polarizace světla
Úvod
Světlo
• Šíření světla
• Charakteristiky světla
• Přirozené světlo
• Polarizované světlo
• Odraz a lom světla
Způsoby polarizace
Využití polarizace
Demonstrace
Závěr

Světlo

Když se řekne světlo, každého určitě napadne například žárovka, lampa, sluneční paprsky, či jiný zdroj světla, ale ne každý zná světlo z fyzikálního hlediska. Podle definice je světlo viditelná část elektromagnetického záření. Člověk ale dokáže pozorovat jen velmi malou část záření a to díky vyvinutí svého oka. Jinak řečeno, vidění je fyziologický proces, který v lidském oku vyvolává elektromagnetické vlnění o frekvencích 8,0.1014 Hz až 3,9.1014 Hz . Tomu odpovídají vlnové délky světla ve vakuu od 390 nm do 800 nm (obrázek č. 2.1). Tento rozsah je viditelným světlem pro člověka. Některé druhy živočichů vnímají rozsah jiný - například včely jej mají posunutý směrem ke kratším vlnovým délkám (ultrafialové záření), naopak někteří plazi vnímají i infračervené záření.


Obrázek č. 2.1 Elektromagnetické spektrum

Šíření světla

Šíření světla může být ovlivněno prostředím, kterým prochází. Při průchodu mohou nastat tyto situace:

  1. beze změny:  při průchodu čirým sklem prochází světlo bez podstatného zeslabení,
  2. absorpce světla: při průchodu barevným sklem projde jen světlo určité vlnové délky, ostatní světla jsou pohlcena,
  3. rozptyl světla: při průchodu matným sklem nemůžeme přesně určit polohu zdroje světla, protože matné sklo mění směr šíření světla,
  4. odraz světla: při dopadu na lesklé sklo se část světla odráží, při dopadu na zrcadlo se světlo jen odráží.

Z uvedených příkladů vyplývá, že z hlediska šíření světla vykazují látky různé vlastnosti. Tyto látky pak označujeme jako optická prostředí.

Optické prostředí může být:
  1. průhledné: nedochází v něm k rozptylu světla,
    • barevné: v prostředí jsou pohlcovány světla pouze určité vlnové délky,
    • čiré: prostředím prochází světlo všech vlnových délek,
  2. průsvitné: světlo prostředím prochází, ale z části se v něm rozptyluje,
  3. neprůhledné: světlo je silně pohlcováno, nebo se jen odráží.

Optické prostředí dělíme i podle toho, zda má v různých místech stejné, nebo rozdílné vlastnosti:

  1. homogenní: má ve všech místech stejné vlastnosti,
  2. nehomogenní: má v různých místech rozdílné vlastnosti.

Podle závislosti rychlosti vlnění na směru, kterým se vlnění šíří, rozlišujeme dva druhy optického prostředí:

  1. izotropní: rychlost šíření vlnění v tomto prostředí nezávisí na směru, světlo se všemi směry šíří stejně rychle,
  2. anizotropní: rychlost šíření vlnění závisí na směru, světlo se různými směry šíří různou rychlostí (například CaCO3).

Abychom měli světlo, musíme mít také zdroj, ze kterého se světlo bude šířit. V praxi jsou různé druhy zdrojů světla, od Slunce přes zářivku až po laser.

Druhy světla:
  1. monochromatické světlo: je světlo určité barvy, jehož zdroj kmitá pouze na jediné frekvenci, takové světlo je v přírodě vzácností a mohou ho vyzařovat například některé speciální lasery,
  2. bílé světlo: je běžně používané světlo, které obsahuje vlnění o různých viditelných vlnových délkách, zdrojem může být např. žárovka, zářivka či Slunce,
  3. složené světlo: je to složené světlo, které obsahuje monofrekvenční složky všech viditelných vlnových délek.

Ze zdroje se světlo šíří ve vlnoplochách. Vlnoplochu tvoří množina bodů, které při šíření vlnění kmitají se stejnou fází. Při zanedbání rozměrů zdroje světla mluvíme o bodovém zdroji světla, u kterého mají vlnoplochy tvar soustředných kulových ploch. Ve velké vzdálenosti od zdroje světla lze považovat části kulových vlnoploch za rovinné vlnoplochy (obrázek č. 2.3).

                                               

                  Obrázek č. 2.2 Vlnoplocha                      Obrázek č. 2.3 Rovinná vlnoplocha

Směr šíření světla ve stejnorodém optickém prostředí udávají přímky kolmé na vlnoplochu, které se nazývají světelné paprsky. Ve stejnorodém optickém prostředí se světlo šíří přímočaře.

Charakteristiky světla

Mezi charakteristiky světla patří rychlost světla, vlnová délka, frekvence a intenzita světla.

Rychlost světla

Velikost rychlosti světla ve vakuu je důležitá fyzikální konstanta a je to nevětší rychlost, které mohou hmotné objekty dosáhnout. V historii se fyzikové pokoušeli tuto rychlost určit pomocí různých metod a i dnes je její velikost určena jen experimentálně. Konstantu rychlosti světla ve vakuu značíme c a její velikost je:

c = ( 299 792 458 ± 1,2 ) m.s-1 .
Při výpočtech počítáme s hodnotou

c = 3.108 m.s-1 V látkovém prostředí je rychlost světla vždy menší než ve vakuu a je ovlivněna vlastnostmi prostředí.
Zde je uvedeno pár příkladů rychlosti světla v různých prostředích:

prostředírychlost světla
vzduch3.108 m.s-1
voda2,25.108 m.s-1
sklo2.108 m.s-1 až 1,5.108 m.s-1
Tabulka č. 1 Rychlost světla v prostředích

Frekvence a vlnová délka světla

Vlnová délka je nejmenší vzdálenost dvou bodů, které kmitají se stejnou fází. Vlnovou délku značíme malým písmenem řecké abecedy (lambda). Vlnová délka světla se udává řádově v nanometrech, značka nm (1 nm = 10-9 m). Vlnová délka udává barvu světla (obrázek č. 2.4). Frekvence světla charakterizuje zdroj, který světlo vyzařuje do okolí. Frekvenci značíme f. Při průchodu světla různým látkovým prostředím se frekvence nemění. Vztah mezi frekvencí a vlnovou délkou světla je dán rovnicí:



Obrázek č. 2.4 Vlnová délka určitého druhu světla

Přirozené světlo

Světlo patří mezi elektromagnetická vlnění, z čehož vyplývá možnost popsat jej vektorem elektrické intenzity a vektorem magnetické indukce . Vektor elektrické intenzity je přitom vždy kolmý na směr, kterým se vlnění šíří. Směr kmitání vektoru magnetické indukce je kolmý nejen na směr šíření vlnění, ale také na vektor elektrické intenzity . Říkáme tedy, že světlo je příčné elektromagnetické vlnění. Na obrázku č. 2.5 je znázorněna elektromagnetická vlna, která se šíří ve směru osy x. Vektor se promítá do osy y a vektor do osy z. Mohu také dodat, že obě veličiny nabývají maximálních hodnot, jsou-li oba vektory vlnění ve fázi.


Obrázek č. 2.5 Elektromagnetická vlna

Obecně platí, že vektor intenzity elektrického pole je vždy kolmý na směr, kterým se vlnění šíří. V rovině kolmé k paprsku přirozeného světla se směr vektoru nahodile mění (obrázek č. 2.6). Takové světelné vlnění označujeme jako nepolarizované světlo.


Obrázek č. 2.6 Přirozené světlo

Polarizované světlo

Přirozené nepolarizované světlo můžeme různými způsoby upravit na světlo lineárně polarizované. U lineárně polarizovaného světla bude vektor kmitat stále v jednom směru, kde koncový bod vektoru bude opisovat neproměnnou rovinnou křivku.

Tvary křivek mohou být různé. Když světlo budeme polarizovat například průchodem vhodnými krystaly, nebo speciálním polarizátorem, dosáhneme toho, že křivka bude v obecném případě elipsa, která ve speciálních případech bude přecházet v kružnici nebo v přímku. Obecně pak mluvíme o světle:

  1. elipticky polarizovaném,
  2. kruhově polarizovaném,
  3. lineárně polarizovaném.

Na obrázku č. 2.7(a) je zobrazeno nepolarizované světlo, jehož vektor kmitá nahodile v rovině kolmé na směr šíření a na obrázku č. 2.7(b) je zobrazeno lineárně polarizované světlo, které prošlo vertikálně orientovanou polarizační destičkou.


Obrázek č. 2.7 Nepolarizované a polarizované světlo

Při polarizaci složka intenzity elektrického pole rovnoběžná se směrem polarizace prochází polarizační destičkou, složka k ní kolmá je pohlcena. Vektor zde po průchodu vertikální polarizační destičkou kmitá ve směru přímky.

U lineárně polarizovaného světla se rovina, v níž leží kmity vektoru , dohodou nazývá kmitová rovina, rovina na ní kolmá, tj. rovina, v níž kmitá vektor , se nazývá rovina polarizační.

Způsoby polarizace světla, které můžeme využít k přeměně nepolarizovaného světla na světlo polarizované:

  1. polarizace odrazem,
  2. polarizace lomem,
  3. polarizace dvojlomem,
  4. polarizace absorpcí.

Odraz a lom světla

Jestliže světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s odlišnými optickými vlastnostmi, světlo se na rozhraní částečně odráží a částečně láme do druhého prostředí. Na obrázku č. 2.8 jsou paprsky světla reprezentovány paprskem dopadajícím, odraženým a lomeným. Každý z těchto paprsků má určitý směr vzhledem ke směru normály, tj. kolmice k povrchu v místě dopadu paprsku. Na obrázku č. 2.8 je úhel dopadu , úhel odrazu 1 a úhel lomu ß. Všechny se měří vzhledem k normále. Rovina určená dopadajícím paprskem a normálou je rovina dopadu.


Obrázek č. 2.8 Odraz a lom světla

U polarizace odrazem a lomem využíváme dva zákony:
  1. Zákon odrazu: Odražený paprsek leží v rovině dopadu a úhel odrazu se rovná úhlu dopadu. V obrázku č. 2.8 to znamená: 1 = .
  2. Zákon lomu: Lomený paprsek leží v rovině dopadu a úhel lomu je spojen s úhlem dopadu vztahem: , zákon lomu se nazývá Snellův zákon.
Zde použité symboly n1 a n2 jsou bezrozměrné veličiny nazývané index lomu. Charakterizují prostředí, v němž dochází k lomu. Index lomu je definovaný vztahem:

kde c je rychlost světla ve vakuu a v jeho rychlost v daném prostředí.

V tabulce č. 2 jsou uvedeny indexy lomu některých běžných látek.

LátkaIndex lomuLátkaIndex lomu
vakuumpřesně 1 typické sklo 1,52
vzduch1,000 29 chlorid sodný 1,54
voda(20°C)1,33 polystyren 1,55
aceton1,36 sirouhlík 1,63
ethylalkohol1,36 těžké flintové sklo 1,65
roztok cukru (30%)1,38 safír 1,77
tavený křemen1,46 nejtěžší flintové sklo1,89
roztok cukru (80%)1,49 diamant2,42
Tabulka č. 2 Indexy lomu