Sodankyln geofysiikan observatorio VALO FYSIIKASSA Jyrki Manninen Sodankyln

Sodankylän geofysiikan observatorio VALO FYSIIKASSA Jyrki Manninen Sodankylän geofysiikan observatorio 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio 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 SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio 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 SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio 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 (taittumislaki), jonka tosin vasta Huygens julkaisi teoksessaan 20 vuotta myöhemmin. 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio 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 SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio 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 SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio 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. • Merkitta va Newtonin havainnosta tuli vasta, kun toisin pa in asetettu prisma kokosi valon taas takaisin valkoiseksi. 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio UV- ja IR-säteily • Aaltoteorian la pilyo nti hera tti myo s kysymyksen, onko olemassa “na kyma to nta valoa”. • A a niopista tiedettiin, etta eri ihmiset pystyiva t kuulemaan eritaajuisia a a nia. Olisiko valon kanssa samoin? • William Herschel (1738 -1822) tutki la mmityksen vaikutusta spektrin va reihin ja havaitsi, etta valon la mmitysteho kasvaa, kun menna a n kohti punaista valoa. • Herschel lo ysi Auringon spektrista voimakkaan alueen, joka ei ollut na kyva n valon alueella ⇒ IR-alue. • Johan Ritter löysi UV-valon hieman myo hemmin valokuvausmenetelmilla. Hän huomasi, etta hopeakloridi tummuu voimakkaammin violetin ulkopuolella. • UV- ja IR-sa teily todettiin aaltoliikkeeksi, koska niilla havaittiin samoja ominaisuuksia kuin valolla. 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio 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 SGO substations

Spektri Sodankylän geofysiikan observatorio Kuvassa näkyy kaksi optista ilmiötä: • Sateenkaari • Auringonsäteet 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio 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 SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio Valon nopeus 1/2 • Antiikin filosofiassa valon nopeus on a a retto ma n suuri. • Ole Ro mer (1644– 1710) ma a ritti valon nopeuden Jupiterin kuun jaksollisen va lkkeen taajuuden muutoksen avulla 1675. (Tulos noin 210 000 km/s. ) • Teki tarkistuksia kalenteriin, mm. pa a sia isen sovitus Kuun vaiheisiin. • Valon nopeus ma a ritettiin ilman astronomisia mittauksia 1849. • Ranskalainen H. L. Fizeau (1819 -1896) mittasi valon nopeuden hammaspyo ra n avulla. Hän pa a tyi arvoon 313 000 km/s. • Fizeau ihmetteli myo s, miksi valon nopeus ei muuttunut, kun se kulki vedessa ensin myo ta virtaan ja sitten vastavirtaan. 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio Valon nopeus 2/2 • Myo hemma t ja tarkemmat metodit perustuvat sa hko isiin vakioihin. • Maxwell’n kaava johtaa valon nopeuden tarkkaan arvoon tyhjio ssa 299 792 458 m/s 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio Valon luonteesta 1 • 1600 -luvulla oli “valmiina” kaksi teoriaa: I aaltoteoria ja II hiukkasteoria • Aaltohypoteesin “esi-isa ” oli engl. fyysikko C. Huygens (16291695). • Aaltoteoria selitti hyvin taipumisen rajapinnoissa • Aaltoteorian kannattajat olivat radikaaleja, joita oli va hemmisto. Itsea a n Isaac Newtonia oli vaikea vastustaa. • Kritiikki vallalla ollutta hiukkasteoriaa kohtaan alkoi voimistua 1800 -luvun alussa Youngin kokeiden myo ta : • Kaksoisrakokoe osoitti interferenssin • Newtonin renkaiden selitys linssien välissä olevalla ilmalla 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio Laservalon diffraktio hilassa 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio Valon luonteesta 2 • Hiukkasteoria: valo + valo = 2 valoa Aaltoteoria: valo + valo = 2 valoa tai pimea Young: ”Valo on poikittaista aaltoliiketta. ” • Fresnel (1788 -1827) puolusti aaltoteoriaa ja ”keksi” seuraavat: • Interferenssin matemaattinen tarkastelu 1819 • Ma a ritteli valon olevan poikittaista aaltoliiketta (kuten Young: kin) • Tutki valon polarisaatiota, mikä on myo s merkitta va argumentti valon aaltoluonteelle. • Majakat ja Fresnelin linssin muut ka ytto kohteet. 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio Valon luonteesta 3 • Fraunhofer (1787 -1826) huomasi natriumin spektrissä tummia viivoja • Vuonna 1826 Herschel ja Talbot osoittivat, etta eri alkuaineiden la mmitta misesta la hteva valo muodostuu karakteristisista spektriviivoista • Newton ajatteli Auringon spektrin olevan jatkuva, mutta Wollaston (1766 -1828) totesi siinäkin olevan epa jatkuvuuksia. • Fraunhofer kartoitti Auringon valon kaikki spektriviivat (574 viivaa). Alkoi tuntua siltä, että eri viivat olivat pera isin eri alkuaineista. 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio Valon luonteesta 4 • Ilmeni vaikeuksia selitta a , miksi korkeilla taajuuksilla aaltoilulla oli suurempi energia kuin matalilla. • Toisaalta valon kulkemista tyhjio ssa oli vaikea selitta a muuten kuin valon hiukkasluonteella. • Esim. tyhjio ssa oleva hyrra pyo rii, kun sita pommitetaan valolla. • Valon hiukkasluonne perustuu Max Planckin (1858 -1947) teoriaan siita , etta sa teily 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 SGO substations

Sodankylän geofysiikan observatorio Valon yksiköt • Valon määrän mitta on valon intensiteetti - teho pinta-alayksikköä kohti. Sen yksikkö SI-järjestelmässä on 1 W/m 2 • Ihminen ei kuitenkaan aisti fysikaalisesti yhtä voimakkaita, mutta eri taajuisia (erivärisiä) valoja yhtä voimakkaina. Sen vuoksi käytännön 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/m 2) -> 1 kynttilä metrin etäisyydellä = 1 lx 07. 02. 2010 MAOL 2010 Rovaniemi SGO substations

SGO substations Sodankylän geofysiikan observatorio

Sodankylän geofysiikan observatorio Yhteystiedot 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 ! H M O U Kysyä saa milloin ja mitä tahansa, vastaan milloin ja mitä tahansa. SGO substations
- Slides: 21