Światło jako fala elektromagnetyczna

Drgające ładunki elektryczne wytwarzają w przestrzeni zmienne pole elektryczne, które zgodnie z prawem Maxwella indukuje zmienne pole magnetyczne, a to z kolei indukuje zmienne pole elektryczne itd. Tak więc drgania pola elektrycznego wzbudzają drgania pola magnetycznego i odwrotnie.
Drgające pola, które wzajemnie się wzbudzają, nazywamy promieniowaniem elektromagnetycznym. Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się w przestrzeni jak fala o częstotliwości równej częstotliwości drgań ładunku elektrycznego, który jest jej źródłem, i dlatego promieniowanie to nazywamy falą elektromagnetyczną.

Wszystkie znane nam fale elektromagnetyczne mają częstotliwości, które mieszczą się w przedziale od 10 do 3-ej Hz (długie fale radiowe) do 10 do 22-ej Hz (promieniowanie gamma) i tworzą widmo promieniowania elektromagnetycznego. Światło widzialne, czyli to, które rejestrują nasze oczy, to mały fragment całego widma fal elektromagnetycznych. Podlega ono tym samym prawom, jakim podlegają fale elektromagnetyczne. W danym ośrodku wszystkie fale elektromagnetyczne rozchodzą się z taką samą prędkością, która w próżni wynosi 3 · 10 do 8-ej m/s.

Światło jest falą elektromagnetyczną o określonej długości. Ruch fal elektromagnetycz­nych polega na rozchodzeniu się w przestrzeni okresowo zmiennych pól: elektrycznego o natę­żeniu E i magnetycznego o natężeniu H. Wektory E i H są zawsze prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali, czyli do wektora prędkości światła v (rys.1). Wektor natężenia pola elektrycznego E, którego drgania wywołują wrażenia świetlne, nazwano wektorem świetlnym. Płaszczyznę wyznaczoną przez kierunek rozchodzenia się fali i kierunek drgań wektora świetlnego nazywa się płaszczyzną drgań wektora świetlnego.

Światło pochodzące od Słońca lub innego źródła światła, np. rozżarzonego ciała, jest niespolaryzowane. Oznacza to, że drgania wektora świetlnego odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się światła ale we wszystkich możliwych płaszczyznach, w których ten kierunek leży. Inaczej mówiąc: w świetle niespolaryzowanym wektor świetlny ma wiele płaszczyzn drgań (rys.2).

Rys. 1. Rys. 2.

Światło, w którym wektor świetlny E ma jedną płaszczyznę drgań jest światłem spola­ryzowanym liniowo (rys.3). Należy pamiętać, że zawsze wektorowi E towarzyszy prosto­padły do niego wektor H chociaż nie mówi się o nim dla prostoty rozważań.

Jeśli koniec wektora świetlnego E obraca się wokół kierunku promienia nie zmieniając swojej długości, światło takie jest spolaryzowane kołowo. Gdy zaś koniec wektora opi­suje elipsę - światło jest spolaryzowane eliptycznie. W przypadku, kiedy drgania wektora świetlnego odbywają się w wielu płaszczyznach, tak jak w świetle niespolaryzowanym, ale amplituda drgań jest różna, mówimy o świetle częściowo spolaryzowanym (rys.4).

Rys. 3. Rys.4.

Światło liniowo spolaryzowane otrzymuje się poprzez:

1. podwójne załamanie,

2. odbicie od dielektryka,

3. wielokrotne załamanie w dielektryku,

4. dichroizm.

1. Podwójne załamanie światła występuje w ośrodkach anizotropowych optycznie. Przy przejściu światła przez taki ośrodek np. kryształ (z wyjątkiem kryształów należących do układu regularnego takich jak NaCl) powstają dwa promienie załamane - stąd nazwa zjawi­ska. Kryształy, w których zachodzi zjawisko podwójnego załamania nazywa się kryształami dwójłomnymi.

Po przejściu światła przez kryształ dwójłomny otrzymuje się dwa promienie załamane (rys.5). Jeden leżący w tej samej płaszczyźnie co promień padający i prosta prostopadła do powierzchni kryształu w punkcie padania. Promień ten ma stały współczynnik załamania nie­zależnie od kąta padania (tzn. ma stałą prędkość w krysztale niezależnie od kierunku). Podlega on zwykłym prawom załamania i przyjęto go nazywać promieniem zwyczajnym. Drugi promień - nadzwyczajny na ogół nie leży w płaszczyźnie padania. Jego współczynnik załamania i prędkość nie mają stałej wartości, a zależą od kierunku rozchodzenia się promienia w krysztale (rys.5).

Oba promienie są spolaryzowane w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych i mają różną prędkość rozchodzenia się w krysztale. W kryształach dwójłomnych istnieje taki kieru­nek, w którym przechodząca wiązka światła nie ulega rozdwojeniu. Jest to kierunek osi optycznej i kierunki do niej równoległe. Gdy w krysztale istnieje tylko jedna oś optyczna, kryształ nazwany jest jednoosiowym (lód, kwarc, szpat islandzki).

Rys. 5.

2. Liniową polaryzację światła można uzyskać stosując odbicie od przezroczystych die­lektryków. Jeżeli promień światła niespolaryzowanego pada na powierzchnię rozgraniczającą dwa ośrodki przezroczyste np. powietrze i szkło, wówczas i promień odbity i załamany są czę­ściowo spolaryzowane. W promieniu odbitym przeważają drgania wektora E prostopadłe do płaszczyzny padania, w promieniu załamanym - leżące w płaszczyźnie padania (rys.6). Płasz­czyzna padania jest to płaszczyzna, w której leży promień padający i prosta prostopadła do powierzchni rozgraniczającej ośrodki wystawiona w punkcie padania promienia. Brewster wykazał, że jeśli promień odbity i załamany tworzą kąt 90°, to promień odbity jest całkowicie liniowo spolaryzowany (rys.7).

Rys. 6. Rys. 7.

Stosując prawa odbicia i załamania światła można podać prawo Brewstera w innej postaci:

n = tg α_B

Kąt padania α_B przy którym promień odbity jest całkowicie liniowo spolaryzowany nazwany jest kątem Brewstera lub kątem całkowitej polaryzacji. Drgania wektora E w promieniu odbitym odbywają się prostopadle do płaszczyzny padania. Promień załamany z przewagą drgań w płaszczyźnie padania jest spolaryzowany częściowo.

W przypadku padania światła pod kątem całkowitej polaryzacji odbita wiązka światła jest całkowicie spolaryzowana ale zawiera jedynie 8% całkowitej energii wiązki padającej. Resztę energii posiada częściowo spolaryzowana wiązka załamana.

3. Polaryzacja przez wielokrotne załamanie w dielektryku polega na przepuszczeniu promienia załamanego przez szereg równoległych płytek z dielektryka np. szklanych (rys.8).

Rys. 8.

Po przejściu przez każdą kolejną płytkę, w promieniu załamanym będzie coraz mniej drgań prostopadłych do płaszczyzny padania, a więc będzie on coraz bardziej spolaryzowany. Praktycznie kilkanaście płytek dielektryka, na które rzucono światło naturalne pod kątem Brewstera przepuszcza światło całkowicie liniowo spolaryzowane o drganiach wektora E w płaszczyźnie padania. Natężenie tego światła jest znacznie większe od natężenia światła odbi­tego również całkowicie spolaryzowanego, lecz o drganiach wektora E prostopadłych do płaszczyzny padania.

4. Dichroizm. Po przejściu światła przez kryształ dwójłomny otrzymuje się dwie wiązki spolaryzowane o drganiach prostopadłych do siebie lecz pokrywające się. Aby otrzy­mać światło o jednym kierunku drgań należy jedną z wiązek wyeliminować. W sposób naturalny eliminacja ta następuje w kryształach wykazujących zjawisko dichroizmu.

Zjawisko to polega na niejednakowym pochłanianiu promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego przez dany kryształ dwójłomny. Można tak dobrać grubość kryształu, że po jego przejściu jeden z promieni ulega całkowitemu pochłonięciu, a wychodzi pozostały promień o mniejszym natężeniu lecz całkowicie spolaryzowany liniowo. Zjawisko dichroizmu zachodzi m.in. w tur­malinie i herapatycie.

Specjalnym układem służącym do eliminacji jednego ze spolaryzowanych promieni w dwójłomnym krysztale szpatu islandzkiego jest pryzmat Nicola (nikol). Szpat islandzki (kalcyt CaCO3) ma naturalne płaszczyzny łupliwości pozwalające wydzielić z kryształów charakterystyczne rombościany. Rombościan kryształu przecina się wzdłuż płaszczyzny "b-c"

(rys.9) i skleja balsamem kanadyjskim (o współczynniku załamania 1,549). Promień świetlny padający na nikol równolegle do krawędzi "b-d" rozdziela się na promień zwyczajny (zw) o współczynniku załamania w szpacie 1,66 oraz na promień nadzwyczajny (nzw) o współczyn­niku załamania 1,49. Promień zwyczajny pada na powierzchnię szpat - balsam pod kątem większym od granicznego, a trafiając na ośrodek optycznie rzadszy (o mniejszym współczyn­niku załamania - balsam kanadyjski) ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i zostaje pochłonięty przez zaczernione ścianki nikola.

Rys. 9.

Promień nadzwyczajny przechodzi przez balsam (optycznie gęstszy) i wychodzi z nikola nieco osłabiony i spolaryzowany liniowo.

Gdy ustawi się dwa identyczne nikole tak aby światło spolaryzowane padało z jednego na drugi, wówczas obracając drugim nikolem obserwuje się pojawianie i zanikanie jasnej plamki na ekranie. Jeżeli oba nikole ustawione są tak aby ich płaszczyzny przecięcia głównego "b-c" były równoległe do siebie, światło spolaryzowane przechodzi przez drugi pryzmat (rys.10).