Κάθε φωτεινή πηγή εκπέμπει φως προς όλες τις κατευθύνσεις. Το φως διαδίδεται ευθύγραμμα . Συχνά, για να απεικονίσουμε την ευθύγραμμη διάδοση του φωτός, σχεδιάζουμε φωτεινές ακτίνες ή φωτεινές δέσμες.

Φωτόνια ή ηλεκτρομαγνητικό κύμα;

Στο μικρόκοσμο θεωρούμε ότι το φως έχει δύο μορφές. Άλλοτε το αντιμετωπίζουμε με τη μορφή σωματιδίων που ονομάζουμε φωτόνια. Τα φωτόνια δεν έχουν μάζα αλλά μόνον ενέργεια. Άλλοτε πάλι αντιμετωπίζουμε το φως ως κύμα ηλεκτρομαγνητικό, φωτεινό κύμα, το οποίο μεταφέρει ενέργεια. Μπορούμε μάλιστα να αντιμετωπίζουμε το φως και με τις δύο μορφές συγχρόνως, με τη μορφή του κύματος και με τη μορφή των σωματιδίων. Δεν πρέπει όμως να ξεχνάμε ότι το φως είναι μία μορφή ενέργειας που την ονομάζουμε φωτεινή ενέργεια.

Ευθύγραμμη διάδοση του φωτός

Την ευθύγραμμη διάδοση του φωτός μπορούμε να την εξηγήσουμε μελετώντας το μικρόκοσμο, είτε θεωρήσουμε ότι το φως είναι κύμα είτε το αντιμετωπίσουμε με τη μορφή σωματιδίων. Τόσο τα κύματα όσο και τα φωτόνια κινούνται ευθύγραμμα στο κενό, αν δε συναντήσουν στο δρόμο τους μεγαλύτερα υλικά σωματίδια ή σώματα με τα οποία θα αλληλεπιδράσουν, οπότε θα σταματήσουν ή θα αλλάξουν την πορεία τους.

Η ταχύτητα του φωτός είναι η ταχύτητα με την οποία το φως διαδίδεται στο κενό ή σε άλλα μέσα. Η ταχύτητα του φωτός στο κενό που συμβολίζεται συνήθως με c, είναι 299.792.458 m/s (μέτρα το δευτερόλεπτο) σε μονάδες SI, δηλαδή κατά προσέγγιση 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο ή σε επιστημονική μορφή 3·10⁸m/s.

Σύμφωνα με τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, το φως ταξιδεύει τόσο γρήγορα που, στο κενό, τίποτα στο σύμπαν δεν είναι ικανό να κινηθεί πιο γρήγορα.

Φως και υλικά σώματα

Ανάκλαση και διάχυση του φωτός

Όταν μια δέσμη ακτίνων φωτός συναντήσει μία λεία και στιλπνή επιφάνεια, όπως είναι η επιφάνεια ενός καθρέφτη, αλλάζει πορεία, ανακλάται. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται κατοπτρική ανάκλαση. Η γωνία πρόσπτωσης των φωτεινών ακτίνων είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης, όπως φαίνεται στο σχήμα.
Αν η επιφάνεια επάνω στην οποία πέφτουν οι ακτίνες είναι τραχιά και ανώμαλη, τότε οι ακτίνες ανακλώνται προς διαφορετικές κατευθύνσεις και διασκορπίζονται, όπως δείχνει το σχήμα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διάχυση του φωτός.
Τα σκουρόχρωμα αντικείμενα απορροφούν το μεγαλύτερο μέρος της φωτεινής ακτινοβολίας. Βλέπουμε τα αντικείμενα αυτά σε αντίθεση με το ανοιχτόχρωμο περιβάλλον. Στις ανοιχτόχρωμες επιφάνειες το φως κυρίως ανακλάται ή διαχέεται, ενώ στις σκουρόχρωμες κυρίως απορροφάται.

Απορρόφηση φωτός

Το φως είναι ενέργεια. Κατά τη διέλευσή του από ένα ημιδιάφανο σώμα, κατά την ανάκλαση ή τη διάχυση, κυρίως όμως κατά την απορρόφησή του από κάποιο σώμα προκαλεί αύξηση της ενέργειας του σώματος. Κυρίως προκαλεί αύξηση της θερμικής ενέργειας, καθώς τα μόρια του σώματος αναγκάζονται να κινηθούν πιο γρήγορα. Την αύξηση της θερμικής ενέργειας την καταλαβαίνουμε από την αύξηση της θερμοκρασίας. Ο βαθμός απορρόφησης της φωτεινής ενέργειας εξαρτάται από το είδος και το χρώμα του υλικού σώματος.

Ανάκλαση	Η ανάκλαση του φωτός αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία τα φωτεινά κύματα που πέφτουν πάνω σε μια επιφάνεια επιστρέφουν πίσω στο μέσο από το οποίο ήρθαν αντί να απορροφηθούν από την επιφάνεια. Αυτό συμβαίνει όταν η επιφάνεια είναι λεία, όπως ένας καθρέφτης. Η γωνία ανάκλασης (η γωνία μεταξύ της ανακλώμενης ακτίνας και της καθέτου στην επιφάνεια) είναι ίση με τη γωνία πρόσπτωσης (η γωνία μεταξύ της εισερχόμενης ακτίνας και της καθέτου).
Διάχυση	Η διάχυση του φωτός αναφέρεται στη διασκόρπιση των φωτεινών ακτίνων όταν αυτές συναντούν ένα αδιαφανές υλικό ή μια επιφάνεια που δεν είναι πλήρως λεία. Αυτό σημαίνει ότι το φως δεν αντανακλάται ομοιόμορφα προς μία κατεύθυνση αλλά διασκορπίζεται σε διάφορες κατευθύνσεις, προκαλώντας ένα πιο ομοιόμορφο και λιγότερο εντονο φωτισμό.
Διάθλαση	Η διάθλαση του φωτός είναι η αλλαγή κατεύθυνσης ενός φωτεινού κύματος καθώς περνά από το ένα διαφανές μέσο σε ένα άλλο. Αυτό συμβαίνει λόγω της αλλαγής της ταχύτητας του φωτός καθώς μεταβαίνει από το ένα μέσο στο άλλο. Η διάθλαση είναι ο λόγος για τον οποίο ένα αντικείμενο φαίνεται να σπάει ή να λυγίζει όταν παρατηρείται μέσα από νερό.

Συγκλίνοντες και αποκλίνοντες φακοί

Οι φακοί στην οπτική μπορούν να καταταχθούν κυρίως σε δύο κατηγορίες: συγκλίνοντες και αποκλίνοντες, ανάλογα με τον τρόπο που διαχειρίζονται το φως.

Συγκλίνοντες Φακοί

Οι συγκλίνοντες φακοί, έχουν την ικανότητα να συγκεντρώνουν τις φωτεινές ακτίνες σε ένα σημείο. Αυτοί οι φακοί είναι παχύτεροι στο κέντρο τους απ’ ό,τι στις άκρες. Ένα κλασικό παράδειγμα συγκλίνοντος φακού είναι ο διπλοεγκάρσιος (διπλοκυρτός) φακός, όπου και οι δύο επιφάνειες του φακού είναι κυρτές προς τα έξω. Συγκλίνοντες φακοί χρησιμοποιούνται σε πληθώρα εφαρμογών, όπως στις φωτογραφικές μηχανές, τα μικροσκόπια και τα μάτια μας.

Αποκλίνοντες Φακοί

Από την άλλη πλευρά, οι αποκλίνοντες φακοί, έχουν την ικανότητα να διασπείρουν τις φωτεινές ακτίνες, κάνοντάς τες να φαίνεται σαν να προέρχονται από ένα σημείο πίσω από τον φακό. Αυτοί οι φακοί είναι λεπτότεροι στο κέντρο τους και παχύτεροι προς τις άκρες. Ένας κλασικός αποκλίνων φακός είναι ο διπλοελλειπτικός (διπλοκοίλος) φακός, όπου και οι δύο επιφάνειες του φακού είναι κοίλες προς τα μέσα. Αποκλίνοντες φακοί χρησιμοποιούνται συχνά σε συσκευές όπως οι πόρτες ασφαλείας για να παρέχουν ευρύτερο οπτικό πεδίο, καθώς και σε ορισμένους τύπους γυαλιών για τη διόρθωση της μυωπίας.

Πού οφείλονται τα χρώματα του ουράνιου τόξου;

Φυσικά, ας το κάνουμε πιο απλό:

Φαντάσου ότι ο ήλιος λάμπει και υπάρχουν μικροσκοπικές σταγονίδες νερού στον αέρα μετά από μια βροχή. Όταν το φως του ήλιου πέσει πάνω σε αυτές τις σταγονίδες, συμβαίνουν τρία πράγματα:

1. Το φως “σκοντάφτει” λίγο όταν μπαίνει στη σταγόνα: Αυτό λέγεται διάθλαση. Το φως αλλάζει λίγο την κατεύθυνση όταν περνά από τον αέρα στο νερό.
2. Το φως αντανακλάται μέσα στη σταγόνα: Μόλις το φως μπει στη σταγόνα, αναπηδάει προς τα πίσω από την πίσω πλευρά της σταγόνας.
3. Το φως “σκοντάφτει” ξανά καθώς βγαίνει: Καθώς το φως βγαίνει από τη σταγόνα, διαθλάται πάλι και επιστρέφει στον αέρα.

Τώρα, εδώ είναι το μαγικό μέρος: το φως του ήλιου είναι σαν ένα πακέτο από διάφορα χρώματα μαζί. Καθώς το φως διαθλάται και αντανακλάται μέσα στη σταγόνα, αυτά τα χρώματα αρχίζουν να χωρίζονται επειδή κάθε χρώμα “σκοντάφτει” λίγο διαφορετικά. Αυτό σημαίνει ότι όταν το φως βγαίνει πίσω στον αέρα, εμφανίζεται χωρισμένο σε όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου, από το κόκκινο μέχρι το μοβ.

Έτσι, όταν έχουμε πολλές σταγόνες νερού στον αέρα και το φως του ήλιου πέφτει σωστά, όλες αυτές οι μικρές “παραστάσεις” φωτός συνθέτουν μαζί ένα ολόκληρο ουράνιο τόξο στον ουρανό!

Το ουράνιο τόξο έχει σχήμα ημικύκλιου ή πλήρους κύκλου, ανάλογα με την προοπτική του παρατηρητή και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Όταν βλέπουμε ένα ουράνιο τόξο από τη γη, συνήθως φαίνεται ως ένα ημικυκλικό τόξο με τη βάση του να φαίνεται να ακουμπά στο έδαφος. Αυτό συμβαίνει επειδή ο ορίζοντας εμποδίζει την οπτική του κάτω μέρους του ουράνιου τόξου.

Αν όμως βρίσκεσαι σε μια πολύ υψηλή θέση, όπως σε ένα αεροπλάνο ή σε μια πολύ ψηλή κορυφή, και οι συνθήκες είναι ιδανικές, είναι δυνατόν να δεις το ουράνιο τόξο ως έναν πλήρη κύκλο. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν υπάρχει ορίζοντας που να εμποδίζει την οπτική του κάτω μέρους του τόξου. Το σχήμα του ουράνιου τόξου οφείλεται στον τρόπο που τα φωτεινά κύματα αντανακλώνται και διαθλώνται μέσα στις σταγόνες νερού στην ατμόσφαιρα.

Τι ονομάζουμε πρίσματα;

Πρίσματα ονομάζουμε τα διαφανή αντικείμενα, συνήθως κατασκευασμένα από γυαλί ή πλαστικό, με συγκεκριμένο σχήμα που επιτρέπει τη διάθλαση και τη διασπορά του φωτός που τα διαπερνά. Τα πρίσματα συνήθως έχουν τη μορφή τριγωνικού στελέχους, με δύο παράλληλες βάσεις και τρία τριγωνικά πλευρικά πρόσωπα. Όταν το φως εισέρχεται σε ένα πρίσμα, διαθλάται (ή “σκοντάφτει”) κατά την είσοδο και την έξοδό του από το πρίσμα, και αυτή η διαδικασία μπορεί να διασπάσει το φως στα διάφορα χρώματά του, δημιουργώντας ένα φάσμα όπως εκείνο που βλέπουμε σε ένα ουράνιο τόξο. Τα πρίσματα χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές, όπως στην οπτική, στα φασματοσκόπια και σε διάφορα οπτικά όργανα.

Camera obscura

Η camera obscura, γνωστή και ως σκοτεινός θάλαμος, είναι ένα αρχαίο οπτικό μέσο που αποτέλεσε τη βάση για την ανάπτυξη της σύγχρονης φωτογραφικής μηχανής. Η λειτουργία της βασίζεται σε ένα πολύ απλό φυσικό φαινόμενο: όταν το φως από ένα εξωτερικό τοπίο περνά μέσα από ένα μικρό άνοιγμα (όπως μια μικρή τρύπα ή ένα φακό) σε μια σκοτεινή κάμαρα, το εικονίζει ανάποδα και αντεστραμμένα στην απέναντι επιφάνεια.

Ιστορικό Υπόβαθρο

Η camera obscura χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από αρχαίους φιλοσόφους και επιστήμονες για την παρατήρηση του ήλιου και των ηλιακών εκλείψεων, χωρίς τον κίνδυνο της άμεσης παρατήρησης που θα μπορούσε να βλάψει τα μάτια. Στην πορεία των αιώνων, η τεχνολογία αυτή βελτιώθηκε, με την προσθήκη φακών και καθρεφτών για τη βελτίωση της ευκρίνειας και της φωτεινότητας της εικόνας.

Λειτουργία

Η βασική αρχή λειτουργίας της camera obscura είναι απλή. Ένα κλειστό κουτί ή δωμάτιο με ένα μικρό άνοιγμα στη μία πλευρά επιτρέπει στο φως να περάσει μέσα. Το φως από τα αντικείμενα έξω από το κουτί διαδίδεται μέσω του ανοίγματος και προβάλλεται στην απέναντι επιφάνεια του κουτιού, δημιουργώντας μια ανάποδη και αντεστραμμένη εικόνα.

Εφαρμογές

Πέρα από την αστρονομία, η camera obscura χρησιμοποιήθηκε ευρέ

ως από ζωγράφους κατά τη διάρκεια της Αναγέννησης για την καταγραφή των προοπτικών και την εξάσκηση της ακρίβειας στα σχέδια τους. Επίσης, έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της φωτογραφίας, καθώς οι πρώτες φωτογραφικές τεχνικές βασίζονταν στην αρχή της σκοτεινής κάμαρας για τη δημιουργία εικόνων.

Η camera obscura αποτελεί ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του πώς απλές φυσικές αρχές μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές ανακαλύψεις και εφευρέσεις στον τομέα της οπτικής και της εικόνας.