FizykaII OO/Polaryzacja fal elektromagnetycznych

Pokazy

1. Program komputerowy WSiP — składanie drgań w D2.
2. Polaryzacja przez odbicie od płytki szklanej.
3. wygaszenie światła przechodzącego przez dwa polaryzatory ustawione prostopadle względem siebie.
4. Skręcenie płaszczyzny polaryzacja przez ośrodki aktywne optycznie- roztwór cukru. Wprowadzenie naczynia z roztworem między dwa polaryzatory ustawione prostopadle.
5. Zjawisko dwójłomności w krysztale kalcytu oraz polaryzacji promieni.

Zjawisko polaryzacji fal polega na uporządkowaniu drgań ośrodka w ściśle określony sposób. Polaryzacji ulegają tylko fale poprzeczne. Odkrycie polaryzacji światła (ogólnie fal elektromagnetycznych) było rozstrzygające co do kwestii, czy światło jest fala poprzeczną, czy podłużną.

Atom lub obwód drgający emitując falę, nie wyróżnia żadnego kierunku w przestrzeni. Nie ma więc powodu przypuszczać, że wektory pola elektrycznego i magnetycznego są jakoś uporządkowane. Można jedynie powiedzieć, że wektory te są w każdej chwili do siebie prostopadłe. Polaryzacja fal elektromagnetycznych może polegać na uporządkowaniu drgań wektora elektrycznego (i co za tym idzie magnetycznego) do jednej płaszczyzny. Jest to polaryzacja liniowa. Inny rodzaj polaryzacji to polaryzacja kołowa. Wektor pola elektrycznego zakreśla w przestrzeni okrąg (w prawą lub lewą stronę).

Zjawisko polaryzacji światła zostało odkryte dzięki szczególnym własnościom niektórych kryształów. Kryształy te przepuszczały tylko tę część wiązki światła, której wektor pola elektrycznego leżał w określonej płaszczyźnie.

Element układu optycznego, który polaryzuje światło nosi nazwę polaryzatora. Ponieważ nasze oczy nie rozróżniają światła spolaryzowanego i niespolaryzowanego, to dopiero ustawienie drugiego elementu polaryzującego pozwala na stwierdzenie polaryzacji światła. Ten drugi element nazywa się analizatorem.

Polaryzacja przez odbicie

Światło spolaryzowane liniowo może padać na płaszczyznę odbijającą prostopadle lub równolegle. Jeśli płaszczyzna, w której leży wektor [math]\vec{E}[/math] jest prostopadła do płaszczyzny padania, wtedy natężenie światła odbitego rośnie wraz ze wzrostem kata padania.

Jeśli ta płaszczyzna jest równoległa, to natężenie światła odbitego najpierw maleje. Dla kąta Brewstera natężenie jest równe zeru — w ogóle się nie odbija, a dla większych katów rośnie.

Natężenie światła odbitego zależy od polaryzacji światła padającego. Współczynnik odbicia zależy od polaryzacji (model szyby okiennej, która obraca się wokół osi równoległej do powierzchni ziemi).

Jeśli na powierzchnię odbijającą pada światło niespolaryzowane, to wektor [math]\vec{E}[/math] możemy rozłożyć na dwa kierunki wzajemnie prostopadłe. Gdy fala pada pod kątem Brewstera, to składowa równoległa, w ogóle się nie odbija, pozostaje składowa prostopadła i światło jest spolaryzowane w płaszczyźnie prostopadłej (co sprawdziliśmy polaroidem).

Dwójłomność

1669 rok — Bartholinus (Duńczyk) odkrył zjawisko podwójnego załamania dla kalcytu (zwanego szpatem islandzkim). Światło niespolaryzowane padając pod odpowiednim kątem rozdziela się na dwa promienie spolaryzowane liniowo w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Wynika to z anizotropii kryształu. Promień zwyczajny spełnia prawo Snelliusa, nadzwyczajny nie (pokaz światła przechodzącego przez kalcyt).

Oprócz kalcytu dwójłomne są: turmalin, kwarc, mika, cukier lód, celuloza, kolagen, włókna mięśniowe, których struktury molekularne mają anizotropię).

Pryzmat Nicola — układ sklejonych ze sobą balsamem kanadyjskim kryształów dwójłomnych. Kąty ostre: 68° i 22°. Wiązka niespolaryzowane rozdziela się na dwie, promień zwyczajny ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, wychodzi nadzwyczajny. Nikol jest polaryzatorem.

Ćwierćfalówka — wykonana z materiału, który ma różne współczynniki załamania dla dwóch prostopadłych kierunków. Czoło promienia nadzwyczajnego wyprzedza czoło fali promienia zwyczajnego. Grubość ćwierćfalówki jest tak dobrana, aby różnica tych promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego wynosiła ćwierć fali (lub 90°).

Jeśli na ćwierćfalówkę pada wiązka spolaryzowana liniowo, to rozdzieli się na dwa promienie spolaryzowane w płaszczyznach prostopadłych przesunięte o 90°. Daje to na wyjściu światło spolaryzowane kołowo.

Ćwierćfalówka pozwala na analizę światła spolaryzowane i niespolaryzowane i określania polaryzacji. Analizator i ćwierćfalówka pozwalają na zidentyfikowanie światła spolaryzowanego kołowo.

Jakie jest źródło dwójłomności?

Nie wykazują jej kryształy, których komórki elementarne są symetryczne (NaCl). W przypadku kalcytu — CaCO₃ kryształ ma jedną trzykrotną oś symetrii (120°). Kryształ jednoosiowy.

Model komórki w kształcie prostopadłościanu

Dwa współczynniki załamania i dwie długości fali światła w krysztale:

• [math]n_e\lt n_0[/math] — kryształ ujemny
• [math]n_e\gt n_0[/math] — kryształ dodatni

Współczynniki zależą oczywiście od długości fali.

Dwójłomność może być wymuszona mechanicznie ( w plastiku, szkle).

Polaryzacja może być wymuszona przez pole elektryczne lub magnetyczne.

1. Zjawisko Kerra
2. Zjawisko Faradaya

Światło spolaryzowane liniowo rozkładamy na dwa kierunki wzajemnie prostopadłe i w polu elektrycznym lub magnetycznym każdy z nich biegnie inaczej, z inną prędkością. Po wyjściu z obszaru pola, światło wykazuje skręcenie płaszczyzny.