217 7. 5. POLARIZACIJA SVJETLOSTI Pojave interferencije i ogiba svjetlosti pokazale su da svjetlost ima valnu prirodu, ali ne objašnjavaju je li svjetlost transverzalan ili longitudinalan val. Najveći broj pokusa koje smo do sada opisali pokazuju da pri širenju svjetlosti njezina svojstva ne ovise o pravcu širenja i jednaka su u svim smjerovima. Meñutim, u nekim slučajevima svjetlost pokazuje orijentaciju s obzirom na smjer širenja - polarizaciju. Prvi efekti polarizacije uočeni su pri izučavanju dvostrukog loma svjetlosti koji se pojavljuje pri prolasku svjetlosti kroz neke kristale primjerice islandski kalcit ili kvarc (dvolomac). Promatramo li neki predmet kroz islandski kalcit, pojavljuje se dvostruka slika objekta (sl.7.47). Louis Malus (1775.–1812.) francuski fizičar promatrao je kroz islandski kalcit Sunčevu svjetlost odbijenu s prozora susjedne kuće. Na svoje iznenañenje otkrio je da očekivana dva svjetlosna snopa koja prolaze kroz kristal nisu jednaka intenziteta, kao što su bili pri promatranju svjetlosti izravno bez refleksije na staklu. Pri okretanju kristala intenziteti dvaju snopova mijenjali su se komplementarno, tj. kad se jedan snop pojačavao drugi je slabio i obrnuto. Pokus je ponovio sa svijećom kao izvorom svjetlosti, a prozore je zamijenio vodom od koje se svjetlost reflektirala. Istu pojavu dobijemo pri refleksiji od dva zrcala, napravljenih od izolatora (staklenih ploča koje su s jedne strane Z2 zatamnjene) na kojima se svjetlost Z2 α α djelomično reflektira i djelomice lomi. Slika 7.48. prikazuje dva zrcala α Z1 i Z2. Zrcalo Z1 postavljeno je na Z1 α stoliću koji može rotirati oko Z1 vertikalne osi. Zrcalo Z2 pričvršćeno je za strop i nepomično je. Svjetlost Izvor Izvor pada na zrcalo Z1 pod kutom α, a) b) reflektira se od zrcala Z1 pod istim kutom α i pada na zrcalo Z2. Na tom slika 7.48. zrcalu svjetlost se opet reflektira pod kutom α (sl.7.48.a). Kad stolić na kojem se nalazi izvor i zrcalo Z1 zarotiramo oko vertikalne osi za kut 90°, sa zrcala Z2 nema refleksije (za točno odreñeni kut α) ili je reflektirana zraka znatno oslabljena (sl.7.48.b).
Ovu pojavu možemo objasniti nesimetrijom reflektirane svjetlosti. Svjetlost reflektirana od zrcala Z1 ima uočljive pojedine "strane" ili "polove" pa ju nazivamo polariziranom (sl.7.49.).
slika 7.49.
Ljudsko oko ne može razabrati razliku izmeñu polarizirane i nepolarizirane svjetlosti.
218 Dobivanje polarizirane svjetlosti od nepolarizirane uvijek je rezultat meñudjelovanja (interakcije) svjetlosti i tvari. Refleksija je jedna od takvih mogućih interakcija. Nepolarizirana svjetlost je potpuno simetrična s obzirom na graničnu plohu prozirnog sredstva na koje upada pod kutom α (sl.7.50.). Svjetlost se na granici djelomično reflektira, a djelomično prolazi lomeći se. Općenito reflektirani i lomljeni snopovi su djelomično polarizirani tako da su im ravnine polarizacije meñusobno okomite. Ravnina polarizacije reflektirane svjetlosti je okomita na ravninu refleksije, dok je ravnina slika 7.50. polarizacije lomljene svjetlosti u ravnini refleksije, odnosno loma. Reflektirana svjetlost je potpuno polarizirana samo u slučaju kada reflektirana i lomljena zraka zatvaraju pravi kut (90°), što je eksperimentalno ustanovio David Brewster*. Upadni kut pod kojim se to dogaña naziva se Brewsterov kut αB (sl.7.51.). Prema Snelliusovu akonu je: 1⋅sin α = n2⋅sin β Kako je za potpunu polarizaciju reflektirane zrake: αB + β = 90° to je:
slika 7.51.
n1⋅sin αB = n2⋅sin (90°−αB) odnosno, n tgα B = 2 . n1
αB n1 90°
Tu jednadžbu nazivamo Brewsterovim n2 zakonom. Reflektirana svjetlost je tada potpuno polarizirana, a lomljena β svjetlost je djelomično polarizirana pri čem su njihove ravnine polarizacije meñusobno okomite. Brewsterov zakon vrijedi u svim slučajevima bilo da je n2 > n1 ili je n2 < n1. Ako svjetlost upada iz zraka na staklo (n1 = 1 ; n2 ≈ 1,5) tada je Brewsterov kut za staklo αB ≈ 56°. Sad možemo objasniti što se zapravo dogañalo u pokusu sa zrcalima prikazanim na slici 7.48. Dva identična zrcala imaju različite uloge. Zrcalo Z1 stvara od nepolarizirane svjetlosti polariziranu, dok zrcalom Z2 ispitujemo svojstva reflektirane svjetlosti s prvog zrcala. Zato zrcalo Z1 nazivamo polarizatorom, a zrcalo Z2 analizatorom. Kad je upadni kut na zrcalo Z1 Brewsterov kut, reflektirana svjetlost je potpuno polarizirana pa se pri refleksiji od zrcala Z2 dobije potpuno gašenje reflektirane svjetlosti. Pri bilo kojem drugom upadnom kutu različitom od Brewsterova, reflektirana svjetlost je samo djelomično polarizirana, pa se pri rotaciji analizatora pojavljuje reflektirana svjetlost, ali smanjenog intenziteta. *
David Brewster (1781. –1868.), britanski fizičar
