Polarisiertes und natürliches Licht. Der Unterschied zwischen polarisiertem Licht und natürlichem

Wellen sind von zweierlei Art. Bei longitudinalen oszillatorischen Störungen ist parallel zur Richtung ihrer Ausbreitung. Ein Beispiel ist der Durchgang von Schall in der Luft. Die Transversalwellen bestehen aus Störungen, die in einem Winkel von 90 ° zur Verschieberichtung stehen. So verursacht zum Beispiel eine Welle, die horizontal durch eine Wassermasse hindurchgeht, vertikale Schwingungen auf ihrer Oberfläche.

Die Entdeckung des Phänomens

Eine Reihe von mysteriösen optischen Effekten beobachtet inEnglisch: www.dlr.de/en/DesktopDefault.aspx/t...mage.1.3575/ In der Mitte des 17. Jahrhunderts wurde erklärt, wann polarisiertes und natürliches Licht als Wellenphänomen zu gelten begann und die Richtungen seiner Schwingungen entdeckt wurden. Der erste sogenannte Polarisationseffekt wurde 1669 vom dänischen Arzt Erasmus Bartolin entdeckt. Der Wissenschaftler beobachtete Doppelbrechung oder Doppelbrechung in Island-Spar oder Calcit (die kristalline Form von Calciumcarbonat). Wenn Licht Calcit passiert, spaltet der Kristall es auf und erzeugt zwei Bilder, die relativ zueinander verschoben sind.

Newton wusste von diesem Phänomen und schlug vor,vielleicht haben die Korpuskeln des Lichts Asymmetrie oder "Einseitigkeit", was die Ursache für die Entstehung von zwei Bildern sein könnte. Huygens, ein Newton-Zeitgenosse, war in der Lage, die Doppelbrechung seiner Theorie der Elementarwellen zu erklären, aber er verstand die wahre Bedeutung des Effekts nicht. Die Doppelbrechung blieb ein Geheimnis, bis Thomas Young und der französische Physiker Augustin-Jean Fresnel darauf hinwiesen, dass Lichtwellen transversal sind. Eine einfache Idee machte es möglich zu erklären, was polarisiertes und natürliches Licht ist. Dies lieferte eine natürliche und unkomplizierte Grundlage für die Analyse von Polarisationseffekten.

Doppelbrechung wird durch eine Kombination von zwei verursachtsenkrechte Polarisationen, von denen jede ihre eigene Wellengeschwindigkeit hat. Aufgrund des Geschwindigkeitsunterschieds haben die beiden Komponenten unterschiedliche Brechungsindizes und werden daher durch das Material unterschiedlich gebrochen, wodurch zwei Bilder erzeugt werden.

Polarisiertes und natürliches Licht: Maxwells Theorie

Fresnel entwickelte schnell ein umfassendes ModellTransversalwellen, die zu Doppelbrechung und einer Reihe anderer optischer Effekte führten. Vierzig Jahre später erklärte Maxwells elektromagnetische Theorie elegant die transversale Natur des Lichts.

Maxwells elektromagnetische Wellen bestehen ausmagnetische und elektrische Felder, die senkrecht zur Verschiebungsrichtung oszillieren. Die Felder stehen in einem Winkel von 90 ° zueinander. In diesem Fall bilden die Ausbreitungsrichtungen der magnetischen und elektrischen Felder ein rechtshändiges Koordinatensystem. Für eine Welle mit Frequenz f und Länge λ (sie sind durch eine Abhängigkeit verbunden λf = s), die sich in positiver x-Richtung bewegt, werden die Felder mathematisch beschrieben:

• E (x, t) = E₀cos (2πx / λ - 2πft) y ^;
• B (x, t) = B₀cos (2πx / λ - 2πft) z ^.

Die Gleichungen zeigen, dass die elektrischen und magnetischen Felder in Phase miteinander sind. Zu jedem Zeitpunkt erreichen sie gleichzeitig ihre maximalen Werte im Raum gleich E₀ und B₀. Diese Amplituden sind nicht unabhängig. Die Maxwell-Gleichungen zeigen, dass E₀ = cB₀ für alle elektromagnetischen Wellen im Vakuum.

Richtungen der Polarisation

In der Beschreibung der Ausrichtung der magnetischen und elektrischenFelder von Lichtwellen zeigen normalerweise nur die Richtung des elektrischen Feldes an. Der Vektor des Magnetfeldes wird bestimmt durch das Erfordernis der Rechtwinkligkeit der Felder und ihrer Rechtwinkligkeit zur Bewegungsrichtung. Natürliches und linear polarisiertes Licht zeichnet sich dadurch aus, dass bei ihm die Felder in festen Richtungen schwingen, wenn sich die Welle bewegt.

Andere Polarisationszustände sind möglich. Im Fall von zirkular rotieren die Vektoren der magnetischen und elektrischen Felder in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung mit einer konstanten Amplitude. Elliptisch polarisiertes Licht befindet sich in einer Zwischenposition zwischen linearer und zirkularer Polarisation.

Nicht polarisiertes Licht

Atome auf der Oberfläche eines erhitzten Glühfadens,die elektromagnetische Strahlung erzeugen, wirken unabhängig voneinander. Jede Strahlung kann annähernd in Form von kurzen Zügen von 10 Jahren modelliert werden^-9 bis 10^-8 Sekunden. Die vom Faden ausgehende elektromagnetische Welle ist eine Überlagerung dieser Züge, von denen jede ihre eigene Polarisationsrichtung hat. Die Summe der zufällig ausgerichteten Züge bildet eine Welle, deren Polarisationsvektor schnell und zufällig variiert. Eine solche Welle wird als unpolarisiert bezeichnet. Alle natürlichen Lichtquellen, einschließlich der Sonne, Glühlampen, Leuchtstofflampen und Flammen, erzeugen eine solche Strahlung. Allerdings ist natürliches Licht aufgrund von Mehrfachstreuung und Reflexion oft teilweise polarisiert.

Der Unterschied zwischen polarisiertem Licht und natürlichem Licht besteht also darin, dass im ersten Fall die Schwingungen in einer Ebene erfolgen.

Quellen für polarisierte Strahlung

Polarisiertes Licht kann in hergestellt werdenFälle, wenn die räumliche Orientierung bestimmt ist. Ein Beispiel ist die Synchrotronstrahlung, bei der sich hochenergetische geladene Teilchen in einem Magnetfeld bewegen und polarisierte elektromagnetische Wellen emittieren. Es gibt viele bekannte astronomische Quellen, die natürlich polarisiertes Licht emittieren. Dazu gehören Nebel, Supernova-Überreste und aktive galaktische Kerne. Die Polarisation der kosmischen Strahlung wird untersucht, um die Eigenschaften ihrer Quellen zu bestimmen.

Polaroidfilter

Polarisiertes und natürliches Licht werden getrenntBeim Passieren einer Reihe von Materialien, von denen das häufigste das Polaroid ist, das von dem amerikanischen Physiker Edwin Land geschaffen wurde. Der Filter besteht aus langen Ketten von Kohlenwasserstoffmolekülen, die in einer Richtung durch einen Wärmebehandlungsprozess ausgerichtet sind. Moleküle absorbieren selektiv Strahlung, deren elektrisches Feld parallel zu ihrer Orientierung ist. Das aus dem Polaroid austretende Licht ist linear polarisiert. Sein elektrisches Feld steht senkrecht zur Orientierung der Moleküle. Polaroid hat in vielen Bereichen Anwendung gefunden, einschließlich Sonnenbrillen und Lichtfiltern, die die Wirkung von reflektiertem und gestreutem Licht reduzieren.

Natürliches und polarisiertes Licht: das Gesetz von Malus

Im Jahr 1808 entdeckte der Physiker Etienne-Louis Malius dasDas von nichtmetallischen Oberflächen reflektierte Licht ist teilweise polarisiert. Der Grad dieses Effekts hängt vom Einfallswinkel und vom Brechungsindex des reflektierenden Materials ab. In einem der extremen Fälle, wenn die Tangente des Einfallswinkels des Strahls in der Luft gleich dem Brechungsindex des reflektierenden Materials ist, wird das reflektierte Licht vollständig linear polarisiert. Dieses Phänomen ist bekannt als Brewster-Gesetz (benannt nach seinem Entdecker, schottischer Physiker David Brewster). Polarisationsrichtung parallel zur reflektierenden Oberfläche. Da in der Regel an horizontalen Oberflächen wie Straßen und Wasser eine Tageslichtblendung auftritt, werden bei Sonnenbrillen oft Filter eingesetzt, um horizontal polarisiertes Licht zu entfernen und damit gezielt Lichtreflexionen zu entfernen.

Rayleigh-Streuung

Lichtstreuung an sehr kleinen Objekten, Dimensionendie viel kleiner ist als die Wellenlänge (die sogenannte Rayleigh-Streuung nach dem englischen Wissenschaftler Lord Rayleigh), erzeugt ebenfalls eine partielle Polarisation. Wenn die Sonnenstrahlung die Erdatmosphäre durchdringt, wird sie von Luftmolekülen abgegeben. Die Erde erreicht ein diffuses, polarisiertes und natürliches Licht. Der Grad seiner Polarisation hängt vom Streuwinkel ab. Da eine Person nicht zwischen natürlichem und polarisiertem Licht unterscheidet, bleibt dieser Effekt in der Regel unbemerkt. Trotzdem reagieren die Augen vieler Insekten darauf und sie nutzen die relative Polarisation der Streustrahlung als Navigationsinstrument. Ein herkömmlicher Kamera-Lichtfilter, der verwendet wird, um Hintergrundstrahlung bei hellem Sonnenlicht zu reduzieren, ist ein einfacher linearer Polarisator, der das natürliche und polarisierte Rayleigh-Licht trennt.

Anisotrope Materialien

Polarisationseffekte werden optisch beobachtetanisotrope Materialien (bei denen der Brechungsindex mit der Polarisationsrichtung variiert), wie doppelbrechende Kristalle, bestimmte biologische Strukturen und optisch aktive Materialien. Technologische Anwendungen umfassen Polarisationsmikroskope, Flüssigkristallanzeigen und optische Instrumente für die Materialforschung.