci). Kako bi trebao izgledati uzorak na detektoru (ploči) koji vidimo?
Iskustvo nam govori da ćemo nasuprot otvorima imati dva područja gdje su komadići krede češće pogađali ploču i manji broj pogodaka sa strane.
Prema tome, ako se fotoni koji prolaze kroz dvije pukotine jedan po jedan ponašaju kao komadići krede, trebali bismo dobiti sličan uzorak.
Ali, pogledajmo što se događa sa fotonima.
Prigušimo izvor svjetlosti tako da fotoni do detektora dolaze jedan po jedan (kao da komadićima krede gađamo školsku ploču kroz dva razmaknuta otvora na kartonskoj prepreci).
Kako bi trebao izgledati uzorak na detektoru (ploči) koji vidimo?
Iskustvo nam govori da ćemo nasuprot otvorima imati dva područja gdje su:
- komadići krede češće pogađali ploču
- manji broj pogodaka sa strane.
Ako se fotoni koji prolaze kroz dvije pukotine jedan po jedan ponašaju kao komadići krede, trebali bismo dobiti sličan uzorak.
Pogledajmo što se događa sa fotonima.
Na slikama vidimo uzorak na detektoru kada ga pogodi 1.) 30 fotona, 2.) nekoliko stotina fotona, 3.) nekoliko tisuća fotona.
Ono što primjećujemo je da, umjesto očekivanog, postupno nastaje uzorak karakterističan za valove kakav smo već vidjeli u jedinici interferencija. Jednak uzorak nastaje izložimo li detektor kratko vrijeme jakoj svjetlosti, kao što je to učinjeno kada smo govorili o interferenciji svjetlosti ili slaboj svjetlosti (gađajući detektor foton po foton) kao ovdje.
Na slikama vidimo uzorak na detektoru kada ga pogodi:
1.) 30 fotona,
2.) nekoliko stotina fotona,
3.) nekoliko tisuća fotona.
Postupno nastaje uzorak karakterističan za valove kakav smo već vidjeli u jedinici interferencija.
Jednak uzorak nastaje izložimo li detektor kratko vrijeme jakoj svjetlosti.
Isto je učinjeno kada smo govorili o interferenciji svjetlosti ili slaboj svjetlosti (gađajući detektor foton po foton) kao ovdje.
Pokus s jednom pukotinom
Ako jednu od dvije pukotine pokrijemo tako da fotoni koji udaraju detektor mogu proći samo kroz jednu pukotinu, dobijemo sljedeću sliku.
Jedan od dva proreza na barijeri pokrijemo.
Fotoni koji udaraju u fotografski film mogu proći samo kroz jednu pukotinu.
Dobijemo sljedeću sliku.
Sićušne mrlje na detektoru nakupljaju se u obliku ogibne slike na jednoj pukotini (slika dolje). Primijetimo ovdje da usporedbom ovoga uzorka i uzorka dobivenog na dvije pukotine možemo zaključiti da su fotoni ne pogađaju detektor na istim mjestima kao kada su obje pukotine otvorene.
Gađajući školsku ploču komadićima krede kroz jedan ili dva otvora, dobili bismo područja sa velikim brojem pogodaka nasuprot otvorima kroz koje gađamo i poneki pogodak sa strane. Gađajući detektor fotonima kroz jednu ili dvije pukotine mi vidimo puno veće razlike u uzorku na detektoru.
Sićušne mrlje na detektoru nakupljaju se u obliku ogibne slike na jednoj pukotini (slika dolje).
Usporedimo ovaj uzorak i uzorak dobiven na dvije pukotine.
Možemo zaključiti da fotoni ne pogađaju detektor na istim mjestima kao kada su obje pukotine otvorene.
Gađajući školsku ploču komadićima krede kroz jedan ili dva otvora, dobili bismo područja sa velikim brojem pogodaka nasuprot otvorima kroz koje gađamo i poneki pogodak sa strane.
Gađajući detektor fotonima kroz jednu ili dvije pukotine mi vidimo puno veće razlike u uzorku na detektoru.
Valno-čestična priroda svjetlosti
Razmišljamo li o ovim pokusima uz klasičnu podjelu na valove i čestice, rezultat je zbunjujući. Kako fotoni prolazeći kroz jednu pukotinu "znaju" da je druga pokrivena i pogađaju detektor tako da stvaraju ogibnu sliku s jednom pukotinom. Ili, ako su otvorene obje pukotine, kako fotoni koji putuju kroz jednu pukotinu "znaju" da je druga pukotina otvorena i stvaraju interferencijski uzorak karakterističan za dvije pukotine?
Objašnjenje u okviru kvantne fizike je da valna priroda svjetlosti nije svojstvo koje se pojavljuje samo kad mnogo fotona djelujte zajedno. Svaki pojedinačni foton ima svojstva vala kao i svojstva čestica. Ali mi ćemo uočiti njegova valna ili čestična svojstva ovisno o prilici. Foton se ponaša kao čestica kad ga emitira atom ili apsorbira detektor, ali se ponaša kao val na putu od izvora do mjesta gdje ga detektiramo. Zato foton udari u detektor kao čestica, a od izvora svjetlosti do njega putuje kao val. Zbog toga pri prolasku kroz jednu od dvije pukotine na prepreci taj val interferira s valom koji je prošao kroz drugu pukotinu.
Činjenica da svjetlost pokazuje i valna svojstva i ponašanje čestica, to jest da je dualne valno-čestične prirode (ponekad se koristi izraz valno prirode), jedno je od najvažnijih otkrića s početka dvadesetog stoljeća.
Razmišljamo li o ovome u klasičnoj podjeli na valove i čestice, rezultat ovog pokusa je zbunjujuć.
Kako fotoni prolazeći kroz jedan prorez "znaju" da je drugi prorez pokriven i pogađaju film tako da stvaraju difrakcijski uzorak s jednim prorezom?
Ili, ako su otvorena oba proreza, kako fotoni koji putuju kroz jedan prorez "znaju" da je drugi prorez otvoren i stvaraju interferencijski uzorak karakterističan za dvije pukotine?
Objašnjenje u okviru kvantne fizike je da valna priroda svjetlosti nije svojstvo koje se pojavljuje samo kad mnogo fotona djelujte zajedno.
Svaki pojedinačni foton ima svojstva vala kao i svojstva čestica.
Ali mi ćemo uočiti njegova valna ili čestična svojstva ovisno o prilici.
Foton se ponaša kao čestica kad ga emitira atom ili apsorbira fotografski film ili drugi detektori.
Foton se ponaša kao val na putu od izvora do mjesta gdje ga detektiramo.
Zato foton udari u film kao čestica, a od izvora svjetlosti do filma putuje kao val.
Zbog toga pri prolasku kroz jedan od dva proreza na barijeri taj val interferira s valom koji je prošao kroz drugu pukotinu.
Svjetlost pokazuje i valna svojstva i ponašanje čestica.
Svjetlost je dualne valno-čestične prirode.
To je jedno od najvažnijih otkrića s početka 20. stoljeća.
Za znatiželjne i one koji žele znati više
CCD uređaji, uz određene prilagodbe, mogu biti iznimno osjetljivi, što ih čini pogodnima za specijalne namjene. Jedna od njih je i astronomska fotografija.
Kako od objekata na noćnom nebu, često dolazi mali broj fotona, na kvalitetu fotografije može značajno utjecati "elektronski šum" koji je pri uvjetima uobičajenog osvjetljenja zanemariv. Naime, u uvodu ove jedinice rekli smo da sjaj "piksela" ovisi o količini naboja koji se pohrani uz određenu fotodiodu. "Elektronski šum" predstavljaju elektroni koji se pohranjuju a posljedica su zagrijavanja dijelova kamere.
Zbog toga se pribjegava raznim načinima otklanjanja elektronskog šuma kao što je ugrađivanje sustava hlađenja ili snimanjima takozvanih "tamnih okvira" (fotografija samog šuma) koji pomažu softveru za obradu fotografije da prepozna uzorak koji treba otkloniti sa fotografije.
Proučite detaljnije rad digitalne kamere ili osjetljive digitalne kamere te ga prezentirajte ostalim učenicima u razredu.
CCD uređaji, uz određene prilagodbe, mogu biti iznimno osjetljivi.
To ih čini pogodnima za specijalne namjene. Jedna od njih je i astronomska fotografija.
Kako od objekata na noćnom nebu, često dolazi mali broj fotona, na kvalitetu fotografije može značajno utjecati "elektronski šum".
On je pri uvjetima uobičajenog osvjetljenja zanemariv.
U uvodu ove jedinice rekli smo da sjaj "piksela" ovisi o količini naboja koji se pohrani uz određenu fotodiodu.
"Elektronski šum" predstavljaju elektroni koji se pohranjuju. Oni su posljedica su zagrijavanja dijelova kamere.
Zbog toga se koriste različiti načini otklanjanja elektronskog šuma.
Primjerice: ugrađivanje sustava hlađenja ili snimanjima "tamnih okvira" (fotografija samog šuma).
Oni pomažu softveru za obradu fotografije da prepozna uzorak koji treba otkloniti sa fotografije.
Proučite detaljnije rad digitalne kamere ili osjetljive digitalne kamere.
Prezentirajte ostalim učenicima u razredu.
Sažetak
Elektromagnetsko zračenje pri širenju pokazuje ogib i interferenciju – dokaz da ono ima valna svojstva. Ono je izraženo njegovom frekvencijom, odnosno valnom duljinom.
Fotoelektrični učinak pokazuje da se elektromagnetsko zračenje u međudjelovanju s elektronima ponaša poput roja fotona – dokaz da elektromagnetsko zračenje ima i čestična svojstva (korpuskularnost).
Elektromagnetsko zračenje pokazuje i valna i čestična svojstava. Kažemo da ima dvojnu (dualnu) prirodu.
Elektromagnetsko zračenje pri širenju pokazuje ogib i interferenciju.
To je dokaz da ono ima valna svojstva.
Ono je izraženo njegovom frekvencijom, odnosno valnom duljinom.
Fotoelektrični učinak pokazuje da se elektromagnetsko zračenje u međudjelovanju s elektronima ponaša poput roja fotona.
To je dokaz da elektromagnetsko zračenje ima i čestična svojstva (korpuskularnost).
Elektromagnetsko zračenje pokazuje:
- valna
- čestična svojstva.
Kažemo da ima dvojnu (dualnu) prirodu.