Polarizace světla je v podstatě důkazem toho, že světlo je příčné vlnění, a nikoliv podélné. Světlo je příčné elektromagnetické vlnění, ve kterém vektor intenzity elektrického pole E a vektor magnetické indukce B kmitá kolmo na směr postupného vlnění, přičemž jsou tyto vektory navzájem kolmé. Směry vektorů E a B jsou u přirozeného světla zcela nahodilé, což je dáno vznikem světla – září velké množství atomů. Takovéto světlo se nazývá nepolarizované. V případě, že vektory E a B kmitají pouze v jedné rovině, říkáme, že světlo je lineárně polarizované.
Protože jsou vektory E a B na sebe kolmé, stačí při studiu polarizace světla vyšetřovat pouze chování jednoho vektoru, pro studium polarizace se většinou využívá vektor E.
Kromě lineární polarizace světla existuje i kruhově polarizované světlo (koncové body vektoru E opisují v rovině, kolmé na směr šíření vln kruh, velikost tohoto vektoru je konstantní, ale mění se jeho směr) nebo elipticky polarizované světlo (koncové body vektoru E opisují elipsu). V tomto případě mění vektor E jak svoji velikost, tak i směr.
Na následujícím obrázku je schematicky znázorněno usměrnění vektoru elektrické intenzity do jedné roviny.
Obr. 1: Schematické znázornění lineárně polarizovaného světla
Lidské oko nedokáže rozlišit polarizované světlo od nepolarizovaného. K tomu, abychom rozlišili polarizované světlo od nepolarizovaného, se proto používá tzv. analyzátor, což není nic jiného než další polarizační prostředek. Jestliže se při natáčení analyzátoru mění intenzita procházejícího světla, je dopadající světlo polarizované.
Na následujících obrázcích je zřejmá funkce polarizátoru a analyzátoru (jde o mechanický model).
Obr. 2: Funkce polarizátoru a analyzátoru
Světlo se dá zpolarizovat lomem, odrazem, dvojlomem, absorpcí (polaroidem).
Polarizace odrazem
Předpokládejme, že na rovinné rozhraní dopadá nepolarizované světlo pod úhlem dopadu α. Na tomto rozhraní se část světla odráží pod stejným úhlem a část se láme do druhého prostředí.
Odražené světlo bude částečně lineárně polarizované a vektor intenzity elektrického pole bude kmitat ve směrech blízkých rovině kolmé na rovinu dopadu (bude kmitat ve směrech blízkých rovině rovnoběžné s rovinou rozhraní). Stupeň polarizace závisí na úhlu dopadu.
Obr. 3: Polarizace odrazem
Jestliže bude světlo dopadat pod tzv. Brewsterovým polarizačním úhlem, bude odražené světlo úplně lineárně polarizované. Velikost Brewsterova úhlu závisí na indexu lomu prostředí, na kterém dochází k odrazu světla. Pro velikost tohoto úhlu platí vztah:
tg α = n
α – polarizační úhel,
n – index lomu prostředí.
Například pro sklo s indexem lomu 1,5 je velikost tohoto úhlu 57°.
Polarizace lomem
Jestliže se při dopadu světla na rozhraní dvou prostředí světlo láme a šíří se do druhého prostředí, dochází opět k částečné polarizaci světla, přičemž vektor intenzity elektrického pole kmitá ve směrech blízkých k rovině dopadu. Při polarizaci lomem nikdy nedochází k úplné lineární polarizaci světla. Abychom získali téměř lineárně polarizované světlo, musíme nechat světlo procházet více stejnými prostředími.
Polarizace dvojlomem
Optické prostředí, v němž se světlo šíří ve všech směrech stejnou rychlostí se nazývá izotropní. V některých krystalech je rychlost šíření světla v různých směrech různá. Taková optická prostředí se nazývají anizotropní Dopadá-li na některé anizotropní krystaly nepolarizované světlo, rozdělí se při průchodu na na dvě lineárně polarizované vlny v rovinách k sobě vzájemně kolmých – v jednom směru se šíří polarizovaná vlna, jejíž směr šíření představuje takzvaný řádný paprsek, který se řídí Snellovým zákonem lomu a má konstantní index lomu a mimořádná, jejíž směr šíření představuje takzvaný mimořádný paprsek, který se neřídí Snellovým zákonem lomu. Říkáme, že nastal dvojlom světla. Nejznámějším krystalem, který má tuto vlastnost je islandský vápenec. Jestliže položíme tento minerál na kresbu, vidíme tuto kresbu zdvojeně, protože úhel lomu řádného a mimořádného paprsku je jiný.
Obr. 4: Ukázka dvojlomu v islandském vápenci
Dvojlomnými se mohou stát i některé amorfní látky (sklo, plexisklo), které byly mechanicky namáhány např. tlakem nebo tahem.
Polarizace polaroidem
Polaroid je speciálně vyrobený filtr pro získávání polarizovaného světla.Tvoří jej dvě vrstvy průhledného plastu, mezi nimiž se nachází látka s relativně dlouhými molekulami (např. herapatit, což je perjodid síranu chininového), které jsou při výrobě speciálně srovnány tak, aby jejich podlouhlé osy byly rovnoběžné. Jestliže polaroidem prochází nepolarizované světlo, je intenzita elektrického pole v jednom směru pohlcena a ve směru kolmém částečně propuštěna, toto propuštěné světlo je lineárně polarizované.
Polarizační filtr fotoaparátu je nastavený tak, aby zamezoval světlu, které se odráží od lesklých nevodivých ploch, aby vstoupilo do fotoaparátu.
Využití polarizace světla
Polarizace světla má v dnešní době rozsáhlé praktické využití. Polarizace se využívá při měření koncentrace olejů, bílkovin, cukrů a jiných látek, kde se využívá toho, že některé látky, které se nazývají se opticky aktivní mají schopnost stáčet rovinu lineárně polarizovaného světla. Stáčení roviny je úměrné koncentraci roztoku. Zařízení, kterým se toto provádí, se nazývá polarimetr. Kalkulátor, mobilní telefon nebo notebook mají displej z kapalných krystalů a k vytváření obrazu se v nich používá polarizované světlo.
Pomocí polarizovaného světla lze zkoumat i vady materiálu, tato věda se nazývá fotoelasticimetrie. Při zkoumání vad se využívá uměle vyrobené anizotropie v látce. Předmět se umístí mezi polarizátor a analyzátor a po prosvětlení je vidět charakteristické obrazce, kterými se získávají informace o napětí v materiálu.
Polarizované světlo se využívá také u LCD televizorů, o čemž se můžete dočíst na:
http://www.lcd-monitory.net/jak-funguje-lcd/
Zdroje
-
BARTUŠKA, Karel a Zdeněk KUPKA. Sbírka řešených úloh z fyziky pro střední školy: Sbírka úloh pro střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2000, 198 s. Učebnice pro střední školy (Prometheus). ISBN 80-719-6037-3.
-
LEPIL, Oldřich a Zdeněk KUPKA. Fyzika pro gymnázia: optika. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1993, 167 s. ISBN 80-042-6092-6.
-
LEPIL, Oldřich a Zdeněk KUPKA. Fyzika: Sbírka úloh pro střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 1995, 269 s. Učebnice pro střední školy (Státní pedagogické nakladatelství). ISBN 80-719-6048-9.
-
NAHODIL, Josef a Zdeněk KUPKA. Fyzika v běžném životě: učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia. 2., rozš. vyd. Praha: Prometheus, 2004, 206 s. Učebnice pro střední školy (Prometheus). ISBN 80-719-6278-3.
-
SVOBODA, Emanuel. Přehled středoškolské fyziky. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1991, 588 s. ISBN 80-042-2435-0.
Obrázky
- RNDr. Hana Kupková, Mgr. Jaroslav Petr
Vypočítej
- Vypočítejte, která barva se interferencí zruší při kolmém osvětlení tenké skleněné destičky o tloušťce 0,125 µm, je-li index lomu n = 1,5. Pro kterou viditelnou vlnovou délku nastane zesílení, je-li po obou stranách vzduch? (Zeslabení nastane pro λ = 0,375 µm, zesílení nastane pro λ = 0,75 µm.)
- Dvě koherentní vlnění s dráhovým rozdílem 0,35 mm se setkají v jednom bodě. Vlnová délka těchto paprsků je 0,7 µm. Nastane minimum, nebo maximum? (Nastane maximum.)
- Vypočítejte, pod jakým úhlem vzniká maximum druhého řádu při osvětlení ohybové mřížky s periodou 2 µm světlem o vlnové délce 750 nm. (α = 48⁰ 35‘)
- Určete mřížkovou konstantu, jestliže vzdálenost maxima druhého řádu od maxima nultého řádu je 35,9 cm a vzdálenost stínítka od mřížky je 2 m. Mřížka je osvětlena kolmo dopadajícím světlem o vlnové délce 0,590 µm. (b = 6,68 . 10-6 m)
- Vypočítejte vzdálenost maxima prvního řádu od maxima nultého řádu na stínítku, které je od mřížky ve vzdálenosti 2,5 m. Mřížka má 200 vrypů na 1 cm. Vlnová délka světla je 0,589 µm. (Přibližně 2,9 cm.)
- Určete polarizační úhel diamantu s indexem lomu n = 2,42. (α = 67⁰ 33‘)
Obrázek
Obr. 6: Ukázka funkce polarizátoru a analyzátoru
