Optika i teleskopiPB-187

Rezime: U ovom seminarskom radu će se govoriti o optici kao nauci o svjetlosti, optičkim mjerenjima i teleskopima kao optičkim mjernim instrumentima. Upoznat ćemo se sa osnovama optike i osnovama rada teleskopa.

Ključne riječi: optika, teleskopi, sočiva, talasi, svjetlost, Hublle

UvodPriroda svjetlosti vijekovima je zanimala sve naučnike. Danas se koristi u svim vrstama aplikacija, od lasera i komunikacije do akceleratora čestica. Optika je nauka o svjetlosti, njenim svojstvima, njenom ponašanju kada dođe u kontakt s drugim česticama i konstrukciji optičkih mjernih instrumenata. Pojam optike se obično koristi pri definisanju i istraživanju zraka vidljivog, ultravioletnog i infracrvenog talasnog spektra.

Slika 1. Elektromagnetni spektar [1.]

Ljudsko oko može vidjeti jako mali dio elektromagnetnog spektra ali uz pomoć optičkih instrumenata vidno područje se povečava.

Osnovna podjela optike:

Grafik 1. Podjela optike kao nauke

optika

geometrijska optika

refleksija

refrakcija

fizička optika

difrakcija

polarizacija

interferencija

„Početci optike jesu leće koje su izradili stari Egipćani i Mezopotamci. Najranije poznate leće, napravljene od poliranog kristala, često kvarca, datiraju iz 700. p. n. e. i poznate su kao asirske leće, kakva je i Nimrudova. Stari Rimljani i Grci ispunjavali su staklene kugle vodom da bi napravili leće. Ovaj praktični razvoj pratio je i razvoj teorija o svjetlosti i vidu od strane starih grčkih i indijskih filozofa, kao i razvoj geometrijske optike u grčko-rimskom svijetu. Sama riječ optika potječe od starogrčke riječi ὀπτική (optikē), što znači "pojava, izgled".[2]

Slika 2. Nimrud sočivo, sačuvano u Muzeju u Britaniji [2]

Ibnul-Haitam se smatra „ocem optike“. Njegovo najpoznatije djelo je Knjiga o optici, prevedeno je na latinski početkom 13. Stoljeća. Sadrži opis anatomije ljudskog oka, model gledanja, zakone refleksije svjetlosti, opise istraživanja i matematičke analize pokusa zakona refrakcije, objašnjenje refrakcije sporijim gibanjem svjetlosti u optički gušćem sredstvu i drugo.

Slika 3. Ibnul-Haitam (965-1040) [2]

Najnovije otkriće u području laserske fizike je tzv. „optička pinceta“.

„Ashkin je dobio Nobelovu nagradu za otkriće optičke pincete u svrhu zarobljavanja i manupulacije česticama, atomima i živim stanicama. Mourou i Strickland su podijelili nagradu za razvoj tehnike pojačavanja laserskih pulseva u femtosekundim laserskim pojačalima (femtosekunda je milijunti dio milijarditog dijela sekunde).[...] Arthur Ashkin je još 1970. godine izučavao i objasnio utjecaj radijacijskog tlaka u laserskom zračenju na kretanje objekta. Glavni izazov u istraživanju optičkih sila bilo je nalaženje mehanizma kojim će se izbjeći zagrijavanje objekata. Ashkin je problem riješio obasjavanjem prozirnog, neapsorbirajućeg medija: mikrometarskih dielektričnih sfera uronjenih u vodu. Rezultate svog istraživanja objavio je u članku Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure iz 1970. godine u časopisu Physical Review Letter .“ [3]

Slika 4.Šematski prikaz rada radijacijskog tlaka te zarobljavanja čestice u fokusu laserske zrake [4]

Klasična optika

Grafik 2. Podjela klasične optike

g Fizikalna optika proučava talasna svojstva svjetlosti.

Kada bi se svjetlost širila pravolinijski kroz pukotinu

(poput čestica), ne bi bilo interferencije.

Slika 5. Širenje svjetlosti pravolinijski [5]

Klasična optika

Fizička optika

Geometrijska optika

Slika 6. Širenje svjetlosti talasno [5]

g Geometrijska optika proučava širenje svjetlosti u obliku ravnih linija.

Slika 7. Širenje svjetlosti u obliku ravnih linija [6]

Primijenjena optikaPrimijenjena optika se bavi konstrukcijom i optimizacijom optičkih elemenata, sistema i uređaja kao što su leće, ogledala, prizme, objektivi, okulari, mikroskopi, teleskopi.

Leća (sočivo)

Leća (sočivo) proizvodi sabiranje ili rasipanje svjetlosnih zraka usljed refrakcije. Leće karakterizira njihova fokusna dužina: sabirna leća ima pozitivnu fokusnu dužinu, a rasipna negativnu. Manja fokusna dužina ukazuje na to da leća ima jači sabirni ili rasipni efekt.

Slika 8. Vrste sočiva [7]

Elementi sočiva:

Osa simetrije sočiva – dijeli sočivo na dva dijela

O – Centar sočiva

Optička osa je zamišljena linija koja prolazi kroz centre sfera i fokusa sočiva.

F- fokusi (žiže) su tačke na optičkoj osi u kojima se sijeku prelomljeni zraci

C – Centar sfere sočiva je centar sfere čiji je sočivo isječak.

F – Imaginarni fokus se javlja kod rasipnih sočiva u presjeku produžetka prelomljenih zraka

Slika 9. Elementi sočiva [8] Žižna daljina sočiva zavisi od debljine sočiva.

Ogledala Ogledalo je uglačana ili metalizirana staklena ravna površina koja pravilno odbija svjetlost. Koriste se za ličnu upotrebu, arhitekturu ali i za optičke mjerne instrumente kao što su teleskopi, mikroskopi, laseri, itd. Pored ravnih ogledala postoje i sferična.

Slika 10. Elementi sfernih ogledala [9]

Objektiv Objektiv je dio optičkog instrumenta koji prikuplja svjetlosne zrake sa promatranog predmeta. Kod fotografskih aparata, filmskih kamera, mikroskopa i refraktorskih teleskopa objektiv je redovito složeni sistem leća, dok veliki reflektorski teleskopi uglavnom koriste samo jedno udubljeno ogledalo.

Okular Okular je leća ili sistem leća kroz koji se gleda slika predmeta koju stvara neki optički instrument. Okular omogućava gledanje slike s manje udaljenosti nego što bi bilo moguće prostim okom, pa se time postiže i veći vidni ugao, tj. predmet čiju sliku gledamo izgleda veći.

Optička mjerenjaPotreba za brzim i preciznim mjerenjima geometrijskih karakteristika sve je

više prisutna u proizvodnom mašinstvu. Ta potreba proizilazi iz činjenice da rastu

zahtjevi za kvalitetom, usljed konkurencije ali i automatizacije procesa

proizvodnje. Osim čisto optičkih mjerenja koja se provode mjernim sredstvima i uređajima koji rade na principima geometrijske optike, sve češće se koriste i mjerna sredstva

koja rade na principima fizičke optike i njene kombinacije sa elektronikom.

Podjela optičkih mjernih instrumenata: • mjerni mikroskopi i teleskopi,• profil projektori,• Moiré tehnika,• tehnika silueta,• fotogrametrija• fazna modulacija, i druge.

Prednosti optičkih mjernih sredstava Nedostatci optičkih mjerenja

Visoka tačnost, rezolucija Greške u optoelktroničkim komponentama

Fleksibilnost i univerzalnost Stabilnost mehaničkih komponenti

Velika brzina mjerenja Karakteristike površina

Mala kontaktna površina Nije moguće poređenje rezultata sa taktilnim sondama

Jednostavna veza sa mikroprocesima

Teleskopi Teleskop je otkriven u Nizozemskoj 1608. godine. Najpoznatija priča kaže da su se djeca optičara Hansa Lippersheya iz Middleburga u Nizozemskoj igrala s njegovim lećama. Tako su primijetila da kad iza sabirne leće na određenu udaljenost postave negativnu leću veće snage, u negativnoj leći vide povećanu sliku obližnje crkve. Njihov je otac odmah shvatio važnost ovog slučajnog otkrića i počeo izrađivati prve teleskope. Vijest o ovom otkriću uskoro je stigla i u Italiju do Galilea. Po opisu kojeg je dobio, Galileo je izradio svoj prvi teleskop. Uskoro ga je okrenuo prema noćnom nebu i tako uveo teleskop u astronomiju napravivši mnoga otkrića. Teleskop je instrument za astronomsko promatranje i analiziranje elektromagnetskoga zračenja dalekih objekata, često opremljen dodatnim instrumentima kao što su fotometar, interferometar i spektroskop. Prema području elektromagnetskih valova naziva se optički teleskop, radioteleskop, rendgenski teleskop, gama-teleskop, teleskop za infracrveno zračenje itd. Teleskopi se koriste za poravnanje i uspostavljanje referentnih linija. Ukoliko se obavlja i mjerenje sa teleskopom dodaje se optički mikrometar. Svaki teleskop ima dio koji omogućava podizanje dijela zbog poravnanja. Teleskopi sa autokolimacijom se koriste za direktna ispitivanja. Mjere se odstupanja od uglova pomoću optičkih osa teleskopa. Rade na principu mjerenja poprečnih odstupanja izjednačavajući ih sa postavljenom oznakom. Optička osa teleskopa koja je definirana okularom teleskopa i jedna vanjska prostorna referentna oznaka služe kao referentna linija koja se zove linija izjednačavanja.

Slika 11. Princip rada teleskopa za poravnanje[10]

Princip rada teleskopa

Primarna funkcija teleskopa je da skuplja svjetlost, a ne da "povećava". Količina svjetla koju će teleskop skupiti direktno ovisi o promjeru ogledala ili objektiva. O tome ovisi što se moze, i koliko dobro vidjeti s njim. Svaki teleskop može povećavati više ili manje, to ovisi o okularu koji se koristi ali povečavanje ima ograničenja.

Minimalno povečanje zadano je promjerom zjenice oka, koja kod mladog čovjeka iznosi oko 7 mm. Maksimalno povećanje ograničeno je fizičkim svojstvima objektiva-ogledala te veličinom osjetilnih stanica u oku. U praksi, maksimalno povećanje iznosi 2 x promjera teleskopa, npr teleskop od 100 mm funkcionirat će dobro do povećanja od 200 x.

Slika 12. Princip rada Njutnovog teleskopa [11]

Tvorac reflektora je sir Isaac Newton pa se reflektorski teleskop naziva i Newtonov teleskop.Reflektorski teleskop radi na principu odbijanja svjetlosti (refleksije) a sastoji se od dva zrcala.Primarno, smješteno na dnu cijevi i sekundarno smješteno na “ulazu” u cijev. Princip rada je sljedeći, slika ulazi kroz cijev, odbija se od primara i ide na sekundar, tu se opet odbija pod uglom od 90° i ulazi u okular. Reflektorski teleskopi imaju jednu manu, a ta im je da ogledala moraju biti tačno uskalđena (kolimirana) kako bi se slika pravilno odbijala.U suprotnom dobijamo lošu sliku pa je ogledala potrebno ponovno uskladiti (kolimirati).Za tu svrhu koristi se alat kolimator koji može biti laserski ili optički.

Hubble teleskop

Hubble je veliki svemirski teleskop. Ispušten je u Svemir 1990. od strane NASA-e. Dugačak je kao veliki školski autobus i teži kao dva odrasla slona. Hubble putuje oko Zemlje brzinom 5 milja po sekundi. Okrenut je ka Svemiru i fotografiše slike planeta, zvijezda i galaksija. Hubble je dobio ime po astronomeru Edwin P. Hubble-u, naučniku koji je proučavao planete, zvijezde i Svemir te je u 1900tim došao do velikih otkrića o Svemiru.

Slika 13. Hubble teleskop [13]

Prepravke Hubble-a

Veoma kratko nakon prvog lansiranja pojavili su se problemi sa opservatornim staklom Hubbla. Obzirom da Hubble orbitira oko Zemlje na udaljenosti od 569km i dostupan je astronautima za moguće misije reparacije.

Hubble je do sada trpio već pet reparacijskih misija gdje su mu bile adaptirane opservacijske leće, tubus i drugi dijelovi s ciljem dobijanja što jasnije slike Svemira.

Zadnja prepravka je bila 2009. god. gdje je teleskop dobio nove uređaje (the Cosmic Origins Spectrograph (COS) and Wide Field Camera 3 (WFC3), te su mu također ugrađene i nove baterije kao i drugi pomoćni dijelovi koji će osigurati njegov životni vijek. Zamijenjene su mu također i baterije koje su do tada bile njegov sastavni dio 18 godina. Naučnici iz NASA-e vjeruju da na Hubble-u neće biti više prepravki.

Slika 14. Hubble teleskop [14]

Literatura[1] https://imagine.gsfc.nasa.gov/Images/science/EM_spectrum_compare_level1_lg.jpg[2] http://svafizika.org/2017/04/17/sta-je-to-optika/

[3] http://ideje.hr/svjetlost-koja-zaustavlja-cestice-intenzitet-zracenja-usporediv-s-povrsinom-sunca-deveti-put-u-dvadeset-godina-nagrada-ide-istrazivanju-i-primjeni-lasera/#_edn1

[4] ©JOHAN JARNESTAD/THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES

[5] http://kolegij.fizika.unios.hr/of3/files/2011/12/04-Fizikalna_optika-1.pdf

[6] https://981n.blogspot.com/2014/04/geometrijska-optika.html

[7] http://www.df.uns.ac.rs/files/200/marina_dorocki_-_master_rad_www_(f1-101).pdf

[8] https://svejefizika.wordpress.com/video-8/opticka-sociva/

[9] https://svejefizika.wordpress.com/video-8/sferna-ogledala/

[10] Nermina Zaimović-Uzunović (2006) Mjerna tehnika, Univerzitet u Zenici, Zenica

[11] https://adbor.wordpress.com/teleskopi/

[13] http://hubblesite.org/

[14] http://www.zvjezdano-selo.hr/slikovnica/articletype/articleview/articleid/674/hubble-i-hubble-svemirski-teleskop-i-astronom