Polaryzacja światła

Z punkt widzenia fizyki powstawanie światła (fali świetlnej) jest wynikiem rozchodzenia się zmiennych pól: magnetycznego i elektrycznego. Do opisu promienia światła stosuje się wektor pola elektrycznego prostopadły do osi rozchodzenia się fali.

Światło naturalne wykazuje drgania wektora pola elektrycznego we wszystkich możliwych płaszczyznach prostopadłych do wspomnianej osi. Jest to wynikiem chaotycznego rozłożenia kierunków drgań pojedynczych atomów (jako dipoli elektrycznych) i daje tak zwane światło nie spolaryzowane, czyli wiązkę, w której nie ma żadnej wyróżnionej płaszczyzny, w której drgania wektora pola elektrycznego są mocniejsze bądź słabsze. Dopiero wtedy, gdy jakiś czynnik zewnętrzny wymusi, by drgania wykonywane były w jakiejś jednej, wyróżnionej płaszczyźnie (lub w jakiś inny uporządkowany sposób) mówimy o polaryzacji światła. Najczęstszym i mającym największe zastosowanie przypadkiem jest polaryzacja liniowa, gdzie drgania odbywają się ściśle w jednej płaszczyźnie, a w płaszczyźnie do niej prostopadłej są prawie zerowe.

Występują trzy rodzaje zjawisk, w których następuje polaryzacja liniowa światła: obicie od powierzchni dielektryka, załamanie w pewnych substancjach o budowie krystalicznej oraz tzw dichroizm. W praktyce najczęściej stosuje się to drugie rozwiązanie, przy czym obecnie stosuje się na drodze syntetycznej substancje organiczne w postaci kryształków umieszczanych w cienkiej warstwie np. celuloidowej i poddaje się je obróbce technologicznej. Uzyskuje się w ten sposób filtry polaryzujące zwane polaroidami, mogące mieć nawet bardzo duże powierzchnie, co jest istotne z punktu widzenia praktycznych zastosowań.

Częściowa polaryzacja następuje wtedy, gdy amplitudy drgań w promieniu odbitym są różne dla różnych kierunków drgań. Maksymalne w kierunku prostopadłym do płaszczyzny padania wiązki światła na płytkę, a minimalne w kierunku równoległym do tej płaszczyzny. Kąt padania, przy którym nastąpi efekt całkowitego zaniku światła nosi nazwę kąta całkowitej polaryzacji, zwanego kątem Brewstera. Całkowita polaryzacja następuje wówczas gdy promień odbity jest prostopadły do promienia załamanego.

Promień światła naturalnego nie spolaryzowanego padając na powierzchnię kryształu pod dowolnym kątem ulega podwójnemu załamaniu, tzn. rozkłada się na dwa promienie spolaryzowane liniowo drgające w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych. Promień zwyczajny i nadzwyczajny. Oba te promienie rozchodzą się w krysztale z różnymi prędkościami.

Obecnie do uzyskania światła spolaryzowanego najczęściej wykorzystuje się tzw. zjawisko dichroizmu kryształów. Światło przechodzące przez kryształy jest częściowo pochłaniane. Kryształy dichroiczne wykazują różnicę współczynników pochłaniania promieni: zwyczajnego i nadzwyczajnego.

Skręcanie płaszczyzny polaryzacji

Niektóre substancje (ciała stałe np. kwarc siarczek rtęci oraz sole wapienia; ciecze czynnie optycznie np. terpentyna, nikotyna; roztwory; roztwory niektórych ciał w cieczach optycznie nieaktywnych np. benzen, woda, alkohol etylowy i inne) wykazuje pewną ciekawą właściwość. Mianowicie, wiązka światła spolaryzowanego po przejściu przez te substancje ulega skręceniu w prawo lub w lewo od początkowego ułożenia płaszczyzny polaryzacji. Przyczyną powstania tego zjawiska jest pewna niesymetryczność w budowie cząsteczkowej substancji.

Ta asymetryczność występuje w większości związków organicznych, których roztwory skręcają płaszczyznę polaryzacji zawierają one tzw. Asymetryczne atomy węgla. Wyróżniamy substancje prawoskrętne (jak np. wodny roztwór cukru) skręcające płaszczyznę polaryzacji zgodnie z ruchem wskazówek zegara i ciała lewoskrętne, gdzie kąt skręcenia płaszczyzny jest dokładnie odwrotny. W przypadku ciał stałych i cieczy kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest proporcjonalny do grubości warstwy, jaką światło musi pokonać, a w przypadku roztworów również do stężenia roztworu. Kąt skręcenia jest proporcjonalny do długości l warstwy roztworu oraz do jego stężenia c. Tę zależność wyraża wzór (prawo Biota):

= lC ,

gdzie - tzw. właściwa zdolność skręcenia charakterystyczna dla danej substancji i zależna od rodzaju rozpuszczalnika.

l - długość drogi optycznej

C - Stężenie roztworu

Mierzenia kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji dokonuje się za pomocą tzw. Polarymetrów. Poniższy rysunek przedstawia typową budowę takiego urządzenia:

Rys 2 - Schemat polarymetru

Polarymetry stosowane to badania roztworów cukru noszą nazwę sacharymetrów.

Pomiar kąta skręcenia kąta polaryzacji umożliwia przyrząd półcieniowy. W polarymetrze Laurenta jest to prostopadłościenna płytka kwarcowa wycięta równolegle do osi przyrządu. Płytka ta dzieli pionowo pole widzenia na trzy części. Przy kierunku polaryzacji równoległej do osi płytki promień przechodzi bez zmian. W każdej innej sytuacji promień ulega podwójnemu załamaniu.

W działaniu płytek półcieniowych wykorzystana jest psychofizyczna właściwość oka ludzkiego, które doskonale rozróżnia kontrasty sąsiadujących ze sobą obszarów słabo oświetlonych, natomiast źle ocenia albo nie rozróżnia kontrastów obszarów silnie oświetlonych.

Rys3. Przykład pola widzenia okularu wykorzystanego w ćwiczeniu

Źródłem światła w polarymetrze jest lampa sodowa, światło przechodzi przez filtr polaryzujący - polaryzator (zostaje spolaryzowane przez nikol), a dalej przez przyrząd półcieniowy umieszczony w statywie, a następnie przez kuwetę z badaną substancją oraz przez drugi filtr polaryzujący - analizator umożliwiający nam obrót dookoła osi promienia Operując analizatorem możemy zmieniać natężenie światła przechodzącego przez cały układ, Umieszczając pomiędzy analizatorem a polaryzatorem różnego typu substancje możemy odczytać jakiemu odchyleniu ulega płaszczyzna polaryzacji. Kąt skręcania odczytuje się za pomocą noniusza kątowego (o dokładności 0,05⁰).

---