ΠΟΛΩΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

ΠΟΛΩΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

ΠΟΛΩΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Όπως γνωρίζουμε το φως (όπως άλλωστε ολόκληρη η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) είναι εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά κύματα,τα οποία ξεκινούν από μία φωτεινή πηγή και κινούνται ευθύγραμμα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Το φως είναι εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά κύματα,τα οποία ξεκινούν από μία φωτεινή πηγή και κινούνται ευθύγραμμα προς όλες τις κατευθύνσεις

 Οι συνήθεις φωτεινές πηγές (π.χ. λαμπτήρας πυρακτώσεως,Ήλιος κτλ.) αποτελούνται από μεγάλο αριθμό ατόμων ή μορίων.Τα φωτεινά κύματα παράγονται από όλα τα άτομα και μόρια του υλικού που εκπέμπει το φως. Κάθε άτομο ή μόριο εκπέμπει ένα μεμονωμένο κύμα.

ΦΥΣΙΚΟ ΦΩΣ

 Σε κάθε τέτοιο κύμα το ηλεκτρικό πεδίο έχει διεύθυνση ταλάντωσης κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα 

 Η διεύθυνση ταλάντωσης και η διεύθυνση διάδοσης καθορίζουν ένα συγκεκριμένο επίπεδο ταλάντωσης για κάθε μεμονωμένο κύμα.

Στιγμιότυπο ηλεκτρομαγνητικού κύματος.Όπως γνωρίζουμε,το ηλεκτρομαγνητικό κύμα αποτελείται από δύο εγκάρσια κύματα κάθετα μεταξύ τους,ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό

 Καταλαβαίνουμε λοιπόν ότι:
 Το φυσικό φως είναι σύνθεση πολλών κυμάτων με διάφορα επίπεδα ταλάντωσης των ηλεκτρικών και μαγνητικών τους πεδίων και τυχαίες διευθύνσεις διάδοσης.

ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΦΩΣ

 Για να κατανοήσουμε το φαινόμενο της πόλωσης, αρκεί να περιοριστούμε στη μελέτη μόνο του ηλεκτρικού κύματος.
 Αν το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού πεδίου ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι σταθερό με το χρόνο,τότε το κύμα ονομάζεται γραμμικά πολωμένο.

Το φως είναι γραμμικά πολωμένο, όταν το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού του πεδίου έχει έναν καθορισμένο προσανατολισμό στο χώρο και μία καθορισμένη διεύθυνση διάδοσης

 Άρα:
 Το φως είναι γραμμικά πολωμένο,όταν το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού του πεδίου έχει έναν καθορισμένο προσανατολισμό στο χώρο και μία καθορισμένη διεύθυνση διάδοσης.

α) Το φυσικό φως και (β),(γ) το γραμμικά πολωμένο φως.

 Το φυσικό φως που δεχόμαστε απευθείας από μια φωτεινή πηγή,επειδή προέρχεται από πολλά άτομα ή μόρια,έχει πολλά επίπεδα ταλάντωσης και συνεπώς δεν είναι πολωμένο.

ΠΟΛΩΤΙΚΟ ΦΙΛΤΡΟ-ΠΟΛΩΤΗΣ

 Το φυσικό φως είναι δυνατόν,περνώντας από κατάλληλα φίλτρα (πολωτές) ή παθαίνοντας κατάλληλη ανάκλαση,να μετατραπεί σε γραμμικά πολωμένο φως.

Κυκλικό πολωμένο φως

 Για να κατανοήσουμε τι είναι ακριβώς το πολωτικό φίλτρο,ας παρακολουθήσουμε τη διαδικασία πόλωσης ενός μηχανικού κύματος.Θυμίζουμε ότι ένα από τα μηχανικά κύματα είναι και αυτό που παράγεται,όταν αναγκάζουμε την άκρη ενός σχοινιού να πάλλεται.Δημιουργούμε έτσι ένα εγκάρσιο κύμα,το οποίο διαδίδεται ακανόνιστα.Δηλαδή κάθε στοιχειώδες κομμάτι του σχοινιού πάλλεται σε διαφορετικά επίπεδα.

Πίσω από τη σχισμή το κύμα είναι πολωμένο  

 Αν παρεμβάλουμε ένα πέτασμα με κατακόρυφη σχισμή στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος,έτσι ώστε το σχοινί να διέρχεται από αυτό,τότε τα στοιχειώδη κομμάτια του σχοινιού που βρίσκονται μετά το πέτασμα πάλλονται σε ένα και μόνο επίπεδο,το χαρακτηριστικό επίπεδο που ορίζει η σχισμή με τη διεύθυνση διάδοσης.
 Η σχισμή στην παραπάνω διαδικασία αποτέλεσε το πολωτικό φίλτρο.
 Το φαινόμενο ονομάζεται πόλωση του μηχανικού κύματος.

Φυσικό φως διέρχεται από πολωτικό φίλτρο.Οι οριζόντιες ταλαντώσεις έχουν απορροφηθεί ολοσχερώς,ενώ οι κατακόρυφες μερικώς

 Για την πόλωση του φυσικού φωτός χρησιμοποιούμε ειδικά πολωτικά φίλτρα.Όταν το φως προσπέσει σε πολωτικό φίλτρο,τότε το φως που εξέρχεται από αυτό είναι πολωμένο.

Όταν το φως προσπέσει σε πολωτικό φίλτρο, τότε το φως που εξέρχεται από αυτό είναι πολωμένο

 Το επίπεδο ταλάντωσης είναι αυτό που καθορίζεται από το υλικό του φίλτρου.Τα κύματα με επίπεδο ταλάντωσης κάθετο προς το επίπεδο που καθορίζει το φίλτρο ανακόπτονται κατά μεγάλο ποσοστό.

Για οποιαδήποτε γωνία προσανατολισμού του επιπέδου πόλωσης το φωτοκύτταρο μετράει την ίδια ένταση φωτός και τη βρίσκει ίση ακριβώς με το μισό της έντασης τον προσπίπτοντος στο πλακίδιο του πολωτή

 Η συσκευή που περιέχει το πολωτικό φίλτρο ονομάζεται πολωτής.Είναι μια διάταξη κατασκευασμένη έτσι,ώστε να μπορούμε να στρέφουμε το πολωτικό φίλτρο,που έχει μορφή πλακιδίου,γύρω από άξονα κάθετο προς το επίπεδο του.

Έστω ότι έχουμε μια στοιχειώδη επιφάνεια ΔS,κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, που δέχεται συνεχώς ενέργεια ΔW σε χρόνο Δt.Το πηλίκο ΔW/Δt ονομάζεται ισχύς

 Με τον όρο «ένταση του προσπίπτοντος φωτός» εννοούμε την ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας. Ας το δούμε αναλυτικά:Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν ενέργεια, όπως για παράδειγμα η ακτινοβολία του Ήλιου και η ακτινοβολία των φούρνων μικροκυμάτων.Έστω λοιπόν ότι έχουμε μια στοιχειώδη επιφάνεια ΔS,κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, που δέχεται συνεχώς ενέργεια ΔW σε χρόνο Δt.Το πηλίκο ΔW/Δt ονομάζεται ισχύς.Η ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας ορίζεται ως ένταση του κύματος.
 Δηλαδή:

                                                                               I=ΔW/Δt/ΔS=P/ΔS

 Η μονάδα μέτρησης της έντασης στο S.I. είναι το:

                                                                               1 W/m²

 Αποδεικνύεται ότι η ένταση του κύματος είναι ανάλογη προς το τετράγωνο του πλάτους Ɛ0 του ηλεκτρικού πεδίου του κύματος.

 Ένας τέλειος πολωτής επιτρέπει τη διέλευση κατά 100% του προσπίπτοντος φωτός,όταν αυτό είναι πολωμένο στο επίπεδο πόλωσης του φίλτρου,και ανακόπτει τελείως τα κύματα φωτός που είναι πολωμένα σε διεύθυνση κάθετη προς το επίπεδο αυτό.Το επίπεδο πόλωσης του πολωτή είναι χαρακτηριστικό του πλακιδίου και η διεύθυνσή του καθορίζεται κάθε φορά από την περιστροφική λαβή,που βρίσκεται στην κορυφή του.Άρα,περιστρέφοντας τη λαβή,καθορίζουμε τη θέση του χαρακτηριστικού επιπέδου πόλωσης του πολωτή.

Διάφοροι πολωτές

 Έτσι,στο σχήμα,φυσικό φως προερχόμενο από λαμπτήρα πυρακτώσεως προσπίπτει σε έναν πολωτή.Το επίπεδο πόλωσης και η περιστροφική λαβή είναι σημειωμένα με μπλε χρώμα.Ο πολωτής επιτρέπει τη διέλευση μόνο των κυμάτων φωτός που έχουν ένταση ηλεκτρικού πεδίου παράλληλη προς το επίπεδο πόλωσης του πλακιδίου.Έτσι το φως που βγαίνει από τον πολωτή είναι γραμμικά πολωμένο παράλληλα προς το επίπεδο πόλωσης.Αν τώρα επιχειρήσουμε να μετρήσουμε την ένταση του εξερχόμενου φωτός με ένα φωτοκύτταρο,θα παρατηρήσουμε ότι,για οποιαδήποτε γωνία προσανατολισμού του επιπέδου πόλωσης,η ένταση του φωτός έχει την ίδια τιμή,η οποία μάλιστα είναι ίση με το μισό της έντασης του προσπίπτοντος φωτός.

ΣΥΝΔΙΑΣΜΟΣ ΔΥΟ ΠΟΛΩΤΙΚΩΝ ΦΙΛΤΡΩΝ-ΑΝΑΛΥΤΗΣ

 Ας υποθέσουμε όχι μεταξύ του φωτοκύτταρου και του πρώτου πολωτή τοποθετούμε ένα δεύτερο,όμοιο κατασκευαστικά.Το επίπεδο πόλωσης του πρώτου πολωτή έστω ότι παραμένει κατακόρυφο,ενώ του δεύτερου,τον οποίο ονομάζουμε αναλυτή,σχηματίζει γωνία φ με την κατακόρυφο.

Ο τέλειος αναλύτης επιτρέπει τη διέλευση μόνο της συνιστώσας του ηλεκτρικού πεδίου που είναι παράλληλη προς το χαρακτηριστικό επίπεδο πόλωσης του

 Αυτό σημαίνει ότι η γωνία μεταξύ των δύο επιπέδων πόλωσης είναι φ.Το τι θα συμβεί κατά τη διέλευση του πολωμένου φωτός από τον αναλύτη εξαρτάται από τη γωνία φ.Όταν τα χαρακτηριστικά επίπεδα του πολωτή και του αναλύτη συμπίπτουν (φ=0),το πολωμένο φως θα διέλθει από τον αναλύτη χωρίς να υποστεί μεταβολή.

 Όταν τα χαρακτηριστικά επίπεδα του πολωτή και του αναλύτη είναι κάθετα (φ=90°),το πολωμένο φως θα ανακοπεί εντελώς από τον αναλύτη.Το φωτοκύτταρο τότε δεν ανιχνεύει φως.Για οποιαδήποτε άλλη γωνία φ μεταξύ των χαρακτηριστικών επιπέδων του πολωτή και του αναλύτη το πολωμένο φως θα διέρχεται εν μέρει.Παρατηρούμε ότι η διαφορά μεταξύ του πολωτή και του αναλύτη εντοπίζεται μόνο στους σκοπούς τους οποίους αυτοί εξυπηρετούν,δηλαδή σε ένα πείραμα ο πολωτής μπορεί να παίξει το ρόλο του αναλύτη και αντίστροφα.Χρησιμοποιώντας τον αναλύτη μπορούμε να διαπιστώσουμε αν μία δέσμη φωτός είναι πολωμένη ή όχι.

Ένας πολωτής και ένας αναλυτής με επίπεδα πόλωσης κάθετα μεταξύ τους ανακόπτουν το φως (σκοτεινή περιοχή)

 Αφήνουμε τη δέσμη να πέσει στον αναλύτη κάθετα προς αυτόν.Με την περιστροφική λαβή καθορίζουμε διάφορες γωνίες στο επίπεδο πόλωσης του αναλύτη.Αν παρατηρήσουμε ότι δεν υπάρχει γωνία για την οποία ανακόπτεται το διερχόμενο φως,τότε αυτό είναι φυσικό.Αν όμως συμβαίνει το αντίθετο,δηλαδή υπάρχουν γωνίες για τις οποίες ανακόπτεται το διερχόμενο φως,τότε το φως είναι γραμμικά πολωμένο.

Διχροϊκά είναι τα  υλικά που έχουν την ιδιότητα να αφήνουν να τα διαπερνά μόνο το φως του οποίου το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται σε συγκεκριμένη διεύθυνση

 Τα υλικά που έχουν την ιδιότητα να αφήνουν να τα διαπερνά μόνο το φως του οποίου το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται σε συγκεκριμένη διεύθυνση λέγονται διχροϊκά.Το 1938 ο Ε.Η. Land ανακάλυψε ένα υλικό που ονόμασε polaroid.Το polaroid πολώνει το φως,γιατί τα προσανατολισμένα μόριά του έχουν την ιδιότητα να απορροφούν επιλεκτικά τη διερχόμενη ακτινοβολία από μέσα του.

ΠΟΛΩΣΗ ΑΠΟ ΑΝΑΚΛΑΣΗ-ΦΥΣΙΚΗ ΠΟΛΩΣΗ

 Όταν μη πολωμένο φως προσπίπτει πάνω σε διαχωριστική επιφάνεια δύο οπτικών υλικών μέσων με δείκτες διάθλασης n1 και n2,τότε εν μέρει ανακλάται και εν μέρει διαθλάται.

 Αν εξετάσουμε με αναλύτη την ανακλώμενη δέσμη, θα παρατηρήσουμε ότι,όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι περίπου 0° ή περίπου 90°,το ανακλώμενο φως δεν είναι πολωμένο.Για ενδιάμεσες γωνίες πρόσπτωσης το ανακλώμενο φως είναι μερικώς πολωμένο,δηλαδή αποτελείται από γραμμικά πολωμένο φως και μη πολωμένο φως.Υπάρχει μία συγκεκριμένη γωνία πρόσπτωσης,που ονομάζεται γωνία ολικής πόλωσης (θp),για την οποία το ανακλώμενο φως είναι πλήρως πολωμένο.

 Ας προσπαθήσουμε να παραστήσουμε γραφικά το φαινόμενο χρησιμοποιώντας δύο συνιστώσες του ηλεκτρικού πεδίου,μία παράλληλη προς την ανακλώσα επιφάνεια (με τελείες) και μία κάθετη προς την πρώτη και τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος (με βέλη).Έτσι στο σχήμα α έχουμε μερική πόλωση του προσπίπτοντος φωτός,δηλαδή η ανακλώμενη δέσμη και η διαθλωμένη είναι μερικώς πολωμένες.

α) Όταν μη πολωμένο φως προσπίπτει σε διαχωριστική επιφάνεια δύο υλικών,η ανακλώμενη και η διαθλώμενη ακτίνα είναι μερικώς πολωμένες,β)Όταν μη πολωμένο φως προσπίπτει σε ανακλώσα επιφάνεια υπό γωνία ίση με τη γωνία ολικής πόλωσης,η ανακλώμενη και η διαθλώμενη ακτίνα είναι κάθετες μεταξύ τους

 Υποθέτουμε τώρα ότι μεταβάλλουμε τη γωνία πρόσπτωσης,ώσπου η ανακλώμενη και η διαθλωμένη δέσμη να σχηματίζουν γωνία 90°,δηλαδή να ισχύει θ2+θp=90°.Τότε η ανακλώμενη δέσμη είναι πλήρως πολασμένη,ενώ η διαθλωμένη είναι μερικώς πολωμένη (σχήμα β).Η γωνία ολικής πόλωσης θρ συνδέεται με τους δείκτες διάθλασης n1 και n2 των δύο οπτικών υλικών.Η σύνδεση αυτή προκύπτει από το νόμο του Snell (Σνελ),σύμφωνα με τον οποίο ο λόγος n2/n1,των δεικτών διάθλασης είναι αντιστρόφως ανάλογος των ημίτονων των γωνιών πρόσπτωσης θ1 και διάθλασης θ2,δηλαδή:

                                                                               n2/n1=ημθ1/ημθ2

 Εφαρμόζοντας λοιπόν την παραπάνω σχέση για θ1=θp και για θ2=90°-θp έχουμε:

                                                                               n2/n1=ημθ1/ημ(90°-θp)

 Όμως από την τριγωνομετρία ισχύει: 

ημ(90°-θp)=συνθp 

 Άρα τελικά προκύπτει:

                                                                               n2/n1=ημθp/ημ(90°-θp)    ή

                                                                               n2/n1=εφθp

 Η τελευταία σχέση είναι γνωστή ως νόμος του Brewster (Μπρούστερ) και η γωνία ολικής πόλωσης ονομάζεται γωνία του Brewster.

 Άρα:

 Η γωνία ολικής πόλωσης του φωτός, για κάθε μέσο, είναι εκείνη η γωνία πρόσπτωσης για την οποία η ανακλώμενη ακτίνα και η διαθλώμενη είναι κάθετες μεταξύ τους.

 Αν τώρα το ένα οπτικό υλικό είναι το κενό ή ο ξηρός αέρας,οπότε n1=1,τότε n2=n και η σχέση παίρνει τη μορφή:

                                                                               n=εφθp

ΠΟΛΩΣΗ ΚΑΙ ΠΟΛΩΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ ΣΤΗΝ ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗ ΜΑΣ ΖΩΗ

 Η πόλωση από ανάκλαση είναι ένα σύνηθες φαινόμενο στη φύση.Το φως που ανακλάται από επιφάνειες λιμνών και θαλασσών,καθώς και από το χιόνι,είναι μερικώς πολωμένο.Όταν λοιπόν η ανάκλαση προέρχεται από μια τέτοια επιφάνεια,προκαλεί στα μάτια μας μια ανεπιθύμητη δυνατή «αντηλιά».Επειδή οι ανακλώσες επιφάνειες που αναφέραμε είναι συνήθως οριζόντιες,το διάνυσμα του ανακλασμένου ηλεκτρικού πεδίου θα έχει μεγάλη οριζόντια συνιστώσα, δηλαδή το ανακλώμενο φως θα περιέχει περίσσεια πολωμένου φωτός στην οριζόντια διεύθυνση.Τα γυαλιά ηλίου λοιπόν που διαθέτουν απορροφητικό φίλτρο polaroid έχουν τέτοια κατασκευή,ώστε το χαρακτηριστικό επίπεδο πόλωσής τους να είναι κατακόρυφο και να απορροφούν στο μέγιστο δυνατό την οριζόντια συνιστώσα του ανακλώμενου φωτός.Έτσι στα μάτια φτάνει ένα μικρό ποσοστό του πολωμένου φωτός.

Μία άλλη συνηθισμένη χρήση των πολωτικών φίλτρων είναι στα κρύσταλλα που καλύπτουν τα φώτα των αυτοκινήτων και στα παρμπρίζ

  Μία άλλη συνηθισμένη χρήση των πολωτικών φίλτρων είναι στα κρύσταλλα που καλύπτουν τα φώτα των αυτοκινήτων και στα παρμπρίζ.Και στα κρύσταλλα των φώτων και στα παρμπρίζ υπάρχουν πολωτικά φίλτρα των οποίων το χαρακτηριστικό επίπεδο πόλωσης σχηματίζει γωνία 45° με το οριζόντιο επίπεδο και έχει τον ίδιο προσανατολισμό σε όλα τα αυτοκίνητα.Όταν δύο αυτοκίνητα διασταυρώνονται τη νύχτα,το παρμπρίζ του ενός λειτουργεί ως αναλυτής για το φως των φαναριών του άλλου αυτοκινήτου,που είναι πολωμένο.Έτσι μειώνεται η ένταση του φωτός που δέχεται ο οδηγός και αποφεύγεται αισθητά η ενόχληση.

Και στα κρύσταλλα των φώτων και στα παρμπρίζ υπάρχουν πολωτικά φίλτρα των οποίων το χαρακτηριστικό επίπεδο πόλωσης σχηματίζει γωνία 45° με το οριζόντιο επίπεδο και έχει τον ίδιο προσανατολισμό σε όλα τα αυτοκίνητα

 Για την πόλωση τον φυσικού φωτός χρησιμοποιούμε ειδικά φίλτρα, που είναι γνωστά με την εμπορική τους ονομασία ως polaroid (πολαρόιντ).Στην καθημερινότητα είναι γνωστά για τη χρήση τους στα γυαλιά ηλίου και στους   φακούς φωτογραφικών μηχανών.

Πολωτικό φίλτρο έχει χρησιμοποιηθεί στη φωτογράφηση των εικόνων, που προ- φυλάσσονται από γυαλί.Η πρώτη έχει φωτογραφηθεί χωρίς φίλτρο και εμφανίζει έντονο φως από ανάκλαση.Με την παρεμβολή πολωτικού φίλτρου, στη δεύτερη φωτογραφία,το ανακλώμενο φως ανακόπτεται και εμφανίζεται η εικόνα

 Ένα τέτοιο φίλτρο επιτρέπει τη διέλευση φωτεινών κυμάτων έντασης μέχρι και ποσοστό 80%,μόνο αυτών που είναι γραμμικά πολωμένα με το καθορισμένο από το υλικό επίπεδο πόλωσης,και απορροφά περίπου το 99% της έντασης των κυμάτων που είναι πολωμένα κάθετα προς το επίπεδο αυτό.

Σημείωση:Η πόλωση του φωτός κατά την ανάκλαση παρουσιάζεται μόνο,όταν ταυτόχρονα γίνεται και διάθλαση του φωτός.Για να εμφανίζεται επομένως κατά την ανάκλαση το φαινόμενο της πόλωσης,δεν πρέπει η ανάκλαση να γίνεται σε μεταλλικές επιφάνειες και σε επιφάνειες που παρουσιάζουν μεταλλική στιλπνότητα.

ΠΟΛΩΣΗ ΑΠΟ ΣΚΕΔΑΣΗ

 Όταν το ορατό φως προσπίπτει σε ένα σύστημα σωματίων,απορροφάται από αυτά και επανεκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις χωρίς να αλλάζει η συχνότητα των διάφορων ακτινοβολιών του.Η απορρόφηση και η επανεκπομπή αυτή του φωτός ονομάζεται σκέδαση.

 Επειδή το σκεδαζόμενο φως εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις,βλέπουμε φως στον ουρανό,έστω κι αν δεν κοιτάμε κατευθείαν τον ηλιακό δίσκο.Μπορούμε εύκολα να διαπιστώσουμε ότι το φως αυτό είναι μερικώς πολωμένο.

Το φως που σκεδάζεται από μόρια του αέρα είναι μερικώς πολωμένο

 Το σκεδαζόμενο φως περιέχει κατά προσέγγιση εννιά φορές περισσότερο κυανό χρώμα από το αντίστοιχο ερυθρό.

 Αν πάρουμε ένα πλακίδιο τύπου polaroid και το τοποθετήσουμε έτσι,ώστε το επίπεδο του να είναι οριζόντιο,θα διαπιστώσουμε ότι για διαφορετικές γωνίες του επιπέδου πόλωσής του περνάει φως διαφορετικής έντασης.Το πολωμένο φως που προέρχεται από σκέδαση έχει επίπεδο ταλάντωσης κάθετο προς το επίπεδο που ορίζεται από την αρχική ακτίνα και τη σκεδασθείσα ακτίνα.

ΚΥΑΝΟ ΧΡΩΜΑ ΤΟΥ ΟΥΡΑΝΟΥ

 Το πόσο ισχυρό θα είναι το σκεδαζόμενο φως εξαρτάται από το μήκος κύματος κάθε μονοχρωματικής ακτινοβολίας.Δηλαδή οι ακτινοβολίες που έχουν μικρότερα μήκη κύματος σκεδάζονται περισσότερο.Επομένως τα μικρότερα μήκη κύματος του ορατού φάσματος του φωτός (κυανό) σκεδάζονται περισσότερο από τα μεγαλύτερα μήκη κύματος (ερυθρό).Σ' αυτό το φαινόμενο οφείλεται το κυανό χρώμα του ουρανού.

Τα σύννεφα όπως φαίνονται κατά την ανατολή και τη δύση του Ήλιου

 Το φως που προσπίπτει σε ένα νέφος,χωρίς το κυανό χρώμα,όταν ανακλάται από το νέφος και γίνεται τελικά ορατό από τον παρατηρητή,έχει κίτρινη έως ερυθρή απόχρωση

Η Γη και ο μαύρος ουρανός όπως φαίνονται από διαστημικό λεωφορείο

 Κατά το σούρουπο το φως διανύει μεγάλη απόσταση μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα και ένα σημαντικό μέρος του κυανού χρώματος σκεδάζεται.Έτσι το φως που φθάνει κατευθείαν στα μάτια μας από τον ορίζοντα είναι φτωχό σε κυανό χρώμα.

Δύο εικόνες την ίδια στιγμή σε δύο τόπους με διαφορά 8 ωρών.Στην πρώτη το φως που φθάνει στους λουόμενους από σκέδαση είναι πολωμένο και περιέχει περίσσεια κυανού χρώματος.Στη δεύτερη το αρχικά λευκό φως υφίσταται την απώλεια αυτού τον κυανού χρώματος,καθώς διατρέχει την ατμόσφαιρα,και στον ορειβάτη φθάνει τελικά φως από το ερυθρό φάσμα του ορατού φωτός

 Επίσης, όταν η ατμόσφαιρα είναι πλούσια σε υδρατμούς,αυτοί απορροφούν κυρίως το κυανό χρώμα.Έτσι έχουμε ενίσχυση της ερυθρής απόχρωσης του ουρανού.Αν η Γη δεν είχε ατμόσφαιρα, δε θα μπορούσαμε να δούμε το χρώμα του ουρανού.Μαύρος θα ήταν την ημέρα,μαύρος και τη νύχτα.Οι αστροναύτες που βρίσκονται στο διάστημα βλέπουν μαύρο ουρανό,γιατί δεν υπάρχουν μόρια να σκεδάσουν το φως.

ΟΠΤΙΚΩΣ ΕΝΕΡΓΑ ΣΩΜΑΤΑ

 Υπάρχουν ορισμένα διαφανή σώματα που έχουν την ιδιότητα να στρέφουν το επίπεδο του πολωμένου φωτός, όταν αυτό περάσει από μέσα τους.

 Σχηματική παρουσίαση ενός πολωσίμετρου.Η οπτικά ενεργή ουσία στρέφει το επίπεδο του πολωμένου φωτός

 Τα σώματα αυτά λέγονται οπτικώς ενεργά.Τέτοια είναι,για παράδειγμα,οι κρύσταλλοι χαλαζία,το διάλυμα ζάχαρης,το διάλυμα γαλακτικού οξέος κτλ.

ΣΤΡΟΦΗ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΠΟΛΩΣΗΣ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

 Θεωρούμε πολωτή και αναλύτη (δεύτερο όμοιο πολωτή με τον πρώτο) διασταυρωμένους,ώστε η μονοχρωματική ακτίνα που προσπίπτει στον πολωτή να ανακόπτεται από τον αναλύτη (σχήμα α).Αν μεταξύ του πολωτή και του αναλύτη παρεμβάλουμε κρύσταλλο χαλαζία ή διάλυμα ζάχαρης,θα παρατηρήσουμε ότι από τον αναλύτη περνάει φως (σχήμα β).Αν στρίψουμε τον αναλύτη,τότε για ορισμένη γωνία το φως ανακόπτεται και πάλι (σχήμα γ).

α) Ο αναλύτης ανακόπτει το πολωμένο φως.β) Το διάλυμα ζάχαρης προκαλεί στροφή τον επιπέδου ταλάντωσης του πολωμένου φωτός. Από τον αναλύτη περνάει φως.γ) Με στροφή τον αναλύτη ανακόπτουμε πάλι το φως

 Γίνεται φανερό ότι η παρεμβολή ενός οπτικά ενεργού σώματος έστρεψε το επίπεδο πόλωσης του πολωμένου φωτός κατά ορισμένη γωνία δεξιά ή αριστερά.

Διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της γωνίας στρέψης του πολωμένου φωτός ονομάζονται πολωσίμετρα

 Διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της γωνίας στρέψης του πολωμένου φωτός ονομάζονται πολωσίμετρα.

Ο ΟΥΡΑΝΟΣ ΕΙΝΑΙ ΓΑΛΑΝΟΣ

… η κβαντική θεωρία δεν είναι καθόλου απομακρυσμένη από τις ενασχολήσεις μας,αγγίζει τον ίδιο τον κόσμο όπου ζούμε και επιτρέπει να κατανοήσουμε τις πιο λεπτές δομές της ύλης.Καλώς ή κακώς,μας έχει παράσχει τη δυνατότητα ελέγχου μερικών ενεργειακών διαδικασιών από τις πιο ισχυρές του σύμπαντος.
 Γιατί ο ουρανός είναι γαλανός;

 Γιατί το νερό είναι διαφανές;

 Τι είναι αυτό που κάνει το αντικείμενο να φαίνεται χρωματιστό;
 Ή ακόμη,γιατί το μέταλλο είναι στιλπνό;

 Πώς η κβαντική θεωρία εξηγεί την απορρόφηση του φωτός από ένα σώμα,με άλλα λόγια,από ένα άτομο ή ένα μόριο;

Ο γαλανός ουρανός

 Ας φανταστούμε ένα άτομο ή ένα μόριο βυθισμένο στο πεδίο ενός φωτεινού κύματος σαφώς καθορισμένου χρώματος.Με κβαντικούς όρους, ένα τέτοιο κύμα περιγράφεται ως ένα σύνολο φωτονίων που έχουν όλα την ίδια ενέργεια hf,η συχνότητα f αντιστοιχεί στο χρώμα του εν λόγω φωτός.Όσο για το άτομο,η κβαντική θεωρία το περιγράφει ως ένα σύστημα του οποίου η ενέργεια είναι κβαντωμένη,δηλαδή παρουσιάζει μια αλληλουχία ενεργειακών επιπέδων,διαχωρισμένων μεταξύ τους:η ενέργεια ενός ατόμου δεν μπορεί να λάβει παρά ορισμένες τιμές,τις τιμές αυτών των επιπέδων, οι οποίες είναι χαρακτηριστικές γι' αυτό το άτομο ή,ακριβέστερα,για το είδος στο οποίο ανήκει (άνθρακας,άζωτο κτλ.).Στην κανονική κατάσταση, που ονομάζεται μη διεγερμένη,το άτομο βρίσκεται σ' αυτήν από τις επιτρεπόμενες καταστάσεις που χαρακτηρίζεται από την ελάχιστη ενέργεια.Λέμε ότι βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάστασή του.Οταν δέχεται φωτεινή ενέργεια,που μεταφέρουν τα φωτόνια συχνότητας f,μπορεί να περάσει σε μια ανώτερη ενεργειακή κατάσταση, υπό τον όρο πάντοτε η ενέργεια των φωτονίων hf να είναι ακριβώς ίση με τη διαφορά μεταξύ ενός από τα επιτρεπόμενα ενεργειακά επίπεδα και του θεμελιώδους.Αν είναι έτσι τα πράγματα,το άτομο απορροφά ένα φωτόνιο,το οποίο εξαφανίζεται από την προσπίπτουσα δέσμη,και οδηγείται σε μια ανώτερη ενεργειακή κατάσταση.Ονομάζουμε αυτές τις απορροφήσεις «συντονισμένες απορροφήσεις» ή απλώς «συντονισμούς».

 Θα εισαγάγουμε τώρα,για άλλη μία φορά,ένα μοντέλο εύχρηστο για την περιγραφή του ατόμου.Ας φανταστούμε τα ηλεκτρόνιά του ως μικρούς ταλαντωτές, ικανούς να πάλλονται υπό την επίδραση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος και των οποίων οι ιδιοσυχνότητες (δηλαδή οι συχνότητες για τις οποίες το ηλεκτρόνιο συντονίζεται παλλόμενο με μέγιστο πλάτος) αντιστοιχούν σε μεταβάσεις του ατόμου από τη θεμελιώδη κατάσταση σε μια από τις διεγερμένες.Με άλλα λόγια,οι ιδιοσυχνότητες του ταλαντωτή,που μας χρησιμεύει ως μοντέλο του ατόμου,είναι ίσες με τις συχνότητες του κβαντικού συντονισμού.Ας εξετάσουμε την επίδραση του φωτός στα άτομα μέσω του παραπάνω μοντέλου.Μπορούμε στο εξής να αγνοήσουμε τα φωτόνια και τις κβαντικές καταστάσεις του ατόμου:αυτό το μοντέλο επιτρέπει πράγματι να θεωρήσουμε το φως ως ένα κλασικό ηλεκτρομαγνητικό κύμα,που επιδρά σε κλασικούς ταλαντωτές,οι οποίοι χαρακτηρίζονται από ης ιδιοσυχνότητές τους.Υπό την επίδραση ενός φωτεινού κύματος ο ταλαντωτής αρχίζει να πάλλεται.Η απόκριση του ταλαντωτή είναι ασήμαντη (αλλά μη μηδενική),όταν η συχνότητα του προσπίπτοντος κύματος είναι διαφορετική από τις ιδιοσυχνότητές του,ενώ αντίθετα γίνεται πολύ σημαντική,όταν οι συχνότητες του κύματος και του ταλαντωτή συμπίπτουν,όταν έχουμε συντονισμό.

 Ποιες είναι λοιπόν οι συχνότητες συντονισμού των διάφορων ατόμων και μορίων;Για την πλειονότητα των απλών ατόμων (Ο,Ν,Η) είναι αρκετά υψηλότερες από αυτές που χαρακτηρίζουν το ορατό φως.Ανήκουν στην περιοχή του φάσματος η οποία ονομάζεται υπεριώδης.Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ένα αέριο είναι διαφανές.Για τα μόρια (O2, Ν2, Η2O) οι συχνότητες συντονισμού είναι χαμηλότερες από τις ορατές συχνότητες του υπερύθρου και μέσα στο υπεριώδες,άρα,και σ' αυτή την περίπτωση,βρίσκονται έξω από το ορατό φάσμα.Υπάρχει όμως μια σημαντική διαφορά:στην περίπτωση των ατόμων οι μάζες που ταλαντώνονται είναι αυτές των ηλεκτρονίων.Στην περίπτωση των μορίων,οι μάζες που ταλαντώνονται είναι αυτές των ατόμων και συνεπώς είναι πολύ βαρύτερες από ότι στην πρώτη περίπτωση.Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα και το αυτό κύμα να θέτει πολύ ευκολότερα σε κίνηση τους ταλαντωτές που αντιστοιχούν σε άτομα από ότι εκείνους που αντιστοιχούν σε μόρια.

 Τώρα λοιπόν μπορούμε να κατανοήσουμε ένα από τα ωραιότερα χρώματα της φύσης:το γαλανό του ουρανού.Το ηλιακό φως αποτελείται,όπως είναι γνωστό,από ένα σύνολο ακτινοβολιών που περιλαμβάνει όλες τις δυνατές συχνότητες του φάσματος,από το υπεριώδες έως το υπέρυθρο,μέσω του ορατού.Ας εξετάσουμε την επίδραση αυτών των ποικίλων ακτινοβολιών στους ταλαντωτές που απαρτίζουν τα άτομα και τα μόρια μέσα στην ατμόσφαιρα.Οι υπέρυθρες ακτινοβολίες προκαλούν το συντονισμό των μορίων,αλλά τα αντίστοιχα πλάτη είναι μικρά, όπως μόλις αναφέρθηκε.Αντίθετα οι υπεριώδεις ακτινοβολίες προκαλούν το συντονισμό των ατόμων και τα αντίστοιχα πλάτη είναι σημαντικά.Όσο για το ορατό φως,θέτει σε κίνηση τους ταλαντωτές με ένα πλάτος ταλάντωσης σχετικά μικρό,αλλά το ίδιο για όλους,αφού οι ταλαντωτές που περιλαμβάνονται δε συντονίζονται στο ορατό.Συνολικά,το ηλιακό φως προκαλεί ταλαντώσεις μέσου ή μικρού πλάτους στο ορατό,αμελητέου στο υπέρυθρο και πολύ μεγάλου στο υπεριώδες.

Η σκέδαση Rayleigh προκαλεί την μπλε απόχρωση του ουρανού τη διάρκεια της ημέρας και το κοκκίνισμα του ήλιου κατά το ηλιοβασίλεμα

 Επιπλέον πρέπει να λάβουμε υπόψη μας ότι ένα ταλαντούμενο φορτίο,όπως συμβαίνει να είναι το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου που εξαναγκάζεται σε ταλάντωση,είναι επίσης πομπός φωτός.Εδώ έχουμε ένα από τα θεμελιώδη συμπεράσματα της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του Maxwell.Ένα ταλαντούμενο ηλεκτρόνιο εκπέμπει προς όλες τις κατευθύνσεις ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα (με άλλα λόγια, φως),του οποίου η συχνότητα είναι ίση με την ιδιοσυχνότητα της ταλάντωσής του,αυτό που ονομάζεται σκέδαση Rayleigh.Εξάλλου αποδεικνύεται ότι η ένταση της εν λόγω εκπομπής είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη αυτής της συχνότητας.Αντιλαμβανόμαστε λοιπόν ότι τα μόρια του αέρα που φωτίζονται από τον Ήλιο εκπέμπουν φως και ακόμη ότι αυτή η εκπομπή είναι εντονότερη στο κυανό από ότι στο ερυθρό, αφού η συχνότητα του κυανού φωτός είναι περίπου διπλάσια από εκείνη του ερυθρού.Έτσι,όταν βλέπουμε τον ουρανό,χωρίς να κοιτάμε τον ηλιακό δίσκο,τον βλέπουμε γαλανό:είναι το αποτέλεσμα της δύναμης του 4.