A fény polarizációja (Light polarization)

A fény emberi szemmel érzékelhető elektromágneses sugárzás. Tágabb értelemben beleérthető az ennél nagyobb (infravörös) és kisebb hullámhosszú (ultraibolya) sugárzás is.

A fény tulajdonságait meghatározó három fő szempont:

• intenzitás vagy amplitúdó, amelyet az ember fényerőként, fényességként érzékel,
• frekvencia (és ezzel összefüggésben a hullámhossz), amelyet az ember színként érzékel, és
• polarizáció, azaz az elektromágneses rezgés iránya, ezt az átlagember normál körülmények között nem érzékeli, de például bizonyos rovarok igen.

A hullám-részecske kettősség alapján a fény hullám- és részecsketulajdonságokkal is jellemezhető. A részecskéket a kvantummechanika a fény kvantumainak, fotonoknak nevezi. A fotonok olyan részecskék, amelyek nyugalmi tömege zérus, üres térben pedig fénysebességgel mozognak.

Látható fény, a színek

A fény az elektromágneses spektrum része, melynek frekvenciája 7,5·10¹⁴ hertz (rövidítve 'Hz') és 3,8×10¹⁴ Hz közé esik. A sebesség (c), a frekvencia (f vagy ν) és a hullámhossz (λ) között a következő kapcsolat áll fenn:

Mivel a a fény sebessége vákuumban állandó, a látható fényt a hullámhosszával is jellemezhetjük. Kb. 400 nanométer (rövidítve 'nm') és 800 nm közé esik a látható fény hullámhossza.

A fény az emberi szem retinájának érzékelőit, az úgynevezett csapokat és pálcikákat ingerli, mely ingerek elektromos impulzusokként terjednek az idegekben, a látóidegen végighaladva az agyban keltenek világosságérzetet.

Hogy az elektromágneses hullámok spektrumának éppen ezt a kis részét látjuk, valószínűleg a légkör sugárzáselnyelése miatt van így. Az elektromágneses hullámok jelentős részét ugyanis a légkör elnyeli, így azok nem érik el a Föld felszínét. Két „ablak” azonban nyílik a világűrre. Az egyik a rádióhullámok tartománya, a másik pedig a látható fényé. A rádióhullámokkal az a probléma, hogy a földfelszínen lévő kisebb tárgyak, illetve a víz igen csekély hatással vannak rá, leginkább magas fémtartalmú anyagokkal fogható fel. A másik ablak tartományának sugarai viszont – azaz ami végül az evolúció során láthatóvá lett – igen kis tárgyak felületéről is egyszerű szabályokat követve verődnek vissza és ráadásul az anyagtól függően általában igen jellegzetes visszaverődési színképet produkálnak, így az ezt érzékelni képes élőlények jól hasznosítható képet kapnak a környezetükről.

Fény polarizáció

(lineáris polarizáció, sík polarizáció, Brewster-szög, polarizált fény, Nicol-prizma, polarizátor, analizátor, polaroidszűrők, kettőstörés)

Jól ismert, hogy a mechanikai hullámok esetén akkor beszélünk polarizált

hullámról, ha a transzverzális
hullámok rezgése egy jól meghatározható síkban
zajlik le. 
A dipólsugárzással létrejött elektromágneses
hullám (például rádióhullám) mindig
polarizált, vagyis a hullámban
rezgő
E vektorok mindenütt párhuzamos egyenesek mentén rezegnek

Ezt a jelenséget nevezik lineáris polarizáció vagy sík
polarizáció)

Mivel a természetes fény
sok atom
spontán, rendezetlen hullámkibocsátásának

eredménye - noha az egyetlen atom
által
kisugárzott hullám
szintén polarizált
-, benne egyenlő mértékben találhatók minden irányban rezgő E és B
vektorok.

A fény polarizációjával kapcsolatos első leírás Erasmus
Bartholinus dán
professzor nevéhez fűződik. Ő kereskedőktől kapott egy átlátszó kristályt,
úgynevezett izlandi pátot (mészpátot), amelyen keresztülnézve meglepve
tapasztalta,
hogy a tárgyaknak kettős képe látszik

A kristályba belépő fény
két sugárra bomlik, amelyek közül az egyik, az úgynevezett
rendes vagy ordinárius sugár szabály szerint követi a törés törvényét,
a másik,
a rendellenes vagy extraordinárius sugár azonban nem. 

A jelenséget szintén vizsgáló Huygens
ezt azzal magyarázta, hogy míg a rendes (o) sugár esetén a hullámfront
pontjaiból
rendes körhullámok
indulnak ki, a rendellenes
(eo) sugár esetén ezek az elemi hullámok

ellipszis alakot vesznek fel, aminek az az oka, hogy a kristály
szerkezete miatt a kristályban az adott
irányban megváltozik a fény terjedési sebessége.

A két sugár további különbözőségét Etienne Malus tárta fel. Ő a
mészpáton keresztül
nézve vizsgált különbözo fényeket,
amikor
azt tapasztalta, hogy amikor a Luxembourg-palota ablakáról
visszaverődő fényt
nézi, nem két, hanem csak egy kép keletkezik. Ezt helyesen úgy
értelmezte, hogy
a palota ablakáról visszaverődött fény

a rendes és a rendellenes sugárhoz hasonlóan síkban polarizált,
és a
kristály ezért már nem tudja két összetevőre
bontani.
Az üvegen és más anyagon való visszaverődéskor
bekövetkező polarizációt részletesen Brewster skót fizikus
vizsgálta.

Róla nevezték el azt a beesési szöget Brewster-szögnek, amelyre
a beeső
és visszavert sugár egymásra merőleges.

Polarizált fény előállítható megfelelő szögben
csiszolt mészpátkristállyal,
amelyet kettévágnak, majd a vágási felületeknél kanadabalzsammal összeragasztanak
(Nicol-prizma). A prizmára eső természetes fény

a törőfelületen kettősen megtörik. A rendes sugár a kanadabalzsamon teljes
visszaverődést szenved és oldalra eltérül, míg a rendellenes
sugár, amely
már polarizált, kilép a kristályból.

A fény polarizáltságát
az emberi szem nem ismeri fel, ezért azt egy másik polarizátorral
vizsgálhatjuk
(analizátor). Ha a polarizátor és az analizátor párhuzamos
állású, a
fény tovább halad. Ha egymásra merőleges a két kristály tengelye, az
analizátoron
nem lép ki a fény.
 

Ezeket úgy készítik, hogy üveg-
vagy celluloidlapra
kettősen törő kristályokból álló vékony
réteget visznek fel. Ezek a kristályok
a kettőstöréssel szétválasztott két fénysugár

közül az egyiket nagymértékben elnyelik, ezért csak a másik,
meghatározott síkban
polarizált fénysugár
halad át rajtuk.
Ha két ilyen szűrőt
egymásra helyezünk, és egymáson fokozatosan elforgatjuk,
az áteső fény erőssége egy maximális és
egy minimális érték között változik. 

Polárszűrőket használnak napszemüvegekben és fényképezéskor
a víz- vagy üvegfelületekről

visszaverődő zavaró csillogás kiszűrésére, illetve az égbolt
kontrasztosságának
növelésére.

Etológiai kísérletek kimutatták, hogy - mivel az égboltról
jövő fény
a szóródás miatt poláros és a polarizáció síkja a Nap

helyzetétől függ -, a rovarok ezt irány meghatározására képesek
használni. A
méhek tánca mindig a Nap

és a polarizáció síkjának irányát figyelembe véve adja meg a
nektárdús
virágok lelőhelyét.

A rovarok összetett szeme a nagyobb távolságban lévő tárgyakat már
rosszul képezi
le, ezért például a vízfelületet

nem a fényérzékelés
(fototaxis), hanem a fény polarizációja (polarotaxis) alapján
találják
meg. Olyan nagyobb kiterjedésű vízszintes felületet keresnek, amelyről
horizontálisan
polarizált fény verődik vissza. Ezért fordulhat elő, hogy a
szabadban
tárolt, vagy szennyezőanyagként a vízre
kerülő kőolajszármazékok
(például a pakura), amelyek a fényt
a víznél
erősebben polarizálják, végzetes csapdát jelentenek a
rovaroknak. A szomjukat
oltani vágyó, vagy násztáncot járó lepkék, szitakötők, bogarak az
olajos felszínt
vízfelületnek
hiszik, leszállva rá a ragadós felszín foglyaivá válnak.

Share this: