La luce e' un'onda trasversale: la polarizzazione

LA LUCE E' UN'ONDA TRASVERSALE: LA POLARIZZAZIONE

I fenomeni di diffrazione e di interferenza confermano la natura ondulatoria della luce. Rimane ancora da chiarire se si tratta di onde longitudinali o trasversali; infatti gli esperimenti visti finora si spiegano ugualmente con entrambi i tipi di onde.

Huygens e Young videro nelle onde luminose delle onde elastiche che si propagavano nell'etere in modo analogo alle onde sonore nell'aria. L'etere doveva riempire tutto l'Universo e penetrare in tutti i corpi. Era logico dedurne che esso non fosse certamente solido, ma avesse piuttosto le caratteristiche di un liquido poco denso o di un gas rarefatto. E poiché nei liquidi e nei gas, non essendovi forze di richiamo laterali, le onde trasversali non possono propagarsi, i ricercatori di quel tempo erano giunti alla conclusione che la luce fosse costituita da onde longitudinali elastiche. Inoltre, nessun fenomeno indicava l'esistenza di spostamenti laterali, bensì si era sempre trovato che la luce si comporta in modo perfettamente simmetrico attorno alla direzione di propagazione. Quindi, l'ipotesi che la luce fosse costituita da onde longitudinali sembrava ben fondata e in pieno accordo con tutti i fatti.

Quando il fisico francese Etienne Louis Malus nel 1808 scoprì che la luce, in certe condizioni, perdeva la propria simmetria attorno alla direzione di propagazione e mostrava una certa "trasversalità", la sorpresa fu molto grande in quanto costituiva un fenomeno non interpretabile con il modello della luce come onda longitudinale. Ecco allora che un fascio di luce emergente da un proiettore si dovrà immaginare come costituito da un enorme numero di radiazioni, ciascuna vibrante in un certo piano e, nell'insieme, vibranti in tutti i possibili piani che passano per le direzioni dei loro fronti d'onda. Si deve allora ritenere che la luce si propaghi mediante onde trasversali per le quali è lecito parlare di piano di vibrazione. Nel caso specifico della luce, in stretta correlazione con il piano di vibrazione viene definito il piano di polarizzazione (piano passante per la direzione di propagazione della luce perpendicolare al piano di vibrazione). Si dice allora che la radiazione luminosa è polarizzata.

Esistono, in natura e nell'universo artificiale della tecnologia, dei materiali in grado di svolgere un'azione selettiva sulle singole radiazioni trasversali che compongono un fascio di luce. Tali sono, ad esempio, le lamine ricavate opportunamente dai cristalli di tormalina e perciò, nel seguito, ci riferiremo a esse.

Quando un fascio di radiazione luminosa incide perpendicolarmente su una lamina di questo materiale accade quanto segue:

- tutte le radiazioni che vibrano in un piano parallelo a una certa direzione (o asse) privilegiata della lamina passano completamente (fig. 21a).

- tutte le radiazioni che vibrano in un piano perpendicolare alla direzione (o asse) privilegiata della lamina vengono assorbite completamente (fig. 21c).

- le radiazioni che vibrano in un piano formante un angolo q (maggiore di 0° e minore di 90°) con la direzione privilegiata della lamina (figura 12b e figura 22) subiscono un parziale assorbimento ovvero passano parzialmente attraverso la lamina secondo le relazioni:

L'effetto complessivo prodotto da un cristallo di tormalina su un fascio di radiazioni che vibrano in tutti i possibili piani è schematizzato nella figura 22. Ciò che emerge dal cristallo di tormalina è dunque un fascio di radiazioni vibranti in un piano ben definito: quello del proprio asse privilegiato. Questa premessa ci consente di comprendere come sia possibile realizzare un esperimento capace appunto di mettere in evidenza il carattere trasversale della radiazione luminosa.

Su una guida metallica, si montino un proiettore P e due dischi di tormalina T1(polarizzatore) e T2 (analizzatore) e ci si ponga in posizione tale da osservare sullo schermo la luce che li attraversa.

Il telaio su cui essi sono montati è fatto in modo da consentire una loro rotazione come indicato nella figura 23.

Ruotando opportunamente i due dischi T1 e T2 è possibile individuare una posizione relativa in corrispondenza della quale il disco di luce sullo schermo ha massima luminosità.

Tale posizione corrisponde evidentemente a quella in cui i due assi privilegiati della lamina di tormalina sono paralleli. In tale caso infatti la prima lamina crea un fascio di radiazioni tutte vibranti nel piano parallelo al suo asse privilegiato e, quindi, per quanto detto in precedenza, la seconda lamina le lascia passare completamente. Se ora, tenendo fisso T1, ruotiamo la seconda lamina T2, dovrà prodursi un effetto di assorbimento di parte della radiazione che la lamina T1 ha obbligato a vibrare nel piano parallelo al proprio asse privilegiato. Tale assorbimento sarà via via crescente con l'aumentare dell'angolo q formato dagli assi privilegiati di T1 e T2 e risulterà completo per 0 90°.

Produzione di luce polarizzata mediante riflessione su un corpo trasparente

Se si analizza la luce riflessa da una lastra di vetro mediante un filtro polarizzatore, ruotandolo attorno alla direzione di propagazione della luce riflessa, si notano delle notevoli variazioni di intensità luminosa. Evidentemente la luce durante la riflessione sulla lastra di vetro ha perso la propria simmetria attorno alla direzione di propagazione.

Se l'angolo d'incidenza è di 57° e l'asse ottico del filtro è perpendicolare al piano di riflessione, il raggio riflesso attraversa il polarizzatore con la massima intensità. Se il filtro viene ruotato di 90°, allora la luce non riesce più ad attraversarlo e si ha assorbimento completo. La luce riflessa è dunque, in questo caso particolare, polarizzata linearmente e vibra perpendicolarmente al piano di riflessione. L'angolo di incidenza in corrispondenza del quale si ha questo particolare comportamento si chiama angolo di polarizzazione.

Vogliamo ora vedere a quale legge ubbidisce l'angolo di polarizzazione e calcolare con la legge della rifrazione il corrispondente angolo

di rifrazione. Si ha:

L'angolo d'incidenza e l'angolo di rifrazione danno come somma 90°. Effettivamente le esperienze con diverse sostanze trasparenti hanno mostrato che il raggio riflesso, quando è perpendicolare a quello rifratto vibra sempre perpendicolarmente al piano di riflessione.

Questa regola viene chiamata, dal nome del suo scopritore, legge di Brewster. Essa permette di calcolare l'angolo di polarizzazione con l'aiuto della legge della rifrazione. In definitiva:

se il raggio riflesso e il raggio rifratto sono fra loro perpendicolari, il raggio riflesso risulta polarizzato linearmente e vibra perpendicolarmente al piano di riflessione

Quando la luce naturale incide secondo l'angolo di polarizzazione su un mezzo trasparente, ogni treno d'onde polarizzate può essere considerato come formato da due componenti, una oscillante parallelamente al piano d'incidenza e l'altra perpendicolarmente a esso. La componente parallela viene completamente rifratta, mentre quella perpendicolare viene rifratta solo parzialmente e per la maggior parte viene riflessa. Il raggio rifratto deve perciò oscillare prevalentemente nel piano di incidenza, cosa che effettivamente avviene. Si può dunque ottenere luce polarizzata sfruttando la riflessione su una sostanza trasparente. La riflessione su una superficie metallica speculare non provoca alcuna separazione delle direzioni di polarizzazione e non permette quindi di ottenere luce polarizzata.

Poiché la luce riflessa da un corpo trasparente è almeno in parte polarizzata, non è difficile sopprimere i riflessi fastidiosi impiegando filtri polarizzatori. Ciò viene fatto in fotografia, e sullo stesso principio si basano gli occhiali Polaroid. Infatti, quando la luce del Sole viene riflessa da una superficie liquida, il raggio che si ottiene vibra principalmente in direzione orizzontale. Se le lenti di un paio di occhiali Polaroid sono orientate in modo da lasciar passare solo la luce che vibra verticalmente, i riflessi dell'acqua vengono fortemente ridotti.

Se facciamo passare la luce azzurra diffusa dal cielo attraverso un filtro polarizzatore, potremo osservare, ruotando il filtro, che anche la luce diffusa è polarizzata. L'occhio umano non riesce ad accorgersene da solo. Invece gli animali riconoscono la direzione di vibrazione della luce azzurra del cielo e se ne servono per l'orientamento. Questo fatto è stato provato con sicurezza per le api dal premio Nobel austriaco Karl von Frisch.