Πόλωση του φωτός 🕶️

Γιατί τα γυαλιά ηλίου τύπου polaroid μειώνουν την ενοχλητική αντηλιά από τη θάλασσα; Γιατί ο ουρανός είναι κυανός και βάφεται κόκκινος το σούρουπο; Όλα αυτά τα φαινόμενα σχετίζονται με μια ιδιότητα του φωτός που αποκαλύπτει την εγκάρσια κυματική του φύση: την πόλωση. Σε αυτή την ενότητα θα δούμε τι είναι το πολωμένο φως, πώς το παράγουμε και πώς το ανιχνεύουμε.

Φυσικό φως και γραμμικά πολωμένο φως

Όπως είδαμε σε προηγούμενη ενότητα, το φως (όπως άλλωστε ολόκληρη η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) είναι εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα οποία ξεκινούν από μία φωτεινή πηγή και κινούνται ευθύγραμμα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Οι συνήθεις φωτεινές πηγές (π.χ. λαμπτήρας πυρακτώσεως, Ήλιος κτλ.) αποτελούνται από μεγάλο αριθμό ατόμων ή μορίων. Τα φωτεινά κύματα παράγονται από όλα τα άτομα και μόρια του υλικού που εκπέμπει το φως, και κάθε άτομο ή μόριο εκπέμπει ένα μεμονωμένο κύμα.

Σε κάθε τέτοιο κύμα, το ηλεκτρικό πεδίο έχει διεύθυνση ταλάντωσης κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Η διεύθυνση ταλάντωσης και η διεύθυνση διάδοσης καθορίζουν μαζί ένα συγκεκριμένο επίπεδο ταλάντωσης για κάθε μεμονωμένο κύμα.

Το ήξερες;

Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα αποτελείται από δύο εγκάρσια κύματα κάθετα μεταξύ τους: ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό. Για να κατανοήσουμε όμως το φαινόμενο της πόλωσης, αρκεί να περιοριστούμε στη μελέτη μόνο του ηλεκτρικού κύματος, αφού η συμπεριφορά του μαγνητικού πεδίου ακολουθεί. ⚡

Με βάση τα παραπάνω καταλαβαίνουμε ότι:

Ορισμός: Φυσικό φως

Φυσικό φως είναι η σύνθεση πολλών κυμάτων με διάφορα επίπεδα ταλάντωσης των ηλεκτρικών και μαγνητικών τους πεδίων και τυχαίες διευθύνσεις διάδοσης.

Αν τώρα το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού πεδίου ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι σταθερό με το χρόνο, τότε το κύμα ονομάζεται γραμμικά πολωμένο.

Ορισμός: Γραμμικά πολωμένο φως

Το φως είναι γραμμικά πολωμένο όταν το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού του πεδίου έχει έναν καθορισμένο προσανατολισμό στο χώρο και μία καθορισμένη διεύθυνση διάδοσης.

Το φυσικό φως που δεχόμαστε απευθείας από μια φωτεινή πηγή, επειδή προέρχεται από πολλά άτομα ή μόρια, έχει πολλά επίπεδα ταλάντωσης και συνεπώς δεν είναι πολωμένο.

📖 Στο σχολικό βιβλίο, το φυσικό φως απεικονίζεται με πολλές διπλές βελίδες (συνιστώσες ταλάντωσης) ακτινωτά γύρω από τη διεύθυνση διάδοσης, ενώ το γραμμικά πολωμένο φως με μία μόνο διεύθυνση ταλάντωσης.

Πολωτικό φίλτρο — Πολωτής

Το φυσικό φως μπορεί να μετατραπεί σε γραμμικά πολωμένο φως είτε περνώντας από κατάλληλα φίλτρα (πολωτές) είτε παθαίνοντας κατάλληλη ανάκλαση.

Αναλογία με μηχανικό κύμα

Για να κατανοήσουμε τι ακριβώς κάνει ένα πολωτικό φίλτρο, ας παρακολουθήσουμε την πόλωση ενός μηχανικού κύματος. Όταν αναγκάζουμε την άκρη ενός σχοινιού να πάλλεται, δημιουργούμε ένα εγκάρσιο κύμα που διαδίδεται ακανόνιστα: κάθε στοιχειώδες κομμάτι του σχοινιού πάλλεται σε διαφορετικά επίπεδα.

Αν τώρα παρεμβάλουμε στη διεύθυνση διάδοσης ένα πέτασμα με κατακόρυφη σχισμή, έτσι ώστε το σχοινί να διέρχεται από αυτό, τότε τα στοιχειώδη κομμάτια του σχοινιού μετά το πέτασμα πάλλονται σε ένα και μόνο επίπεδο — το χαρακτηριστικό επίπεδο που ορίζει η σχισμή με τη διεύθυνση διάδοσης.

Συμπέρασμα

Στην παραπάνω διαδικασία η σχισμή έπαιξε τον ρόλο του πολωτικού φίλτρου. Το φαινόμενο ονομάζεται πόλωση του μηχανικού κύματος. 🪢

Πολωτικό φίλτρο για το φως

Για την πόλωση του φυσικού φωτός χρησιμοποιούμε ειδικά πολωτικά φίλτρα. Όταν το φως προσπέσει σε πολωτικό φίλτρο, το φως που εξέρχεται είναι πολωμένο, με επίπεδο ταλάντωσης αυτό που καθορίζει το υλικό του φίλτρου. Τα κύματα με επίπεδο ταλάντωσης κάθετο προς το επίπεδο που καθορίζει το φίλτρο ανακόπτονται κατά μεγάλο ποσοστό.

Ορισμός: Πολωτής

Πολωτής ονομάζεται η συσκευή που περιέχει το πολωτικό φίλτρο. Είναι μια διάταξη κατασκευασμένη έτσι ώστε να μπορούμε να στρέφουμε το πολωτικό φίλτρο, που έχει μορφή πλακιδίου, γύρω από άξονα κάθετο προς το επίπεδό του.

Το επίπεδο πόλωσης του πολωτή είναι χαρακτηριστικό του πλακιδίου, και η διεύθυνσή του καθορίζεται κάθε φορά από την περιστροφική λαβή που βρίσκεται στην κορυφή του. Άρα, περιστρέφοντας τη λαβή, καθορίζουμε τη θέση του χαρακτηριστικού επιπέδου πόλωσης.

Ιδιότητα: Τέλειος πολωτής

Ένας τέλειος πολωτής:

επιτρέπει τη διέλευση κατά 100% του προσπίπτοντος φωτός, όταν αυτό είναι πολωμένο στο επίπεδο πόλωσης του φίλτρου,
ανακόπτει τελείως τα κύματα φωτός που είναι πολωμένα σε διεύθυνση κάθετη προς το επίπεδο αυτό.

📖 Στο σχήμα του βιβλίου, φυσικό φως από λαμπτήρα πυρακτώσεως προσπίπτει σε έναν πολωτή. Ο πολωτής αφήνει να περάσουν μόνο τα κύματα των οποίων η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι παράλληλη προς το επίπεδο πόλωσης του πλακιδίου, και έτσι το εξερχόμενο φως είναι γραμμικά πολωμένο παράλληλα προς το επίπεδο αυτό.

Η ένταση του εξερχόμενου φωτός

Αν επιχειρήσουμε να μετρήσουμε την ένταση του εξερχόμενου φωτός με ένα φωτοκύτταρο, θα παρατηρήσουμε ότι για οποιαδήποτε γωνία προσανατολισμού του επιπέδου πόλωσης η ένταση του φωτός έχει την ίδια τιμή, και μάλιστα ίση με το μισό της έντασης του προσπίπτοντος (φυσικού) φωτός.

Αυτό συμβαίνει γιατί το φυσικό φως περιέχει όλες τις διευθύνσεις ταλάντωσης με ίσες πιθανότητες, οπότε κατά μέσο όρο μόνο η μισή ένταση «ταιριάζει» στο επίπεδο πόλωσης, ανεξάρτητα από τον προσανατολισμό του πολωτή.

Ορισμός: Ένταση κύματος

Με τον όρο ένταση του προσπίπτοντος φωτός εννοούμε την ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας.

Έστω μια στοιχειώδης επιφάνεια $\Delta S$ , κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης, που δέχεται συνεχώς ενέργεια $\Delta W$ σε χρόνο $\Delta t$ . Το πηλίκο $\dfrac{\Delta W}{\Delta t}$ είναι η ισχύς $P$ . Η ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας ορίζεται ως ένταση του κύματος:

I = \frac{\Delta W}{\Delta t \cdot \Delta S} = \frac{P}{\Delta S}

Μονάδα μέτρησης στο S.I. είναι το $\mathrm{W/m^2}$ .

Πρόταση

Αποδεικνύεται ότι η ένταση του κύματος είναι ανάλογη προς το τετράγωνο του πλάτους $E_0$ του ηλεκτρικού πεδίου του κύματος:

I \propto E_0^{\,2}

Συνδυασμός δύο πολωτικών φίλτρων — Αναλυτής

Ας τοποθετήσουμε τώρα ανάμεσα στο φωτοκύτταρο και τον πρώτο πολωτή έναν δεύτερο πολωτή, όμοιο κατασκευαστικά. Έστω ότι το επίπεδο πόλωσης του πρώτου παραμένει κατακόρυφο, ενώ του δεύτερου — τον οποίο ονομάζουμε αναλυτή — σχηματίζει γωνία $\varphi$ με την κατακόρυφο. Τότε η γωνία μεταξύ των δύο επιπέδων πόλωσης είναι $\varphi$ .

Ορισμός: Αναλυτής

Αναλυτής είναι ο δεύτερος πολωτής σε μια διάταξη, ο οποίος δέχεται ήδη πολωμένο φως. Ο τέλειος αναλυτής επιτρέπει τη διέλευση μόνο της συνιστώσας του ηλεκτρικού πεδίου που είναι παράλληλη προς το δικό του χαρακτηριστικό επίπεδο πόλωσης.

Το τι θα συμβεί κατά τη διέλευση του πολωμένου φωτός από τον αναλυτή εξαρτάται από τη γωνία $\varphi$ :

Γωνία $\varphi$	Αποτέλεσμα στον αναλυτή
$\varphi = 0$ (επίπεδα συμπίπτουν)	Το πολωμένο φως διέρχεται χωρίς μεταβολή.
$\varphi = 90^\circ$ (επίπεδα κάθετα)	Το πολωμένο φως ανακόπτεται εντελώς — το φωτοκύτταρο δεν ανιχνεύει φως.
οποιαδήποτε άλλη $\varphi$	Το πολωμένο φως διέρχεται εν μέρει.

Παρατήρηση

Η διαφορά μεταξύ πολωτή και αναλυτή εντοπίζεται μόνο στον σκοπό που εξυπηρετούν. Σε ένα πείραμα, ο πολωτής μπορεί να παίξει τον ρόλο του αναλυτή και αντίστροφα. 🔁

Ανίχνευση πολωμένου φωτός

Χρησιμοποιώντας τον αναλυτή μπορούμε να διαπιστώσουμε αν μια δέσμη φωτός είναι πολωμένη ή όχι:

Αφήνουμε τη δέσμη να πέσει στον αναλυτή κάθετα προς αυτόν.
Με την περιστροφική λαβή καθορίζουμε διάφορες γωνίες του επιπέδου πόλωσης του αναλυτή.
Αν δεν υπάρχει γωνία για την οποία ανακόπτεται το διερχόμενο φως, τότε το φως είναι φυσικό.
Αν υπάρχουν γωνίες για τις οποίες ανακόπτεται το διερχόμενο φως, τότε το φως είναι γραμμικά πολωμένο.

Το ήξερες;

Τα υλικά που αφήνουν να τα διαπερνά μόνο το φως του οποίου το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται σε συγκεκριμένη διεύθυνση λέγονται διχροϊκά. Το 1938 ο E.H. Land ανακάλυψε ένα τέτοιο υλικό που ονόμασε polaroid: τα προσανατολισμένα μόριά του απορροφούν επιλεκτικά τη διερχόμενη ακτινοβολία. 🔬

Πόλωση από ανάκλαση — Φυσική πόλωση

Όταν μη πολωμένο φως προσπίπτει πάνω σε διαχωριστική επιφάνεια δύο οπτικών μέσων με δείκτες διάθλασης $n_1$ και $n_2$ , τότε εν μέρει ανακλάται και εν μέρει διαθλάται.

Αν εξετάσουμε με αναλυτή την ανακλώμενη δέσμη, παρατηρούμε ότι:

Όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι περίπου $0^\circ$ ή περίπου $90^\circ$ , το ανακλώμενο φως δεν είναι πολωμένο.
Για ενδιάμεσες γωνίες, το ανακλώμενο φως είναι μερικώς πολωμένο (αποτελείται από γραμμικά πολωμένο και μη πολωμένο φως).
Υπάρχει μία συγκεκριμένη γωνία πρόσπτωσης, η γωνία ολικής πόλωσης $\theta_p$ , για την οποία το ανακλώμενο φως είναι πλήρως πολωμένο.

📖 Στο σχήμα του βιβλίου, το ηλεκτρικό πεδίο αναλύεται σε δύο συνιστώσες: μία παράλληλη προς την ανακλώσα επιφάνεια (σχεδιάζεται με τελείες) και μία κάθετη προς την πρώτη και προς τη διεύθυνση διάδοσης (σχεδιάζεται με βέλη).

Ο νόμος του Brewster

Αυξάνουμε τη γωνία πρόσπτωσης ώσπου η ανακλώμενη και η διαθλώμενη δέσμη να σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία $90^\circ$ . Τότε ισχύει:

\theta_2 + \theta_p = 90^\circ

και η ανακλώμενη δέσμη είναι πλήρως πολωμένη, ενώ η διαθλώμενη παραμένει μερικώς πολωμένη.

Η γωνία $\theta_p$ συνδέεται με τους δείκτες διάθλασης μέσω του νόμου του Snell, σύμφωνα με τον οποίο ο λόγος των δεικτών διάθλασης είναι ίσος με τον λόγο των ημιτόνων των γωνιών πρόσπτωσης $\theta_1$ και διάθλασης $\theta_2$ :

\frac{n_2}{n_1} = \frac{\eta\mu\theta_1}{\eta\mu\theta_2}

Εφαρμόζοντας τη σχέση αυτή για $\theta_1 = \theta_p$ και $\theta_2 = 90^\circ - \theta_p$ παίρνουμε:

\frac{n_2}{n_1} = \frac{\eta\mu\theta_p}{\eta\mu(90^\circ - \theta_p)}

Όμως από την τριγωνομετρία ισχύει $\eta\mu(90^\circ - \theta_p) = \sigma\upsilon\nu\theta_p$ . Άρα τελικά:

Νόμος του Brewster

\frac{n_2}{n_1} = \frac{\eta\mu\theta_p}{\sigma\upsilon\nu\theta_p} \qquad\text{ή}\qquad \boxed{\dfrac{n_2}{n_1} = \varepsilon\varphi\theta_p}

Η γωνία ολικής πόλωσης $\theta_p$ ονομάζεται και γωνία του Brewster.

Ορισμός: Γωνία ολικής πόλωσης

Γωνία ολικής πόλωσης του φωτός, για κάθε μέσο, είναι εκείνη η γωνία πρόσπτωσης για την οποία η ανακλώμενη και η διαθλώμενη ακτίνα είναι κάθετες μεταξύ τους.

Αν το ένα μέσο είναι το κενό ή ο ξηρός αέρας ( $n_1 = 1$ ) και θέσουμε $n_2 = n$ , η σχέση απλοποιείται σε:

n = \varepsilon\varphi\theta_p

Προσοχή!

Η πόλωση του φωτός κατά την ανάκλαση εμφανίζεται μόνο όταν ταυτόχρονα γίνεται και διάθλαση. Επομένως, για να εμφανιστεί το φαινόμενο, η ανάκλαση δεν πρέπει να γίνεται σε μεταλλικές επιφάνειες ή σε επιφάνειες με μεταλλική στιλπνότητα. 🚫

Πόλωση και πολωτικά φίλτρα στην καθημερινή ζωή

Η πόλωση από ανάκλαση είναι σύνηθες φαινόμενο στη φύση. Το φως που ανακλάται από λίμνες, θάλασσες και χιόνι είναι μερικώς πολωμένο και προκαλεί στα μάτια μας μια ενοχλητική, δυνατή αντηλιά.

Επειδή οι επιφάνειες αυτές είναι συνήθως οριζόντιες, το ανακλώμενο ηλεκτρικό πεδίο έχει μεγάλη οριζόντια συνιστώσα — δηλαδή το ανακλώμενο φως περιέχει περίσσεια πολωμένου φωτός στην οριζόντια διεύθυνση.

Γυαλιά ηλίου polaroid

Τα γυαλιά ηλίου με απορροφητικό φίλτρο polaroid κατασκευάζονται έτσι ώστε το χαρακτηριστικό τους επίπεδο πόλωσης να είναι κατακόρυφο. Έτσι απορροφούν στο μέγιστο την οριζόντια συνιστώσα του ανακλώμενου φωτός, και στα μάτια φτάνει μικρό μόνο ποσοστό. 🕶️

Παρμπρίζ αυτοκινήτων

Στα κρύσταλλα των φώτων και στα παρμπρίζ των αυτοκινήτων υπάρχουν πολωτικά φίλτρα με χαρακτηριστικό επίπεδο πόλωσης που σχηματίζει γωνία $45^\circ$ με το οριζόντιο επίπεδο, και με τον ίδιο προσανατολισμό σε όλα τα αυτοκίνητα. Όταν δύο αυτοκίνητα διασταυρώνονται τη νύχτα, το παρμπρίζ του ενός λειτουργεί ως αναλυτής για το πολωμένο φως των φαναριών του άλλου, μειώνοντας την ενόχληση του οδηγού. 🚗

Το ήξερες;

Ένα φίλτρο polaroid επιτρέπει τη διέλευση φωτεινών κυμάτων έντασης έως και 80% (αυτών που είναι γραμμικά πολωμένα στο επίπεδο πόλωσής του) και απορροφά περίπου το 99% της έντασης των κυμάτων που είναι πολωμένα κάθετα προς το επίπεδο αυτό. Τα polaroid χρησιμοποιούνται επίσης στους φακούς φωτογραφικών μηχανών, για να ανακόπτουν ανεπιθύμητες αντανακλάσεις από γυαλί ή νερό. 📷

Παράδειγμα 3-3: Γωνία ολικής πόλωσης σε πισίνα

Το ηλιακό φως εν μέρει ανακλάται και εν μέρει διαθλάται από την ήρεμη επιφάνεια του νερού μιας πισίνας. Το χλωριωμένο νερό έχει δείκτη διάθλασης $n_2 = 1{,}35$ , ενώ ο αέρας $n_1 = 1$ .

(α) Για ποια γωνία πρόσπτωσης το ανακλώμενο φως είναι ολικώς πολωμένο;
(β) Ποια είναι η γωνία διάθλασης σε αυτή την περίπτωση;
(γ) Αν το βράδυ η πισίνα φωτίζεται με προβολείς στον πυθμένα της, ποιες είναι τότε οι τιμές των γωνιών των ερωτημάτων (α) και (β);

Λύση

(α) Το φως προσπίπτει από τον αέρα προς το νερό. Η γωνία ολικής πόλωσης δίνεται από τον νόμο του Brewster:

\frac{n_2}{n_1} = \frac{\eta\mu\theta_p}{\sigma\upsilon\nu\theta_p} = \varepsilon\varphi\theta_p \;\Rightarrow\; 1{,}35 = \varepsilon\varphi\theta_p \;\Rightarrow\; \theta_p = 53{,}5^\circ

(β) Από τη σχέση καθετότητας ανακλώμενης–διαθλώμενης ακτίνας:

\theta_2 + \theta_p = 90^\circ \;\Rightarrow\; \theta_2 + 53{,}5^\circ = 90^\circ \;\Rightarrow\; \theta_2 = 36{,}5^\circ

(γ) Τώρα το φως προσπίπτει από το νερό προς τον αέρα, οπότε εναλλάσσονται οι ρόλοι των δεικτών διάθλασης:

\frac{n_1}{n_2} = \varepsilon\varphi\theta_p \;\Rightarrow\; \frac{1}{1{,}35} = \varepsilon\varphi\theta_p \;\Rightarrow\; \theta_p = 36{,}5^\circ

και

\theta_2 + \theta_p = 90^\circ \;\Rightarrow\; \theta_2 + 36{,}5^\circ = 90^\circ \;\Rightarrow\; \theta_2 = 53{,}5^\circ

Παρατήρηση

Οι δύο γωνίες ολικής πόλωσης για τη διαχωριστική επιφάνεια νερού–αέρα είναι συμπληρωματικές ( $53{,}5^\circ + 36{,}5^\circ = 90^\circ$ ). Η γωνία πρόσπτωσης της μίας περίπτωσης ισούται με τη γωνία διάθλασης της άλλης. ✅

Πόλωση από σκέδαση — Κυανό χρώμα του ουρανού

Όταν το ορατό φως προσπίπτει σε ένα σύστημα σωματιδίων, απορροφάται από αυτά και επανεκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις, χωρίς να αλλάζει η συχνότητα των ακτινοβολιών του.

Ορισμός: Σκέδαση

Σκέδαση ονομάζεται η απορρόφηση και η επανεκπομπή του φωτός από σωματίδια (π.χ. τα μόρια του αέρα) προς όλες τις κατευθύνσεις.

Επειδή το σκεδαζόμενο φως εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις, βλέπουμε φως στον ουρανό ακόμη κι αν δεν κοιτάμε κατευθείαν τον ηλιακό δίσκο. Αυτό το φως είναι μερικώς πολωμένο: αν τοποθετήσουμε ένα πλακίδιο polaroid με το επίπεδό του οριζόντιο, διαπιστώνουμε ότι για διαφορετικές γωνίες του επιπέδου πόλωσης περνάει φως διαφορετικής έντασης.

Ιδιότητα του σκεδαζόμενου φωτός

Το πολωμένο φως που προέρχεται από σκέδαση έχει επίπεδο ταλάντωσης κάθετο προς το επίπεδο που ορίζεται από την αρχική ακτίνα και τη σκεδασθείσα ακτίνα.

Γιατί ο ουρανός είναι κυανός

Το πόσο ισχυρή είναι η σκέδαση εξαρτάται από το μήκος κύματος κάθε μονοχρωματικής ακτινοβολίας: οι ακτινοβολίες με μικρότερα μήκη κύματος σκεδάζονται περισσότερο.

Το ήξερες;

Το κυανό φως (μικρό μήκος κύματος) σκεδάζεται κατά προσέγγιση εννιά φορές περισσότερο από το αντίστοιχο ερυθρό (μεγάλο μήκος κύματος). Σε αυτό οφείλεται το κυανό χρώμα του ουρανού! 🔵

Το φως που προσπίπτει σε ένα νέφος, έχοντας ήδη χάσει το κυανό του χρώμα, όταν ανακλάται από το νέφος και φτάνει στον παρατηρητή, εμφανίζεται με κίτρινη έως ερυθρή απόχρωση.

Ανατολή, δύση και ερυθρός ουρανός

Κατά το σούρουπο, το φως διανύει μεγάλη απόσταση μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα και ένα σημαντικό μέρος του κυανού χρώματος σκεδάζεται μακριά. Έτσι το φως που φτάνει κατευθείαν στα μάτια μας από τον ορίζοντα είναι φτωχό σε κυανό χρώμα — γι' αυτό βλέπουμε κόκκινους ουρανούς στην ανατολή και τη δύση.

Επιπλέον, όταν η ατμόσφαιρα είναι πλούσια σε υδρατμούς, αυτοί απορροφούν κυρίως το κυανό χρώμα, ενισχύοντας ακόμη περισσότερο την ερυθρή απόχρωση.

Το ήξερες;

Αν η Γη δεν είχε ατμόσφαιρα, δεν θα μπορούσαμε να δούμε χρώμα στον ουρανό: θα ήταν μαύρος και την ημέρα και τη νύχτα. Γι' αυτό οι αστροναύτες στο διάστημα βλέπουν μαύρο ουρανό — δεν υπάρχουν μόρια να σκεδάσουν το φως. 🌑

Οπτικώς ενεργά σώματα — Στροφή του επιπέδου πόλωσης

Υπάρχουν ορισμένα διαφανή σώματα με την ιδιότητα να στρέφουν το επίπεδο του πολωμένου φωτός, όταν αυτό περάσει μέσα τους.

Ορισμός: Οπτικώς ενεργά σώματα

Οπτικώς ενεργά ονομάζονται τα διαφανή σώματα που στρέφουν το επίπεδο πόλωσης του φωτός που τα διαπερνά. Τέτοια είναι, π.χ., οι κρύσταλλοι χαλαζία, το διάλυμα ζάχαρης, το διάλυμα γαλακτικού οξέος κτλ.

Το πείραμα

Θεωρούμε πολωτή και αναλυτή διασταυρωμένους (επίπεδα πόλωσης κάθετα μεταξύ τους), ώστε η μονοχρωματική ακτίνα που προσπίπτει στον πολωτή να ανακόπτεται από τον αναλυτή. Τότε:

Παρεμβάλλουμε ανάμεσά τους κρύσταλλο χαλαζία ή διάλυμα ζάχαρης: παρατηρούμε ότι τώρα περνάει φως από τον αναλυτή.
Αν στρίψουμε τον αναλυτή κατά ορισμένη γωνία, το φως ανακόπτεται και πάλι.

Συμπέρασμα

Η παρεμβολή του οπτικά ενεργού σώματος έστρεψε το επίπεδο πόλωσης του πολωμένου φωτός κατά ορισμένη γωνία, δεξιά ή αριστερά. Η γωνία κατά την οποία χρειάστηκε να ξαναστρίψουμε τον αναλυτή ισούται με τη γωνία στροφής που προκάλεσε το σώμα. 🌀

Ορισμός: Πολωσίμετρο

Πολωσίμετρα ονομάζονται οι διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της γωνίας στροφής του επιπέδου πόλωσης. Αξιοποιούνται, για παράδειγμα, στη μέτρηση της συγκέντρωσης ζάχαρης σε διαλύματα. 🧪

Ολοκλήρωση

Σε αυτή την ενότητα μάθαμε ότι το φυσικό φως περιέχει όλα τα επίπεδα ταλάντωσης, ενώ το γραμμικά πολωμένο φως μόνο ένα. Είδαμε πώς ο πολωτής παράγει πολωμένο φως, πώς ο αναλυτής το ανιχνεύει, και πώς υπολογίζουμε τη γωνία ολικής πόλωσης μέσω του νόμου του Brewster ( $n = \varepsilon\varphi\theta_p$ ). Τέλος, εξηγήσαμε την πόλωση από σκέδαση (κυανός ουρανός, κόκκινα σούρουπα) και τη στροφή του επιπέδου πόλωσης από οπτικώς ενεργά σώματα. Η πόλωση αποτελεί ισχυρή απόδειξη της εγκάρσιας κυματικής φύσης του φωτός. 🌈