Uma compreensão da ótica geométrica e física nos permite estudar fenômenos resultantes de aspectos de partícula e onda da luz.
Propriedades da luz
A luz viaja pelo espaço como ondas eletromagnéticas e como partículas. Como resultado disso dualidade partícula-onda, quando os físicos estão trabalhando com óptica (o estudo da luz), eles devem pensar na propagação da luz em uma de duas maneiras, dependendo da aplicação.
Ao pensar sobre características da luz como interferência, polarização ou cor, descrever a luz como frentes de onda transversais é o caminho a percorrer. Mas ao construir um telescópio ou lente corretiva e determinar como a luz irá refletir, refratar e transmitir, a melhor opção é pensar na luz como um feixe de partículas movendo-se em linhas retas chamadas raios.
Wave Optics e a Teoria Wave da Luz
O estudo da óptica física usa a natureza ondulatória da luz para entender fenômenos como padrões de interferência causados por ondas de luz que passam por grades de difração e espectroscopia. A óptica física decolou como um campo em 1800 após várias descobertas importantes, incluindo a existência de luz fora do espectro visível por Sir Frederick William Herschel.
Na óptica física, a luz é representada como uma frente de onda transversal, como a sinusoidal ou "Curva em S" que também descreve uma onda viajando pela água com cristas e vales (alta e pontos baixos). Com este modelo, as ondas de luz seguem as mesmas regras que outras ondas transversais - suas frequências e comprimentos de onda são inversamente proporcional devido à equação da velocidade da onda, e as frentes de onda interferem entre si onde se cruzam.
Por exemplo, duas cristas (pontos altos) ou dois vales (pontos baixos) que se sobrepõem interferem construtivamente, tornando a crista geral mais alta ou a depressão geral mais baixa, respectivamente. Onde as frentes de onda se encontram fora de fase - uma crista e uma depressão juntas - elas interferem destrutivamente, cancelando-se total ou parcialmente.
Pensar na luz como uma onda também é fundamental para compreender as diferenças entre os tipos de luz no sistema eletromagnético espectro, como a diferença entre rádio, visível e raios-x, uma vez que esses tipos são classificados por sua onda propriedades. Isso também significa que tratar a luz como uma onda é importante na ótica física da cor, uma vez que ela é um subconjunto da porção visível do espectro.
Óptica geométrica e rastreamento de raios
Na óptica geométrica, os físicos usam a natureza das partículas da luz para representar seu caminho em linhas retas conhecidas como raios. A ótica geométrica está em uso há muito mais tempo do que a ótica física, pois as pessoas aprenderam a projetar dispositivos que dobrar e focar a luz para fins como fazer telescópios e lentes corretivas bem antes de entenderem que luz estava. Em 1600, polir lentes com o propósito de auxiliar a visão humana era comum.
Os raios de luz são desenhados como linhas retas que emanam de uma fonte de luz e indicam a direção em que a luz viaja. Um diagrama de raios é usado para mostrar os caminhos de vários raios de luz representativos conforme eles refletem, refratam e transmitem através materiais diferentes, a fim de determinar medidas como comprimento focal e o tamanho e orientação do imagem.
Traçando os caminhos dos raios de luz, os físicos podem entender melhor os sistemas ópticos, incluindo a formação de imagens em lentes finas e espelhos planos, fibras ópticas e outros instrumentos ópticos. Dada sua longa história como um campo, a óptica geométrica levou a várias leis bem conhecidas sobre como a luz salta e dobra, talvez a mais famosa lei da refração (lei de Snell) e a lei da reflexão.