Fale świetlne są falami elektromagnetycznymi, w których wektory pola elektrycznego i pola magnetycznego drgają w płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali, czyli są to fale poprzeczne. Z reguły fale świetlne określa się za pomocą wektora elektrycznego (świetlnego).

Światło niespolaryzowane (naturalne) - drgania wektora E zachodzą w dowolnych płaszczyznach i nie ma żadnej koleracji miedzy drganiami zachodzącymi w różnych płaszczyznach.

Światło spolaryzowane - drgania wektora świetlnego zachodzą w jednej, ściśle określonej płaszczyźnie (p. drgań świetlnych) a płaszczyzna do niej prostopadła to płaszczyzna polaryzacji światła (utworzona przez wektor H).

POLARYZACJA ŚWIATŁA - całkowite lub częściowe uporządkowanie drgań fali świetlnej, może zachodzić przy odbiciu na granicy dwóch ośrodków, przy rozchodzeniu się światła w ośrodkach amizotropowych przy rozproszeniu światła.
Polaryzacja światła może być:
a) liniowa - kiedy kierunek drgań we wszystkich punktach wzdłuż fali jest jednakowy; złożenie dwóch drgań kołowych prawo i lewoskretnych.
b) eliptyczna - kiedy koniec drgań zakreśla w przestrzeni eliptyczną linię śrubową
c) kołowe - zakreśla kołowa linię śrubową; zależności od kierunku obrotu wektora E rozróżniamy polaryzacje kołową prawą i lewą.

Sposoby polaryzacji światła:

- odbicie,

- załamanie,

- wykorzystanie zjawiska selektywnego pochłaniania,

- wykorzystanie zjawiska dwójłomnosci.

Polaryzacja światła z wykorzystaniem zjawiska dwójłomnosci zachodzi w kryształach jednoosiowych, np. w szpacie islandzkim, w którym padający promień rozdziela się na dwa promienie całkowicie spolaryzowane. Jeden z tych promieni nazwano promieniem zwyczajnym, a drugi nadzwyczajnym.

W niniejszym ćwiczeniu do polaryzacji światła oraz analizy światła spolaryzowanego używa się nikoli.

Nikol jest to kryształ szpatu islandzkiego, przecięty wzdłuż przekątnej, a następnie sklejony balsamem kanadyjskim, tak że na wyjściu nikola otrzymywane jest światło spolaryzowane. Jeśli skrzyżujemy dwa nikole to wiązka światła ulegnie wygaszeniu. Jeżeli umieści się między nikolami substancję krystaliczną to pole widzenia ulegnie rozjaśnieniu. Ponowne zaciemnienie można uzyskać przez obrót drugiego nikola (analizatora) o pewien kąt.

Są ciała których roztwory (np. roztwór cukru w wodzie) skręcają płaszczyznę polaryzacji. Aktywność optyczna jest tu uwarunkowana asymetrią w budowie cząsteczek.

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy od :

- rodzaju ciała,

- stężenia (dla roztworów),

- grubości warstwy skręcającej.

Doświadczalnie stwierdzono zależność dla roztworów : kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest wprost proporcjonalny do grubości warstwy roztworu d i do stężenia roztworu c :

;

- gdzie
to właściwa zdolność skręcania.

Do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji używa się polarymetrów. Polarymetry używane do wyznaczenia stężenia cukru w roztworze nazywamy sacharymetrami.

Światło sodowe zostaje spolaryzowane liniowo przez polaryzator, połowa wiązki przechodzi przez badany roztwór, następnie obie wiązki przechodzą przez analizator.

Polaryzator wykonany jest z polaroidu. Składa się z dwóch części p1 i p2, których kierunki przepuszczania tworzą ze sobą pewien kąt zwany kątem półcienia. Kąt ten nie przekracza zwykle 4. Tak zbudowany polaryzator tworzy z analizatorem przyrząd półcieniowy.

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji wyznacza się następująco: ustawia się analizator tak aby obie połówki widzenia były jednakowo ciemne. Do sacharymetru wstawia się badaną ciecz

a następnie obraca się analizator o taki kąt aby ponownie uzyskać jednakowe zaciemnienie obu części pola widzenia. Kąt jest kątem skręcenia płaszczyzny polaryzacji.

Zastosowane w ćwiczeniu urządzenie półcieniowe umożliwia wyznaczenie kąta

z dokładnością 0,01.

POLARYMETR
jest to przyrząd służący do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła.
Elementy polarymetru:
1. Lampa sodowa - źródło światła, doprowadza się do niej prąd ze specjalnego zasilacza
2. Dwa pryzmaty Nikola - przez które przechodzi wiązka światła monochromatycznego a) polaryzator - zamocowany nieruchomo. Spełnia rolę urządzenia polaryzującego światło. Spolaryzowane w nim światło przechodzi dalej przez rurkę o znanej długości zamknięta na obydwu końcach szklanymi płytkami. Rurkę napełnia się badaną cieczą lub roztworem
b) analizator - umieszczony za rurką polarymetryczną, ma możliwość obracania się wokół osi poziomej i służy jako analizator kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji.
Kąt obrotu analizatora odczytuje się na skali kołowej wyposażonej w noniusz.
3. Lunetka.
Punktem zerowym skali jest taka pozycja, przy której obserwuje się maksymalną przepuszczalność światła. Analizator jest wtedy ustawiony tak, że płaszczyzna drgań światła, jakie on przepuszcza jest taka sama, jak płaszczyzna drgań światła wychodzącego z polaryzatora.
Obydwa nikole są wtedy" równoległe". Przy skręceniu analizatora o kąt 90 światło nie może przechodzić przez niego i w lunetce za analizatorem jest ciemno. W tym położeniu obydwa nikole są "skrzyżowane. Jest tak wówczas, gdy rurka polarymetryczna nie zawiera substancji optycznie czynnej.
Pole widzenia w okularze jest podzielone na 3 pionowe części, które mogą być:
a) jednakowo i maksymalnie zacienione
b) maksymalnie i jednakowo rozjaśnione
c) boczne ciemne, środkowo jasne
d) boczne jasne, środkowe ciemne
Kiedy pole jest jasne, to nikole są równoległe a kiedy ciemne - skrzyżowane.
W polarymetrach stosuje się światło monochromatyczne o ustalonej długości fal, gdyż skręcalność substancji optycznie czynnych zależy od długości fal i użycie światła białego wywołałoby efekt dyspersji rotacyjnej.
Najczęściej jest to światło lampy sodowej.
Odmianą polarymetru jest tzw. sacharymetr - służy do badań sacharozy i kilku podobnych cukrów, jest wyskalowany w stężeniach procentowych sacharozy. Zaletą sacharymetru jest możliwość stosowanie w nim światła białego.

PRAWA ODBICIA I ZAŁAMANIA
1. Promień padający, odbity i załamany oraz prosta prostopadła do płaszczyzny rozgraniczającej obydwa ośrodki w punkcie padania promienia leżą w jednej płaszczyźnie.
2. Kąt odbicia jest równy kątowi padania.
3. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla danych dwóch ośrodków wielkością stałą, zwaną współczynnikiem załamania światła lub współczynnikiem refrakcji "n".
Ze zmiana kąta padania zmienia się także kąt załamania , natomiast stosunek sinusów tych kątów dla danej pary ośrodków pozostaje stały.
n - współczynnik załamania wyraża również stosunek dwóch prędkości światła CI i CII w ośrodku I i ośrodku II.
OŚRODEK optycznie gęstszy - ośrodek w którym prędkość ta jest mniejsza.
OŚRODEK optycznie rzadszy - ośrodek w którym prędkość ta jest większa.
Ośrodkiem optycznie najrzadszym jest próżnia. W przypadku, kiedy promień świetlny przenika do jakiegoś ośrodka z próżni, stosunek: sin alfa do sin beta wyraża bezwględny współczynnik załamania i oznaczany symbolem " nabs" lub "N"

sin alfa C w próżni
= nabs = N = 
sin bata C w danym ośrodku W praktyce mierzy się współczynnik załamania, gdy światło przechodzi do badanego ośrodka z powietrza ( npow )
którego własności optyczne tylko nieznacznie różnią się od własności próżńi.

KĄT GRANICZNY
Jeżeli promienie świetlne biegnąc z ośr. optycznie rzadszego do ośr. optycznie gęstszego padną na płaszczyznę rozgraniczająca te dwa ośrodki pod kątem niemal równym 90 , wówczas ulegną załamaniu pod pewnym kątem . Kat ten nosi nazwę kąta granicznego i stanowi rozgraniczenie między częścią oświetlona a nieoświetloną ośrodka optycznie gęstszego.
W przypadku biegu promieni z ośrodka optycznie gęstszego do ośr. optycznie rzadszego, katem granicznym nazywamy taki kąt padania w ośr. optycznie gęstszym, dla którego kąt załamania w ośr. optycznie rzadszym wynosi 90 .
Po przekroczeniu kąta granicznego promienie świetlne nie przenikają do ośrodka optycznie rzadszego lecz ulegają odbiciu. Zjawisko to nosi nazwę całkowitego wewnętrznego odbicia.
WNIOSEK: pomiar kąta granicznego pozwala na obliczenie współczynnika załamania światła danego ośrodka.

---