17-5 Polarizácia svetla

17-5 Polarizácia svetla

Ako sme to videli už skôr, svetlo by sa mohlo šíriť vo forme vlnenia dvomi možnými spôsobmi: 1. ako longitudinálna (pozdĺžna) vlna, v ktorej smer pohybu čiastočiek je súhlasný so smerom šírenia sa vlny; 2. ako transverzálna (priečna) vlna, kde čiastočky sa pohybujú kolmo na smer šírenia sa vlny.

Obr. 17.10: Prierez rôznymi typmi vlnenia zo smeru, kam sa šíria (takže sa pozeráme do lúča).

Ktorý spôsob vlnenia predstavuje svetelné vlnenie? Podstatným rozdielom medzi longitudinálnym a transverzálnym vlnením je, že to druhé (transverzálne) sa dá polarizovať. K pochopeniu tohto veľmi dôležitého pojmu pozorujme vlnenie tak, že sa na neho pozeráme zo smeru jeho šírenia sa, teda zo smeru jeho postupovania (obrázok 17.10). Pri longitudinálnych vlnách (obrázok 17.10a) sa čiastočky pohybujú kolmo na rovinu kresby obrázku, z ich pohybu teda nič nevidíme. V prípade transverzálnych vĺn (obrázky 17.10b a 17.10c) sa deje kmitavý pohyb čiastočiek v rovine kresby, ich priemet do roviny kresby môžeme teda ľahko pozorovať. Pokiaľ je svetlo nepolarizované, čiastočky sa pohybujú vo všetkých možných smeroch (obrázok 17.10b), pokiaľ sa ale pohyb deje len v jednom určenom smere (obrázok 17.10c), povieme, že vlnenie je polarizované.

Pojem polarizácie môžeme znázorniť pomocou ďalšej analógie (obrázok 17.11). Majme dve sitá len s rovnobežnými drôtmi, ale bez priečnych drôtov. Nechajme na jedno sito dopadať vodorovné, ale v tomto vodorovnom smere rôzne orientované zápalky. Je zrejmé, že cez sito prepadnú len tie zápalky, ktorých orientácia je rovnobežná s drôtmi sita. Ak pod tento „zápalkový polarizátor“ umiestnime druhé, podobné sito („zápalkový analyzátor“), potom „zápalkové lúče“ prejdú aj druhým sitom jedine vtedy, pokiaľ drôty oboch sít sú rovnobežné. Analógiu môžeme rozšíriť aj na longitudinálne vlny: na dvojicu sít necháme dopadnúť zápalky orientované zvisle. Je zrejmé, že tieto zápalky prejdú sitami v každom prípade, nezávisle od toho, ako sú drôty jedného a druhého sita vzájomne pootočené.

Pre naše oči zmena módu kmitov svetla (konkrétny spôsob polarizácie) neznamená zmenu vo vnímaní; polarizované svetlo, ktorého kmity sa dejú v jednej dobre definovanej rovine (obrázok 17.10c) vyvolá rovnaký vnem, ako obyčajné (nepolarizované) svetlo, ktorého kmity (v rovine kolmej na smer šírenia) môžu byť ľubovoľne orientované (17.10b). V mnohých prípadoch svetlo, ktoré dopadá do nášho oka, je aspoň čiastočne polarizované, nakoľko z hladkých nekovových povrchov vlnenie kmitajúce v rovine rovnobežnej s odrazovou plochou sa odráža podstatne silnejšie, než vlnenie kmitajúce kolmo na túto odrazovú plochu.

Je čiastočne polarizované aj svetlo dopadajúce do nášho oka z modrej oblohy. Modrá zložka bieleho svetla prichádzajúceho zo Slnka sa rozptyluje alebo odráža na molekulách viac, ako červené svetlo, ktorej vlnová dĺžka je väčšia – toto rozptýlené modré svetlo je tiež čiastočne polarizované. Oko včiel nielenže dokáže rozpoznať polarizované svetlo od nepolarizovaného, ale je schopné určiť aj rovinu polarizácie. Včely túto svoju schopnosť využívajú, keď sa chcú vrátiť k svojmu úľu. Sú schopné sa zorientovať aj vtedy, keĎ Slnko je za mrakmi a vidia len malý kúsok nezamračenej oblohy.

Určité kryštály – ako napríklad kremík, kalcit, ale aj iné kryštály (medzi nimi do malej miery aj ľad) – sa chovajú v rôznych smeroch odlišným spôsobom: majú odlišné elektrické vlastnosti, tepelne vodivostné vlastnosti, optické vlastnosti – v závislosti od toho, v ktorom smere ich skúmame, v ktorom smere vykonávame merania. Na obrázku 17.12 vidíme rozptyl svetelných vĺn v takom kryštále. V určitom smere, ktorý nazývame optickou osou („os“ tu znamená určitý smer a nie konkrétnu priamku) sa svetlo šíri vždy rovnakou rýchlosťou, bez ohľadu na to, že aká je rovina polarizácie. Situácia je odlišná, pokiaľ smer šírenia svetla nie je rovnobežná s optickou osou, ako napríklad v prípade načrtnutom na obrázku 17.12. Predstavme si, že kmity vĺn znázornených na obrázku 17.12 sú kolmé na smer ich postupu, a môžeme nájsť kmity okolo lúčov v každom smere. Tieto kmity sa dajú rozložiť na kmity rovnobežné a kmity kolmé na optickú os. Z experimentov vieme, že komponenty kmitov kolmé na optickú os sa chovajú v plnej miere obvyklým spôsobom; použitím Huygensovho princípu sa dá ukázať, že rýchlosť šírenia sa tejto komponenty je v každom smere rovnaká, vlnové fronty si môžeme predstaviť ako malé gule. Zložka kmitajúca s optickou osou rovnobežne sa však chová zvláštnym spôsobom, lebo v rôznych smeroch sa šíri odlišnou rýchlosťou. Malé vlny Huygensovho princípu tu nie sú gule ale – ako to ukazuje aj obrázok – elipsoidy. Náš dopadajúci lúč, ktorý je pri dopade jediný, sa rozpadá na dve časti: na riadny (ordinárny) lúč, ktorý sleduje Snellov zákon a na mimoriadny (extraordinárny) lúč, ktorý tento zákon nespĺňa. (Spomeňme si, že pri odvodení Snellovho zákona sme predpokladali, že rýchlosť šírenia svetla je v každom smere rovnaká; neočakávajme preto, že zákon bude platiť vo svojej jednoduchej podobe aj pre látky, v ktorých sa svetlo šíri v rôznych smeroch odlišnou rýchlosťou.)

Index lomu n sme definovali, ako pomer rýchlosti svetla vo vákuu (alebo približne vo vzduchu) a v danej látke. Kryštály s dvojlomom majú dva indexy lomu: nE pre extraordinárny lúč a nO pre ordinárny lúč.

Dvojaký index lomu niektorých dvojlomných látok:

Turmalín má tú vlastnosť, že pre ordinárny lúč je skoro nepriehľadný, prepúšťa teda len extraordinárny lúč. Preto, ak na kryštál turmalínu dopadne nepolarizované svetlo kolmo na optickú os kryštálu, svetlo vystupujúce z kryštálu je dokonale polarizované, tj. všetky kmity sa dejú v jedinej rovine, a táto rovina je rovnobežná s optickou osou. Herapatitové (perjodidchininsulfát) kryštály majú tiež tú vlastnosť, že jeden z lúčov pohltia, a druhý prepustia. Polaroidové filtre pozostávajú z miliárd malých ihličiek herapatitových kryštálov, ktorých optická os je vzájomne rovnobežná, a leží v rovine umelej hmoty tvoriacej filter. Polaroidom prechádzajúce svetlo je takmer dokonale polarizované: rovina kmitov je rovnobežná s ihličkami kryštálu.