È difficile individuare chi sia stato il primo a scoprire la luce polarizzata. Gli antichi potevano notare un punto particolare guardando il cielo in determinate direzioni. La polarizzazione ha molte stranezze, si manifesta in diversi ambiti della vita e oggi è oggetto di ricerca e applicazione di massa, la ragione di tutto è la legge di Malus.
Scoperta della luce polarizzata
I vichinghi potrebbero aver usato la polarizzazione del cielo per navigare. Anche se non l'hanno fatto, hanno sicuramente trovato l'Islanda e la meravigliosa pietra di calcite. Lo spato islandese (calcite) era conosciuto anche ai loro tempi, è agli abitanti dell'Islanda a cui deve il suo nome. Il minerale era una volta utilizzato nella navigazione grazie alle sue proprietà ottiche uniche. Ha svolto un ruolo importante nella moderna scoperta della polarizzazione e continua ad essere il materiale preferito per separare le componenti di polarizzazione della luce.
Nel 1669, il matematico danese dell'Università di Copenaghen, Erasmus Bartholinus, non solo vide una doppia luce, ma condusse anche alcuni esperimenti, scrivendo una memoria di 60 pagine. Questo èè stata la prima descrizione scientifica dell'effetto di polarizzazione e l'autore può essere considerato lo scopritore di questa straordinaria proprietà della luce.
Christian Huygens sviluppò la teoria della luce delle onde pulsate, che pubblicò nel 1690 nel suo famoso libro Traite de la Lumiere. Allo stesso tempo, Isaac Newton avanzò la teoria corpuscolare della luce nel suo libro Opticks (1704). Alla fine, entrambi avevano ragione e torto, poiché la luce ha una duplice natura (onda e particella). Eppure Huygens era più vicino alla comprensione moderna del processo.
Nel 1801, Thomas Young fece il famoso esperimento di interferenza della doppia fenditura. Dimostrato che la luce si comporta come le onde e la sovrapposizione delle onde può portare all'oscurità (interferenza distruttiva). Ha usato la sua teoria per spiegare cose come gli anelli di Newton e gli archi arcobaleno soprannaturali. Un passo avanti nella scienza arrivò alcuni anni dopo, quando Jung dimostrò che la polarizzazione è dovuta alla natura dell'onda trasversale della luce.
Il giovane Etienne Louis Malus visse in un'era turbolenta, durante la Rivoluzione francese e il regno del terrore. Partecipò con l'esercito di Napoleone all'invasione dell'Egitto, della Palestina e della Siria, dove contrasse la peste che lo uccise pochi anni dopo. Ma è riuscito a dare un contributo importante alla comprensione della polarizzazione. La legge di Malus, che prevedeva l'intensità della luce trasmessa attraverso un polarizzatore, è diventata una delle più popolari nel 21° secolo nella creazione di schermi a cristalli liquidi.
Sir David Brewster, famoso scrittore di scienze, ha studiato materie di fisica ottica come il dicroismo e gli spettriassorbimento, così come soggetti più popolari come la fotografia stereo. La famosa frase di Brewster è nota: "Tutto è trasparente tranne il vetro".
Ha anche dato un contributo inestimabile allo studio della luce:
- La legge che descrive l'"angolo di polarizzazione".
- L'invenzione del caleidoscopio.
Brewster ha ripetuto gli esperimenti di Malus per molte gemme e altri materiali, scoprendo un'anomalia nel vetro, e ha scoperto la legge - "L'angolo di Brewster". Secondo lui, "… quando il raggio è polarizzato, il raggio riflesso forma un angolo retto con il raggio rifratto."
Legge di polarizzazione di Malus
Prima di parlare di polarizzazione, dobbiamo prima ricordare la luce. La luce è un'onda, anche se a volte è una particella. Ma in ogni caso, la polarizzazione ha senso se pensiamo alla luce come a un'onda, a una linea, mentre viaggia dalla lampada agli occhi. La maggior parte della luce è un pasticcio misto di onde luminose che vibrano in tutte le direzioni. Questa direzione di oscillazione è chiamata polarizzazione della luce. Il polarizzatore è il dispositivo che pulisce questo pasticcio. Accetta tutto ciò che mescola la luce e lascia passare solo la luce che oscilla in una particolare direzione.
La formulazione della legge di Malus è: quando una luce polarizzata completamente piatta cade sull'analizzatore, l'intensità della luce trasmessa dall'analizzatore è direttamente proporzionale al quadrato del coseno dell'angolo tra gli assi di trasmissione dell'analizzatore e il polarizzatore.
Un'onda elettromagnetica trasversale contiene sia un campo elettrico che uno magnetico e il campo elettrico in un'onda luminosa è perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda luminosa. La direzione della vibrazione luminosa è il vettore elettrico E.
Per un normale raggio non polarizzato, il vettore elettrico continua a cambiare direzione in modo casuale quando la luce passa attraverso una polaroid, la luce risultante è polarizzata in piano con il suo vettore elettrico che vibra in una certa direzione. La direzione del vettore del raggio emergente dipende dall'orientamento della polaroid e il piano di polarizzazione è progettato come un piano contenente il vettore E e il raggio di luce.
La figura sotto mostra una luce polarizzata piatta dovuta al vettore verticale EI e al vettore orizzontale EII.
La luce non polarizzata passa attraverso una Polaroid P 1 e poi attraverso una Polaroid P 2, formando un angolo θ con y ax-s. Dopo che la luce che si propaga lungo la direzione x è passata attraverso la Polaroid P 1, il vettore elettrico associato alla luce polarizzata vibrerà solo lungo l'asse y.
Ora se lasciamo che questo raggio polarizzato passi di nuovo attraverso il polarizzato P 2, formando un angolo θ con l'asse y, allora se E 0 è l'ampiezza del campo elettrico incidente su P 2, allora l'ampiezza di l'onda in uscita da P 2, sarà uguale a E 0 cosθ e, quindi, l'intensità del fascio emergente sarà secondo la Legge di Malus (formula) I=I 0 cos 2 θ
dove I 0 è l'intensità del raggio che emerge da P 2 quando θ=0θ è l'angolo tra i piani di trasmissione dell'analizzatore e il polarizzatore.
Esempio di calcolo dell'intensità luminosa
Legge di Malus: I 1=I o cos 2 (q);
dove q è l'angolo tra la direzione di polarizzazione della luce e l'asse di trasmissione del polarizzatore.
La luce non polarizzata con intensità I o=16 W/m 2 cade su una coppia di polarizzatori. Il primo polarizzatore ha un asse di trasmissione allineato ad una distanza di 50° dalla verticale. Il secondo polarizzatore ha l'asse di trasmissione allineato a una distanza di 20o dalla verticale.
Un test della legge di Malus può essere eseguito calcolando l'intensità della luce quando emerge dal primo polarizzatore:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
La luce non è polarizzata, quindi I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensità della luce dal secondo polarizzatore:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Seguita dalla Legge di Malus, la cui formulazione conferma che quando la luce lascia il primo polarizzatore, viene polarizzata linearmente a 50°. L'angolo tra questo e l'asse di trasmissione del secondo polarizzatore è di 30[deg.]. Pertanto:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Ora la polarizzazione lineare di un raggio di luce con un'intensità di 16 W/m 2 cade sulla stessa coppia di polarizzatori. La direzione di polarizzazione della luce incidente è 20o dalla verticale.
Intensità della luce che esce dal primo e dal secondo polarizzatore. Passando attraverso ciascun polarizzatore, l'intensità diminuisce di un fattore 3/4. Dopo aver lasciato il primo polarizzatorel'intensità è 163/4 =12 W/m2 e diminuisce a 123/4 =9 W/m2 dopo aver superato il secondo.
La polarizzazione della legge malusiana dice che per girare la luce da una direzione di polarizzazione all' altra, la perdita di intensità viene ridotta utilizzando più polarizzatori.
Supponiamo di dover ruotare la direzione di polarizzazione di 90o.
| N, numero di polarizzatori | Angolo tra polarizzatori successivi | I 1 / I o |
| 1 | 90 o | 0 |
| 2 | 45 o | 1/2 x 1/2=1/4 |
| 3 | 30 o | 3/4 x 3/4 x 3/4=27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 o / N)] N |
Calcolo dell'angolo di riflessione del Brewster
Quando la luce colpisce una superficie, parte della luce viene riflessa e parte di essa penetra (rifratta). La quantità relativa di questa riflessione e rifrazione dipende dalle sostanze che passano attraverso la luce, nonché dall'angolo con cui la luce colpisce la superficie. Esiste un angolo ottimale, a seconda delle sostanze, che permette alla luce di rifrangersi (penetrare) il più possibile. Questo angolo ottimale è noto come l'angolo del fisico scozzese David Brewster.
Calcola l'angoloBrewster per la normale luce bianca polarizzata è prodotto dalla formula:
theta=arctan (n1 / n2), dove theta è l'angolo di Brewster e n1 e n2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi.
Per calcolare l'angolo migliore per la massima penetrazione della luce attraverso il vetro - dalla tabella dell'indice di rifrazione troviamo che l'indice di rifrazione per l'aria è 1.00 e l'indice di rifrazione per il vetro è 1.50.
L'angolo di Brewster sarebbe arctan (1.50 / 1.00)=arctan (1.50)=56 gradi (circa).
Calcolo del miglior angolo di luce per la massima penetrazione dell'acqua. Dalla tabella degli indici di rifrazione segue che l'indice di rifrazione dell'aria è 1,00 e l'indice di rifrazione dell'acqua è 1,33.
L'angolo di Brewster sarebbe arctan (1.33 / 1.00)=arctan (1.33)=53 gradi (circa).
Uso di luce polarizzata
Un semplice profano non può nemmeno immaginare quanto intensamente vengano utilizzati i polarizzatori nel mondo. La polarizzazione della luce della legge di Malus ci circonda ovunque. Ad esempio, cose popolari come gli occhiali da sole Polaroid e l'uso di speciali filtri polarizzanti per gli obiettivi delle fotocamere. Vari strumenti scientifici utilizzano luce polarizzata emessa da laser o da lampade a incandescenza polarizzate e sorgenti fluorescenti.
I polarizzatori vengono talvolta utilizzati nell'illuminazione di stanze e palchi per ridurre l'abbagliamento e fornire un'illuminazione più uniforme e come occhiali per dare un senso visibile di profondità ai film 3D. Polarizzatori incrociati ancheutilizzato nelle tute spaziali per ridurre drasticamente la quantità di luce che entra negli occhi di un astronauta durante il sonno.
I segreti dell'ottica in natura
Perché cielo blu, tramonto rosso e nuvole bianche? Queste domande sono note a tutti fin dall'infanzia. Le leggi di Malus e Brewster forniscono spiegazioni per questi effetti naturali. Il nostro cielo è davvero colorato, grazie al sole. La sua luce bianca brillante ha tutti i colori dell'arcobaleno incorporati all'interno: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e viola. In determinate condizioni, una persona incontra un arcobaleno, un tramonto o una grigia tarda serata. Il cielo è blu a causa della "diffusione" della luce solare. Il colore blu ha una lunghezza d'onda più corta e più energia rispetto ad altri colori.
Di conseguenza, il blu viene assorbito selettivamente dalle molecole d'aria e quindi rilasciato di nuovo in tutte le direzioni. Altri colori sono meno sparsi e quindi solitamente non visibili. Il sole di mezzogiorno è giallo dopo aver assorbito il suo colore blu. All'alba o al tramonto, la luce solare entra con un angolo basso e deve passare attraverso un grande spessore dell'atmosfera. Di conseguenza, il colore blu è completamente sparso, in modo che la maggior parte di esso sia completamente assorbita dall'aria, perdendosi e disperdendo altri colori, in particolare arancioni e rossi, creando un glorioso orizzonte cromatico.
I colori della luce solare sono anche responsabili di tutte le sfumature che amiamo sulla Terra, che sia verde erba o turchese dell'oceano. La superficie di ogni oggetto seleziona i colori specifici che rifletterà perdistinguerti. Le nuvole sono spesso di un bianco brillante perché sono ottimi riflettori o diffusori di qualsiasi colore. Tutti i colori restituiti vengono sommati al bianco neutro. Alcuni materiali riflettono tutti i colori in modo uniforme, come latte, gesso e zucchero.
L'importanza della sensibilità alla polarizzazione in astronomia
Per molto tempo, lo studio della legge di Malus, l'effetto della polarizzazione in astronomia è stato ignorato. Starlight è quasi completamente non polarizzato e può essere utilizzato come standard. La presenza della luce polarizzata in astronomia può dirci come è stata creata la luce. In alcune supernove, la luce emessa non è non polarizzata. A seconda della parte della stella osservata, si può notare una diversa polarizzazione.
Queste informazioni sulla polarizzazione della luce da diverse regioni della nebulosa potrebbero fornire ai ricercatori indizi sulla posizione della stella in ombra.
In altri casi, la presenza di luce polarizzata può rivelare informazioni sull'intera parte della galassia invisibile. Un altro uso delle misurazioni sensibili alla polarizzazione in astronomia è rilevare la presenza di campi magnetici. Studiando la polarizzazione circolare di colori molto specifici di luce emanati dalla corona del sole, gli scienziati hanno scoperto informazioni sull'intensità del campo magnetico in questi luoghi.
Microscopia ottica
Il microscopio a luce polarizzata è progettato per osservare e fotografare campioni visibili attraversola loro natura otticamente anisotropa. I materiali anisotropi hanno proprietà ottiche che cambiano con la direzione di propagazione della luce che li attraversa. Per svolgere questo compito, il microscopio deve essere dotato sia di un polarizzatore posizionato nel percorso della luce da qualche parte davanti al campione, sia di un analizzatore (secondo polarizzatore) posizionato nel percorso ottico tra l'apertura posteriore dell'obiettivo e i tubi di osservazione o la porta della fotocamera.
Applicazione della polarizzazione in biomedicina
Questa tendenza popolare oggi si basa sul fatto che nel nostro corpo ci sono molti composti otticamente attivi, cioè possono ruotare la polarizzazione della luce che li attraversa. Vari composti otticamente attivi possono ruotare la polarizzazione della luce in quantità e direzioni diverse.
Alcune sostanze chimiche otticamente attive sono presenti in concentrazioni più elevate nelle prime fasi della malattia degli occhi. I medici potrebbero potenzialmente utilizzare questa conoscenza per diagnosticare malattie degli occhi in futuro. Si può immaginare che il medico faccia brillare una sorgente di luce polarizzata nell'occhio del paziente e misuri la polarizzazione della luce riflessa dalla retina. Usato come metodo non invasivo per testare le malattie degli occhi.
Il dono della modernità - Schermo LCD
Se guardi da vicino lo schermo LCD, noterai che l'immagine è una vasta gamma di quadrati colorati disposti in una griglia. In essi trovarono applicazione la legge di Malo,la fisica del processo che ha creato le condizioni quando ogni quadrato o pixel ha il suo colore. Questo colore è una combinazione di luce rossa, verde e blu in ciascuna intensità. Questi colori primari possono riprodurre qualsiasi colore che l'occhio umano può vedere perché i nostri occhi sono tricromatici.
In altre parole, approssimano specifiche lunghezze d'onda della luce analizzando l'intensità di ciascuno dei tre canali di colore.
I display sfruttano questa lacuna visualizzando solo tre lunghezze d'onda che mirano selettivamente a ciascun tipo di recettore. La fase dei cristalli liquidi esiste nello stato fondamentale, in cui le molecole sono orientate in strati, e ogni strato successivo si attorciglia leggermente per formare uno schema elicoidale.
Display LCD a 7 segmenti:
- Elettrodo positivo.
- Elettrodo negativo.
- Polarizzatore 2.
- Visualizza.
- Polarizzatore 1.
- Cristallo liquido.
Qui il display LCD si trova tra due lastre di vetro, dotate di elettrodi. LCD di composti chimici trasparenti con "molecole contorte" chiamate cristalli liquidi. Il fenomeno dell'attività ottica in alcune sostanze chimiche è dovuto alla loro capacità di ruotare il piano della luce polarizzata.
Film Stereoopsis 3D
La polarizzazione consente al cervello umano di simulare il 3D analizzando le differenze tra due immagini. Gli esseri umani non possono vedere in 3D, i nostri occhi possono vedere solo in 2D. Immagini. Tuttavia, il nostro cervello può dare un senso alla distanza degli oggetti analizzando le differenze in ciò che ogni occhio vede. Questo processo è noto come Stereopsis.
Poiché il nostro cervello può vedere solo pseudo-3D, i registi possono utilizzare questo processo per creare l'illusione delle tre dimensioni senza ricorrere agli ologrammi. Tutti i filmati 3D funzionano fornendo due foto, una per ciascun occhio. Negli anni '50, la polarizzazione era diventata il metodo dominante di separazione delle immagini. I cinema iniziarono ad avere due proiettori funzionanti simultaneamente, con un polarizzatore lineare su ciascuna lente.
Per l'attuale generazione di film in 3D, la tecnologia è passata alla polarizzazione circolare, che si occupa del problema dell'orientamento. Questa tecnologia è attualmente prodotta da RealD e rappresenta il 90% del mercato 3D. RealD ha rilasciato un filtro circolare che commuta molto rapidamente tra la polarizzazione in senso orario e antiorario, quindi viene utilizzato un solo proiettore invece di due.
