Rychlost světla

Optickým prostředím je každé prostředí, kterým se šíří světlo. Pokud má optické prostředí kdekoli ve svém objemu stejné vlastnosti, označujeme ho jako homogenní neboli stejnorodé, v opačném případě se nazývá nehomogenní. Jestliže rychlost šíření světla v optickém prostředí je ve všech směrech stejná, nazýváme toto prostředí izotropní (např. sklo), v opačném případě se nazývá anizotropní (např. krystaly). Optická prostředí můžeme také rozdělit podle vlivu na intenzitu dopadajícího světla na průhledné (vidíme obrysy a detaily předmětů), průsvitné (vidíme jen obrysy, ne detaily) a neprůhledné (předměty nevidíme).

Základní vlastností elektromagnetického vlnění je, že se může šířit nejen látkami, ale i vakuem. Šíření vakuem je pro elektromagnetické vlnění typické, tuto vlastnost nemá mechanické vlnění, které se šíří pouze látkami. Základní charakteristickou prostředí je rychlost světla. Od roku 1974 se pro rychlost světla ve vakuu uvádí hodnota 2,99792458 · 10⁸ m/s. Často se používá přibližná hodnota 3 · 10⁸ m/s. Tuto rychlost označujeme jako c. Poprvé se toto označení objevilo pravděpodobně u Wilhelma Webera a Rudolfa Kohlraushe, ale v souvislosti s hodnotou rychlosti vynásobené odmocninou ze dvou. Označení pochází zřejmě z latinského výrazu pro rychlost celeritas. Tato rychlost představuje rychlost šíření elektromagnetického vlnění všech frekvencí ve vakuu. Zároveň je to i nejvyšší možná rychlost, jakou se může šířit jakýkoli signál. Podle speciální teorie relativity se větší rychlostí, než je rychlost c, nemůže pohybovat žádné těleso. Na základě přesně změřené hodnoty rychlosti světla je od roku 1983 mezinárodně nadefinována základní jednotka metr.

Mnoha pokusy bylo zjištěno, že světlo se v látkách šíří rychlostí menší než ve vakuu. Pomocí velikosti rychlosti světla v látce určujeme veličinu, kterou nazýváme index lomu látky a značíme ji n. Je–li c rychlost světla ve vakuu a v rychlost světla v látce, definujeme index lomu látky vztahem

Index lomu látky udává, kolikrát je rychlost světla v látce menší než rychlost světla ve vakuu. Index lomu je kladné číslo větší než jedna a nemá jednotku. Pro některé látky je hodnota indexu lomu udána v tabulce.

Vztah pro index lomu dielektrického prostředí můžeme také napsat jako Maxwellův vztah

kde ε_r je relativní permitivita a m_r je relativní permeabilita, veličiny charakterizující elektrické a magnetické vlastnosti prostředí. Tento vztah neplatí příliš přesně u neferomagnetických izolantů.

Protože relativní permitivita závisí na frekvenci, vykazuje index lomu tzv. disperzi, kterou objevil v roce 1829 Augustin Cauchy. Např. flintové sklo má tyto indexy lomu pro různé barvy světla

Při normální disperzi se index lomu s rostoucí frekvencí zmenšuje. Pro červené světlo má index lomu nejmenší hodnotu, pro fialové největší hodnotu, liší se však nepatrně.

Pro každé prostředí můžeme naměřit tzv. disperzní křivku indexu lomu, která je pro dané prostředí charakteristická. Podle tvaru křivky rozlišujeme následující prostředí: normální disperzní, anomální disperzní a nedisperzní prostředí.

Disperzní křivka indexu lomu pro (zleva doprava): normální disperzní, anomální disperzní a nedisperzní prostředí.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Protože u daného prostředí index lomu závisí na frekvenci, je třeba u každé jeho hodnoty připojit údaj o příslušné vlnové délce. V praxi se k tomuto účelu používá písmen připojených ke značce n, například n_A, n_H apod. Tato písmena tvoří tzv. Fraunhoferovo značení spektrálních čar světla. Každému písmenu abecedy přísluší určitá vlnová délka a tedy i barva světla. Protože barev světla je veliké množství, využívá se velkých i malých písmen, která mohou být čárkovaná a indexovaná. Tabulka obsahuje základní Fraunhoferovy spektrální čáry.

Čáry D₁ a D₂ jsou pouhým okem ve spektru nerozlišitelné. Používá se proto vlnová délka označená D (589,30 nm), která je průměrem vlnových délek D₁ a D₂. V odborné literatuře je pak index lomu udáván bez indexu a vztahuje se právě k čáře D.