Svetlost, difrakcija i polarizacija

SVETLOST – elektromagnetno zračenje

 Šta je svetlost? Npr., za Njutna svetlost je bila struja čestica, dok je za Hajgensa svetlost slična talasima na vodi. Na osnovu ovih teorija mogu se objasniti neki jednostavni optički zakoni kao što je zakon polarizacije. Međutim, novi elektromagnetni rezultati su išli u prilog talasne teorije.
Svetlost možemo opisati kao roj čestica koje se nazivaju fotoni. Svaki foton nosi određenu količinu energije. Celokupan raspon zračenja koje nastaje u svemiru nazivamo svetlosni spektar.

Vrste elektromagnetskog zračenja:

• gama zračenje
• rendgensko zračenje (X-zraci)
• ultraljubičasto zračenje
• vidljivo zračenje (svetlost)
• infracrveno zračenje
• mikrotalasno zračenje
• radiotalasi

Elektromagnetska zračenja uzajamno se razlikuju jedino frekvencijom. Svetlost nastaje kada se električni naboj kreće u elektromagnetskom polju. Atom šalje svetlost kada je neki od njegovih elektrona podstaknut dodatnom energijom izvora. Zračenje pokrenutih elektrona opisujemo talasom. Svetlost manje energije ima manju učestalost ili frekvenciju, ali vecu talasnu dužinu, dok ona sa više energije ima veću učestalost ili frekvenciju, ali manju talasnu dužinu.
Brzina svetlosti, kao i svih ostalih elektromagnetnih talasa iznosi oko 299 792 500 m/s.

Boja

 Ljudsko oko reaguje samo na ograničeni raspon talasnih dužina na vidljivu svetlost, ali ono odlično raspoznaje i vrlo male razlike unutar tog raspona. Te male razlike nazivamo bojama. Boje su, dakle, male frekvencijske razlike u području vidljive svetlosti. Najkracu talasnu dužinu imaju ljubičasta i plava svetlost, a najdužu crvena svetlost.
Spektar vidljivog zračenja čine:

• ljubičasta boja (najveća frekvencija najkraća talasna dužina)
• plava boja
• zelena boja
• zuta i narandžasta boja
• crvena boja 

Bela svetlost sastavljena je od kontinuiranog niza svih boja vidljivog spektra. U praksi pod bojom nekog tela možemo smatrati boju koju telo reflektuje kada osvetljeno belom svetlošću, odnosno telo će biti obojeno nekom bojom ako površina apsorbira belu svetlost samo na odredjenom talasnom području.
Boja, dakle, zavisi od frekvencije reflektiranog zračenja. Bela površina je ona koja u jednakoj meri reflektuje sva talasna područja bele svetlosti. Crna površina je ona koja u potpunosti apsorbuje belu svetlost. Mi gledamo vidljivu svetlost iz dva razloga:

• Zrak je poziran na vidljivu svetlost za razliku od drugih stvari, pa tako svetlost prolazi kroz atmosferu do nas.
• Sunce isijava najviše energije upravo u vidljivom delu spektra. Vruća zvezda produkuje većinu svetlosti u ultraljubičastom području, dok hladna zvezda većinu svetlosti produkuje u infracrvenom području.

Pa tako, Sunce, prosečna zvezda produkuje većinu energije u vidljivom delu spektra.Sve boje koje vidimo na Zemlji i negde drugo su samopitanje koje se talasne dužine sunčeve svetlosti najbolje reflektuju.

Izvori svetlosti

 Svetlosnio izvori su tela koja stvaraju svetlost. Svetlost se od izvora na sve strane rasprostire pravolinijski. Ppavci po kojima se rasprostire svetlost nazivaju se svetlosni zraci. Deo prostora iza svetlosnog tela nasuprot svetlosnom izvoru u koji ne dolazi nepostedna svetlost izvora naziva se senka. Odbijanje svetlosti naziva se refleksija, a prelamanje svetlosti naziva se refrakcija. Razlaganje bele svetlosti je disperzija.

Dopplerov efekat

 Dopplerov efekat je promena posmatrane talasne dužinezbog medjusobnog približavanja ili udaljavanjaizvora talasa i posmatrača. Talasne dužine linija povećavaju se (pomiču prema crvenom području spektra) kada se izvor udaljava, a smanjuju se (pomiču prema plavom području spektra) kada se izvor priblizava posmatraču.

TALASNA OPTIKA

 Osnovni pojam geometrijske optike je zrak svetlosti, a fizikalne optike je talas svetlosti. Sve do sada posmatrane i proučavane pojave se mogu izvesti iz tri osnovna zakona koja za geometrijsku optiku imaju karakter aksioma, a to su:

1. Zakon pravolinijskog širenja svetlosti
2. Zakon refleksije
3. Zakon loma

Ta tri zakona, a prema tome i sve pojave koje se pomoću njih mogu izvesti, mogu se protumačiti sa dve potpuno različite teorije.
- Pevu teoriju, tzv. korpuskularnu, postavio je Newton i glasi: Svetlost se sastoji od sitnih korpuskula (čestica), tzv. fotona koje izlaze velikom brzinom iz izvora svetlosti.
- Drugu teoriju, koja se zove talasna teorija, postavio je Huygens i glasi: Svetlost je osciliranje koje se iz izvora svetlosti širi u obliku talasa, a raznim bojama pripadaju oscilaciji različite frekvencije.
Kada se govori o prirodi svetlosti kaže se da je svetlost dvojne prirode: nekad se ponaša kao elektromagnetni talas, a nekada kao snop čestica-fotona. 
Talasne osobine svetlosti su najočitije u pojavama interferencije, difrakcije i polarizacije. Interferencija i difrakcija su pojave karakteristične za sve vrste talasa, na primer, talase na vodi, zvučne talase itd. Interferenciju i difrakciju svetlosnih talasa moguće je ostvariti samo u posebnim uslovima. Pojava polarizacije svetlosti je povezana sa transverzalnošću svetlosnih talasa. Vektor električnog polja (E), čije oscilacije odredjuju fiziološka, fotehemijska, fotoelektrična i druga delovanja svetlosti, oscilira u ravni u odnosu na pravac prostiranja svetlosnog talasa. Ako je to osciliranje uredjeno na odredjeni način dolazi do pojave polarizacije svetlosti.
Talas je periodični poremećaj u prostoru. Da nastane talas treba postojati neki izvor. Razlikujemo dve vrste talasa s obzirom na način širenja kroz prostor:

• Progresivni ili putujući talas
• Longitudinalni talas

Tipični primer progresivnog talasa je talas na površini vode. Površina vode se diže i spušta dok se breg giba uzduž površine, dolazi do oscilacija molekula vode u odnosu na smer širenja talasa tj. na smer gibanja brega. Takav talas naziva se transvezalni talas jer je pomak čestica uspravan na smer gibanja talasa.

Još jedan primer transvezalnog talasa je elektromagnetni talas. Kod elektromagnetnog talasa električno i magnetno polje menjaju se periodično s vremenom u smerovima u odnosu na smer gibanja talasa, tj. na smer prenosa energije.
Osim transverzalnih talasa postoje i longitudinalni talasi. To su talasi kod kojih dolazi do oscilacije čestica u smeru širenja talasa. Primer longitudinalnog talasa je zvuk, tj. zvučni talas. Od izvora zvuka molekule, atomi osciluju oko ravnotežnog položaja na pravcu širenja talasa.

 Elementi talasa:

 

Relacija koja povezuje ova tri elementa talasa je:

 v = l x f 

Brzina talasa jednaka je proizvodu talasne dužine i frekvencije.

DIFRAKCIJA SVETLOSTI

 Zakoni geometrijske optike su izvedeni pod predpostavkom da se svetlost prostire pravolinijski. Medjutim, ako na svom putu svetlost pada na tela ili otvore malih dimenzija, koji se mogu porediti sa talasnom dužinom svetlosti, tada se javljaju pojave difrakcije (savijanja) svetlosti. Na primer, ukoliko se bela svetlosttačkastog svetlosnog izvora L propusti kroz pukotinu zaklona Z1 i kroz paralelno postavljenu drugu pukotinu Z2, tada se na zaklonu Z3 vidi slika pukotine AB, odnosno A1B1 kao posledica pravolinijskog prostiranja svetlosti. Medjutim, ako se pukotina na zaklonu Z2 poširini smanji, na zaklonu Z3 levo i desno od centralnog luka, zapažaju se obojene pruge, isprekidane tamnim medjuprostorima. Ukoliko se pukotina i dalje sužava, svetlosno područje izmedju Z2 i Z3 se širi, a intezitet linija opada sa udaljavanjem od centralnog lika. Očito je da svetlost u ovom slučaju odstupa od pravolinijskog prostiranja, tj. da po izlasku iz sužene pukotine skreće (savija).

Slično se dešava ako svetlost naidje na uske prepreke. U oba slučaja, obojene pruge nastaju kao posledica interferencije savijene svetlosti. skretanje svetlosnih zraka od pravolinijskog prostiranja naziva se difrakcija ili savijanje vetlosti. 
Zraci svetlosti koji padaju na pukotinu mogu biti paralelni, ili mogu padati pod odredjenim uglom. Ako su na celokupnom putu od izvora do ekrana zraci paralelni, nastaje difrakcija Frauhoferovog tipa. Kod difrakcije Frenelovog tipa zraci mogu biti divergentni ili konvergentni. Pojavu difrakcije redovno prati pojava interferencije izmedju savijenih svetlosnih zraka, izmedju kojih postoji odredjena putna (fazna) razlika.
Potrebno je istaći da se pojava difrakcije bitno razlikuje od prelamanja svetlosti. Prilikom prelamanja, promena pravca upadnog talasa dešava se na granici dve fizičke raznorodne sredine, različitih optičkih gustina. na toj se granici menjaju brzina prostiranja talas i njegova talasna dužina. Difrakcija se odigrava prilikom prostiranja u jednoj istoj sredini, kada talas u svom kretanju samo „zakači“ granicu izmedju sredine.

Difrakcija na pukotini

Difrakcija na rešetki

Difrakcija se javlja i na nizu paralelnih pukotina. Sistem od velikog broja bliskih paralelnih pukotina naziva se difrakciona rešetka. Optičke difrakcione rešetke se uglavnom izradjuju od staklenih planparalelnih ploča na koje se na jednakim rastojanjima nanosi velik broj tankih zareza (do 2400 na 1mm).

Svetlost se sa zarezima difuzno rasejava, dok se prostor izmedju zareza ponaša kao pukotina koja propušta zrake. Rastojanje izmedju susednih pukotina c naziva se konstanta rešetke. Ako je širina svake pukotine d, a širina zareza d0, tada je:

 c = d + d0

Optičke difrakcione rešetke se mogu urezati i na konkavnim ogledalskim površinama (Rolandove refleksione rešetke) i tada se difrakcija stvara od svetlosnih zraka koji se reflektuju sa ogledalskih površina izmedju zareza. Usled velikog broja pukotina, rešetka propušta puno svetlosti i stvara dobro osfetljenu sliku interferencije.
Uvećana slika dela jedne transmisione difrakcione rešetke sa N pukotina prikazaću na sledećoj slici. Inerferenciona slika kd rešetke nastaje usled difrakcije na svakoj pukotini, kao i usled interakcije izmedju N snopova svetlosti koji nastaju na pukotinama. Zbog toga se raspodela inteziteta svetlosti u interferencionoj slici rešetke I (a) dobija kao proizvod raspodele inteziteta usled difrakcije na jednoj pukotini Ip (a) i raspodele inteziteta zbog interferencije N snopova IN (a):

 I (a) = Ip (a) IN (a)

Ovde se razmatra o raspodeli intenziteta monohromatske svetlosti usled medjusobne interferencije snopova svetlosti koji nastaju na svakoj pukotini. Svaki snop iz jedne pukotine koji dolazi pod uglom a se opisuje jednačinom oblika, odnosno vektorom aai. Na slici možemo zapaziti da je putna razlika izmedju susednih snopova:

d = c sin a 

Poližaj glavnih maksimuma u raspodeli IN (a):

sin a = k l/c a= arcsin k l/c
sin a = -k l/c a= arcsin k l/c

Minimumi odgovaraju uglovima:

a = arcsin kl/cN
a = -arcsin klcN

Brojna vrednost konstante k u relaciji odredjuje red interferencije. Prema tome, razlikuju se interferentni maksimumi prvog k=1, drugog k=2,... reda. Sa povećanjem reda interferencije visina maksimuma opada.
Položaj interferentne slike zavisi od talasne dužine svetlosti. Ako se rešetka ozrači složenom (polihromatskom) svetlošću, ona se u interferentnoj slici razlaže na komponente. Oko nultog maksimuma koji ostaje nerazložen (jer za k=0, položaj maksimuma je a=0, nezavisno od l) simetrično se javljaju spektri svetlosnog izvora (sledeća slika) u pojedinim redovima interferencije. U ovim spektrima ljubičasti (kratkotalasni) deo savija manje od crvenog (dugotalasnog) dela. Savijanje (skretanje) je direktno srazmerno talasnoj dužini, pa se zato kaže da rešetka daje normalan spektar (ima linearnu disperziju).

U optičkoj spektoriskopiji se često koristi rašetka za merenje talasne dužine i intenziteta spektarnih linija. Ako je konstanta rešetke c poznata, može se merenjem ugla skretanja a odrediti talasna dužina spektralne linije. Kod istraživanja složenih spektara veoma važna karakteristika rešetke je moć razlaganja. Moć razlaganja D pokazuje na koji ugao može rešetka razložiti dve bliske spektralne linije i definiše se relacijom:

D = da / dl

Moć razlaganja rešetke se može izrčunati diferenciranjem relacije što daje:

 cosada = k/c dl

odakle se dobija:

D = k/c cosa – Moć razlaganja

 Za male uglove a može se primetiti aproksimacija cos a1, pa se moć razlaganja može izraziti relacijom:

D   k/c

 Kao što se vidi na osnovu dobijenih ralacija, moć razlaganja rešetke se povećava smanjenjem konstante rešetke. Moć razlaganja rešetke se povećava i redom interferencije. Medjutim, spektri višeg reda su obično veoma slabog intenziteta i mogu se uzajamno prekrivati.
U poredjenju sa disperzijom svetlosti kroz prizmu, rešetka daje bolje razložen, normalan spektar. Disperzija u slučaju prizme nije linearna, svetlosni zraci kraće talasne dužine skreću više.

Difrakcija talasa (valova) na vodi

 Difrakcija je karakteristična za talase na vodi. Difrakcija talasa se može primetiti gledajuci morske talase kako nailaze na primer na drvene stubove u vodi i slično.
Evo jednog malog eksperimenta sa talasima na vodi. Pomoću grafoskopa na kojeg smo stavili posudu sa vodom na čijem se kraju nalazi vibrator sa pločastim nastavkom (pomoću kojeg proizvodimo talase na vodi). Posmatraćemo difrakciju talasa na vodi. Stavimo li na put talasa prepreku (npr. neku malu pukotinu) nakon prolaska kroz nju talasi se ugibaju u području senke. (krugovi na slici 7). Difrakcija se lakše uoči što je pukotina uža. Ako je pukotina jednaka talasnoj dužini iza pukotine talasi se šire tako da zapravo vidimo geometrijski senku pukotine (slika 7).

Difrakcija X-zraka

 X-zrake je otkrio Rentgen 1895. godine, pa se oni danas nazivajurendgenski zraci. To su zraci elektromagnetne prirode, talasna dužina im se nalazi u intervalu 0,001 nm do 10 nm, a javljaju se na mestima gde se brzi elektroni naglo koče. To se obično postiže pomoću vakumske rendgenske cevi.
S obzirom na malu talasnu dužinu rendgenskih zraka, njihova se interferencija nije mogla dobiti nikakvom načinjenom rešetkom. Laue je došao na pomisao da bi kristali mogli poslužiti kao difrakciona prostorna rešetka za X-zrake. Pravilno rasporedjeni atomi u kristalu čine rešetku, na kojoj se davlja primetna difrakcija X-zraka.
Breg je jednostavno objasnio pojave difrakcije X-zraka putem refleksije na pojedinim ravnima rešetke. Horizontalne linije predstavljaju ravni kristala na koje pada uzak snop zraka. Ugao izmedju zraka i ravni naziva se ugao sjaja. Na svakoj se ravni jedan deo upadnog zračenja odbija po zakonima odbijanja i svi nizovi talasa odbijenih od ravni pod uglom nalaze se u fazi.Intenzitet odbijenog zraka može biti primetan samo u slučaju ako se, usled interferencije sa zracima odbijenih od susednih ravni, pojača. Ovo nastupa u slučaju ako su talasi (zraci) medjusobno u fazi, odnosno ako im je putna razlika jednaka celom broju talasnih dužina.
Difrakcija X-zraka (i neutrona) na kristalima može se koristiti ne samo za merenje talasnih dužina rendgenskih zraka, nego i za rešenje obrnutog zadatka: za odredjivanje strukture kristala pri korišćenju zraka poznatih talasnih dužina. Detaljno izračunavanje oblika difrakcionih slika na raznim kristalima omogućava da se utvrdi geometrijski tip njima odgovarajućih rešetki. Ispitivanja ove vrste razvila su se danas u samostalnu granu fizike, poznatu pod nazivom rendgenska strukturna analiza. Rendgenska strukturna analiza nalazi široku primenu i u kristalografiji i u tehnici, gde predstavlja važan metod za izračunavanje svojstava materijala (čelika, legura obojenih metala itd.).

 
POLARIZACIJA SVETLOSTI

 Interferencija i difrakcija svetlosti su pojave koje potvrdjuju da je svetlost talasne prirode. Medjutim, oni ne daju odgovor na pitanje da li su svetlosni talasi transferzalni ili longitudinalni. U transferzalnom talasu, koji se prostire u pravcu aa’, sve tačke optičke sredine izvode oscilacije u odredjenoj ravni AB.

Prema tome, transverzalni talas u odnosu na razne ravni postavljene kroz pravac njegovog prostiranja, ima različita svojstva. U longitudinalnom talasu, medjutim, oscilacije se vrše duž pravca prostiranja talasa aa’ i njegova svojstva su ista u odnosu na bilo koju AB, postavljenu kroz pravac njegovog prostiranja. Pojava polarizacije svetlosti daje nedvosmislen dokaz da je svetlost transverzalni elektromagnetni talas.
Pod pojavom polarizacije podrazumeva se proces takvog uzajamnog dejstva prirodne svetlosti i neke materijalne sredine, pri kojem se prirodna svetlost pretvara u polarizovanu svetlost. Eksperimentalno je utvrdjeno da se svetlost sastoji od transverzalnih elektromagnetnih talasa sa uzajamno normalnim vektorima električnog i magnetnog polja koji su normalni na pravac prostiranja svetlosti. Svetlosni talas koji je emitovan od strane jednog odredjenog atome svetlosnog izvora u jednom aktu emisije (prelaskom elektrona sa pobudjenog na osnovno stanje atoma) ima važnu osobinu da mu vektor električnog polja osciluje u strogo odredjenoj ravni, a veltor magnetnog polja takodje u odredjenoj ravni. Talas ovakvih osobina naziva se linearno polarizovan talas, jer u bilo kojoj tački duž njegovog prostiranja vektori električnog i magnetnog polja zadržavaju polaznu ravan oscilovanja.Vektor jačine električnog polja naziva se svetlosni vektor i koristi se za opis pojava u optici. Ravan u kojoj osciluje vektor električnog polja naziva se ravan oscilovanja svetlosnog talasa. Kod linearno polarizovane svetlosti, ravan normalna na ravan oscilovanja svetlosnog vektora naziva se polarizaciona ravan.
Svaki realni izvor svetlosti sastoji se iz velikog broja atoma i molekula, koji zrače svetlosne talase potpuno neuredjeno, sa svim mogućim orjentacijama ravni oscilovanja, normalnih na pravac prostiranja. Ovakva svetlost nije polarizovana i naziva se nepolarizovana ili prirodna svetlost. Izmedju faza pojedinih talasa ne postoji nikakva veza, one su haotično rasporedjene. Kod linearno polarizovane svetlosti svetlosni vektor menja intenzitet i smer, a pravac mu ostaje isti.
Da bi se na crtežima polarizovani zrak razlikovao od prirodnog, usvojeno je da se: prirodni zrak predstavlja pravom linijom, linearno polarizovani zrak čija se ravan oscilovanja poklapa sa ravni crteža predstavlja kao prava linija sa crtiacama, a ako je ravan oscilovanja normalna na ravan crteža, označava se pravom linijom sa tačkama.


Svetlost može biti delimično linearno polarizovana (kada sadrži talase pretežno sa svetlosnim vektorom orijentisanim u jednom pravcu, a manji broj u ostalim pravcima), kao i cirkularno i eliptično plarizovana. Linearno polarizovana svetlost se može dobiti na više načina kao što su: odbijanje, dvojno prelamanje, selektivna apsorpcija rasejanjem, prolaskom svetlosti ili njenim prelamanjem kroz optički anizotropna tela ( ona tela čija su optička svojstva (brzina prostiranja svetlosti, indeks prelamanja i dr.) različita u različitim pravcima) itd.

Polarizacija svetlosti odbijanjem

 Kada se svetlosni zrak spusti pod izvesnim uglom a na graničnu površinu vazduh-providna sredina, on se jednim delom odbija, a drugim prelama na osnovu zakona prelamanja, odnosno odbijanja. Odbijeni i prelomljeni zrak su pri tome delimično linearno polarizovani, a njihove ravni polarizacije stoje medjusobno normalno ( odbijeni zrak je polarizovan u ravni koja je normalna na upadnu ravan, dok je prelomljeni zrak polarizovan u ravni koja je paralelna upadnoj ravni.

Dvojno prelamanje

Ako se slova posmatraju kroz kristal islandskog kalcita, CaCO3, vide se udvojena. Obrtanjem krostala jedna slika miruje, dok se druga obrće u krug zajedno sa kristalom. Ista se pojava opaža, ako se uzak snop paralelne svetlosti propusti kroz kristal islandskog kalcita. Na zaklonu se vede dva lika: jedan u prvobitnom pravcu, a drugi pomeren u stranu. Obrtanjem kristala oko zraka ovaj ostaje nepokretan, a drugi se obrće oko njega. Iz ovoga se može zaključiti da kristal deli prirodan zrak na dva dela, zraka koji se različito prelamaju. Prvi se prelama po zakonima prelamanja i naziva se redovan zrak, a drugi odstupa od ovih zakona i naziva se neredovan zrak.
Ako se kroz kristal propusti linearno polarizovana svetlost, likovi su u opštem slučaju, različitog intenziteta. Obrtanjem kristala za 360 stepeni, intenzitet likova se menja od maksimalne vrednosti do gašenja i to tako da je jedan ugašen, kada drugi ima maksimalan intenzitet. Iz ove se analize može ustanoviti da su oba zraka, redovan i neredovan, linearno polarizovana i da su njihove polarizacione ravni medjusobno normalne.
Dvojno prelamaju islandski kalcit, turmalin, kvarc, herapatit i mnogi drugi providni kristali.

 Pojave dvojnog prelamanja su posledice kristalne strukture. Optičke osobine kristala nisu u svim pravcima jednake, i brzina svetlosti zavisi od pravca svetlosnog zraka u kristalu. Jedino u pravcu optičke ose kristala redovan i neredovan zrak imaju jednaku brzinu, a u svim ostalim pravcima njihove su brzine različite. Prema tome i indeks prelamanja je u pom slučaju jednak za oba zraka u pravcu optičke ose, a tada se, logično, upadni zrak ne udvaja.
Prema Hajgensu, šematski su prikazave (prva slika) brzine redovnog i neredovnog zraka iz jedne tačke 0 u kristalu kalcita. Kako su te brzine različite na sl. krug i elipsa predstavljaju preseke površine lopte i rotacionog elipsoida do kojih su dospeli talasi redovnog i neredovnog zraka. Loptasta površina pripada redovnom, a elipsoidna neredovnom zraku.
U pravcu optičke ose talasi redovnog i neredovnog zraka stižu do jednake udaljenosti (pravac ose ne treba zameniti sa pravom). Prema tome, u pravcu ose oba zraka imaju jednaku brzinu. Kao što se vidi redovan zrak ima u svim pravcima jednaku brzinu, i njegove su talasne površine sferne. On se ponaša po zakonu prelamanja i njegov indeks prelamanja (1,65) je konstantan za svaki upadni ugao.
Brzina neredovnog zraka je promenljiva, njegove talasne površine su elipsoidi. Jasno je i da je njegov indeks prelamanja promenljiv. Najveća vrednost indeksa prelamanja je u slučaju kada zrak prolazi paralelno optičkoj osi, ona je tada jednaka vrednosti indeksa prelamanja redovnog zraka (1,65). Najmanji indeks prelamanja javlja se u slučaju kada je pravac upadnog zraka normalan na pravac optičke ose. Prema tome, indeks prelamanja neredovnog zraka zavisi od upadnog ugla i u slučaju kada svetlost pada u pravcu optičke ose (prva slika), jedino se onda zrak ne deli.
Kristali koji imaju jednaku optičku osu nazivaju se jednoosni ( kristali tetragonalnog i heksagonalnog sistema). Znači, kristal islandskog kalcita je optički jednoosan.
Kristali koji imaju dve optičke ose, a to znači da imaju dva pravca u kojima je brzina prostiranja jednaka, nazivaji se optički dvoosni. Takvu osobinu imaju kristali rombičnog i monokliničkog sistema. Nijedan od dva razdeljena zraka se ne ponaša po Dekart-Snelijusuvom zakonu prelamanja. Kod kristala islandskog kalcita zapaža se da je brzina prostiranja veća, a indeks prelamanja manji, za neredovni zrak u odnosu na redovni (prva slika).

 Postoje jednoosni kristali, npr. kvarc kod kojih je stvarna brzina redovnog zraka veća, a njegov indeks prelamanja manji u odnosu na neredovan zrak. U prvom slučaju kristali pokazuju negativno dvojno prelamanje (prva slika), a u drugom slučaju pozitivno (druga slika). Dvojnim prelamanjem prirodne svetlosti dobijaju se linearno polarizovani izlazni zraci, kod kojih su ravni oscilovanja redovnog i neredovnog zraka medjusobno normalne (treća slika). Kako su izlazni zraci blizu jkedan drugom, da bi se polarizovana svetlost dobijena dvojnim prelamanjem mogla koristiti, jedan od ova dva zraka mora se ukloniti.

1. Nikolova prizma. Otklanjanjem jednog od dva zraka engleski fizičar Nikol je postigao pomoću prizme, koja je po njemu nazvana Nikolova prizma. Osnove kristala islandskog kalcita se izbruse tako da se bočnim stranama obrazuje ugao od 68 stepeni. Kristal se zatim prereže po ravno Ac koja je normalna na obe osnove. Na slici je prikazan uzdužan presek Nikolove prizme.

Kada na ovakvu prizmu pada prirodan zrak, tada se deli na redovan i neredovan. Indeks prelamanja za redovan zrek je veći (1,658), a za neredovan je manji (1,468) od indeksa prelamanja kanada-balzama (1,53). Kako redovan zrak pada na kanada-balzam pod većim upadnim uglom od graničnog ugla (68 stepeni), on se od sloja kanada-balzama totalno reflektuje i odvaja od neredovnog zraka. Prema indeksu prelamanja (1,658) redovnog zraka vidi se da je kalcit za njega optički gušća sredina od kanada balzama, zbog čega i dolazi do totalne refleksije. Neredovan zrak za koji je kalcit optički redja sredina od kanada-balzama, prolazi kroz prizmu i kao linearno polarizovan izlazi iz nje. Redovan zrak je apsorbovan slojen crne boje kojom je premazana prizma. Na ovaj se način, dvojnim prelamanjem, dobija linearno polarizovana svetlost.
Neki kristali (turmalin, hepatit, jod-kinin i dr.), pored dvojnog prelamanja, imaju osobinu da jedan polarizovani zrak više apsorbuju od drugog, pa se na taj način takodje može dobiti polarizovana svetlost.
Optički sistem koji polarizuje prirodnu svetlost naziva se polarizator, a sistem kojim se utvrdjuje da je svetlost polarizovana naziva se analizator. Ako je osa analizatora paralelna osi polarizatora polarizovana svetlost prolazi kroz analizator. Kada ose polarizatora i analizatora obrazuju prav ugao (ukršteni položaji), polarizovana svetlost ne može da prodje kroz analizator, jer je u celini apsorbovana u amalizatoru. Kada su ose polarizatora i analizatora pod proizvoljnim uglom f, kroz analizator prolazi samo deo svetlosti. Zavisnost intenziteta svetlosti propuštene kroz analizator od ugla obrtanja analizatora f data je relacijom:

I = I0 cos f

Polarizacija pomoću selektivne apsorpcije. Polaroidi

 Izvesni kristali (npr. turmalin) imaju osobonu da osim razlaganja svetlosti u redovan i neredovan zrak pokazuju i znatno veću apsorbciju za jedan od njih. Ova pojava se naziva selektivna apsorpcija (dihroizam). Zrak prirodne svetlosti (nepolarizovane) se probija kroz kristal, u kojem se javlja dvojno prelamanje. Redovan zrak, ukoliko je put kroz kristal dovoljno dug, biva potpuno apsorbovan., a neredovan prolazi kroz kristal veoma malo apsorbovan. Na taj se način na izlaznoj strani kristala pretežno dobija jedan polarizovan zrak.
Za dobijanje polarizovane svetlosti često se koriste polaroidi. Polaroid sačinjava prozračan tanak film od želatina, u kojem su posebnim tehnološkim postupkom ugradjeni veoma sitni igličasti kristali herapatita (kristala kinin-jodsulfata). Iako ovi polaroidi daju samo približno linearno polarizovanu svetlost, njihova je svetlost u tome što se mogu izraditi u dovoljno velikim dimenzijama i ekonomičniji su za praktičan rad.

Obrtanje polarizacione ravni. Optička aktivnost

 Gledajući kroz ukržtene Nikolove prizme monohromatsku svetlost, posmatrano polje je tamno. Ako se izmedju njih stavi pločica od kvarca, sečena okomito na optičku osu, polje posmatranja postaje svetlo. Da bi se gašenje ponovo postiglo, analizator se mora obrnuti za izvestan ugao a. To znači da je svetlost koja prolazi kroz pločicu ostala linearno polarizovana, ali da se ravan oscilivanja, odnosno polarizaciona ravan u kvarcu obrnula za izvestan ugao a. Taj se ugao naziva ugao obrtanja /rotacije) i on zavisi od debljine pločice i od talasne dužine svetlosti.
Osobinu obrtanja polarizacione ravni osim kvarca imaju i neki drugi kristali, zatim rastvori organskih materijala, na primer šećera, vinske kiseline itd.Takvi se materijali nazivaju optički aktivne supstance. Neke od ovih supstanci obrću polarizacionu ravan udesno, a neke ulevo, računajući smer obrtanja prema tome u koju se stranu obrće analizator, da posmatrano polje bude ponovo tamno. Neki kristali kvarca imaju desnu (desni kvarc), a neki levu rotaciju (levi kvarc). 
 Obrtanje ravni oscilovanja nastaje usled asimetruje molekula kod optički aktivnih supstanci. Asimetrička organska jedinjenja sadrži atom ugljenika kod kojeg su za četiri veze vezane različite funkcionalne grupe, kao na primer, kod mlečne kiseline (CH3-CHOH-COOH), grupe COOH, OH, CH3
i H.
 

 Ako se umesto monohromatske svetlosti propusti bela svetlost kroz pločicu kvarca, svakoj talasnoj dužini odgovara drugi ugao obrtanja, i prema tome, dobija se, za različite položaje analizatora različito vidno polje. Najmanji je ugao nza crvenu (za kristal kvarca iznosi 15 stepeni), a najveći za ljubičastu (za kristal kvarca iznosi 50 stepeni) svetlost (slično prelamanju kroz prizmu). Na slici je prikazan ugao obrtanja polarizacione ravni različitih talasnih dužina (crvene, žute, ..., ljubičaste) svetlosti, koja prolazi kroz desni kristal debljine 1mm. OA je polarizaciona ravan bele svetlosti.
Obrtanjem analizatora za odredjeni ugao gasi se odgovarajućih boja i polje je obojeno komplementarnom bojom. Ova se pojava naziva rotaciona disperzija. Zavisnost ugla obrtanja od talasne dužine svetlosti slična je onoj za indeks prelamanja svetlosti. Ako se ugao obrtanja ravni polarizuje po jedinici dužine koju svetlost prodje kroz kristal označi kao specifična moć rotacije i obeleži sa a, tada je:

[a] = M + N/l

gde su M i N konstante (date u tablicama).
Ugao obrtanja ravni polarizacije monohromatske svetlosti je srazmeran dužini puta kroz optički aktivno telo. U čvrstim telima, na primer, ugao obrtanja f je direktno srazmeran dužini d puta svetlosti:

f = [a]d

Specifična moć rotacije [a] zavisi od prirode supstance, temperature i talasne dužine svetlosti. Za rastvore optički aktivnih supstanci važi relacija:

f=[a]cd

gde je c koncentracija optički aktivne supstance u rastvoru.
Merenje ugla obrtanja ima značajnu praktičnu primenu. Na ovaj se način odredjuje koncentracija aktivne supstance u rastvoru. Uredjaj za merenje se naziva polarimetar. Uredjaji čija je skala kalibrisana da direktno može da meri koncentraciju, na primer, rastvora šećera, nazivaju se saharimetri.

 
Literatura:

• Opšti kurs fizike, Beograd 1990. Dr Jevrem Jarić, Dr Nikola Cindro, Dr Ištvan Bikit
• Fizika, Zrenjanin 2003. Dr Vjekoslav Sajfert
• Internet stranice www.google.co.yu 

  preuzmi seminarski rad u wordu » » »

Besplatni Seminarski Radovi