3. De to polarisationsfiltre

Transkript

1 Polariseret lys

2 . En kort introduktion til polariseret lys. Lys er ikke bare lys. Lys kan opfattes som en elektromagnetisk bølge, der udbreder sig gennem luft, glas, vand eller andre gennemsigtige materialer. Begrebet polarisation bruges, når man skal beskrive, hvordan og i hvilken retning bølgens elektriske felt svinger. Normalt består lys af bølger, som svinger i alle mulige forskellige retninger lyset siges her at være upolariseret. Hvis lyset reflekteres fra en overflade eller trænger igennem et materiale kan svingningsretningen blive ændret som følge af påvirkning fra materialet. Dette ser vi dog ikke i dagligdagen, da menneskets øje kun er meget svagt følsomt over for lysets forskellige svingningsretninger. Men med brug af et såkaldt polarisationsfilter, der kun tillader lys med svingning i en bestemt retning at passere, åbnes der op for studier af en lang række materialer og tilhørende lysfænomener. 2. Polarisationsfiltret Dette værktøj er nøglen i studierne af polariseret lys. Filtret, der er en slags sortfarvet plastik, tillader kun lys med en bestemt svingningsretning at passere. Lægger man to filtre på tværs oven på hinanden bliver næsten al lys opfanget. Faktisk er mange solbriller en slags polarisationsfiltre. Med polarisations solbriller kan man opleve, at bilruder lige pludselige får en farve eller et farvemønster, bestemte reflekterende gulvbelægninger bliver matte, og drejer du brillerne, kan du se at reflekserne fra solen i ruder ændrer intensitet. Kigger du på tallene på et digitalur, mens du drejer uret, ses et andet sjovt fænomen. Gennem et polarisationsfilter kan man også konstatere, at lyset fra den blå himmel er polariseret. Undersøgelser har vist, at bierne bruger dette til at navigere. En mere detaljeret beskrivelse af polarisationsfiltret er beskrevet i Appendiks A. Øvelse. Undersøg nogle af de beskrevne fænomener med et polarisationsfilter. Hvis du har nogle solbriller, kan du teste, om de også polariserer lyset. 3. De to polarisationsfiltre Når materialer skal undersøges med polariseret lys, bruger man et apparat, hvor lys først sendes gennem et polarisationsfilter. Lyset passerer herefter igennem prøven og gennem et sekundært filter (både prøven og det sekundære filter kan roteres, så man kan undersøge alle de mulige 2

3 polarisationsretninger). Når filtrene er krydsede trænger der meget lidt lys igennem. Et materiale der lægges mellem filtrene kan dreje polarisationen, hvorved lyset gennem materialet fremstår på en mørk baggrund. I mange tilfælde udviser de undersøgte materialer en række farver, hvilket skyldes at de forskellige bølgelængder fra det hvide lys drejes forskelligt. I undersøgelser af iskrystaller bruger man et apparat med to polarisationsfiltre. Dette kaldes også for en Rigsby-stage. 4. Studier af krystaller med polariseret lys. Nogle krystaller har nogle sjove optiske egenskaber. Et klassisk eksempel er calcit. Hvis denne klare krystal lægges over et stykke papir med bogstaver, ses bogstaverne dobbelt (krystallen siges at være dobbeltbrydende). Drejer man krystallen ændrer billedet sig. Lysets vej og brydning er altså afhængig af krystallens orientering i forhold til lysets retning. Studerer man krystallen gennem et polarisationsfilter finder man ud af, at lysets gennem krystallen polariseres. Øvelse 2. Undersøg en krystal med dobbeltbrydende egenskaber. Læg den oven på et hvidt papir med bogstaver. Drej krystallen og observer, hvordan billedet ændrer sig. Lav forsøget en gang til, denne gang mens du kigger igennem et polarisationsfilter. Hvis man lægger en eller flere krystaller mellem to krydsede polarisationsfiltre, vil lyset gennem krystallerne blive drejet, i nogle tilfælde vil krystallerne udvise en farve, eftersom drejningen er forskellig for de forskellige bølgelængder i det hvide lys. Da baggrunden mellem polarisationsfiltrene er mørk, træder krystallerne tydeligt frem, og de kan hermed studeres i større detalje. Øvelse 3. Iskrystaller. Fra den Grønlandske indlandsis har geofysik på Københavns Universitet flere km iskerner. Den indespærrede luft i isen har givet uvurderlig information om fortidens klima. Iskernerne er sammensat af en række mindre krystaller, og studier af dem kan give information om isgletscheren på borestedet. Apparaturet til at undersøge dette kaldes en Rigsby-stage, som jo som 3

4 sagt består af en roterbar prøve mellem to polarisationsfiltre. Du skal nu selv prøve at gøre forskerne kunsten efter og studere iskrystaller, der dog kun er lavet af almindeligt postevand. Ved de rigtige undersøgelse af de Grønlandske iskerner har man skåret tynde skiver af og herefter poleret dem for at få de bedste billeder. Dette kan vi ikke gøre. I stedet bruger vi petriskåle med et meget tyndt lag is på bunden. En petriskål er sat til frysning i en almindelig fryser. Der er kun et ganske tyndt lag vand i skålen. En anden skål med vand fryses hurtigt ved at hælde flydende kvælstof ned i den. Undersøg iskrystallerne i Rigsby stagen. Sørg for systematisk at rotere prøve og sekundært filter. Tag billeder undervejs. Noter evt. ændringer under optøning. Vær forsigtig med skålen, der er kølet ned af flydende kvælstof. Du kan brænde dig på kulden. Udsnit af iskrystaller fra den Grønlandske isborekerne Iskrystaller fra vand der er frosset ned med flydende kvælstof Øvelse 4. Krystalisering af smeltet fixersalt. Fixersalt har den den kemiske formel er Na 2 S 2 O 3-5H 2 O - Natrium Thiosulfat Pentahydrat. Det blev tidligere brugt til frembringelse af fotografier. Fixersalt er specielt, da det har et lavt smeltepunkt på 5 C. Smelt saltet i en beholder ved at anbringe den i et vandbad med næsten kogende vand. Når al saltet er helt smeltet hælder du lidt op i en petriskål, således at væsken lige netop dækker overfladen. Skålen sættes ind i polarisationsapparatet, hvor polarisationsfiltrene står vinkelret på hinanden. Vent og observer, hvordan saltet krystalliserer sig. Det vigtigste ved forsøget er, at du meget konkret får et indtryk af, hvordan en krystalisering kan foregå. Fixersalt er ikke farligt og er nemt at smelte, hvilket gør det fordelagtigt at bruge i denne sammenhæng. Tag billeder mens du kigger. Øvelse 5. Krystallisering i en overmættet opløsninger under afkøling. Mange salte kan opløses i vand. Det vil typisk være sådan, at jo højere temperaturen er i vandet jo mere salt kan der opløses i vandet ligesom det er lettere at opløse sukker i varmt end i koldt vand. Med andre ord stiger opløseligheden med temperaturen. Når vandet ikke kan opløse mere stof, siger man, at opløsningen er mættet. De forskellige saltes opløselighed kan ses i Databogen for Fysik og Kemi. Du skal nu opvarme noget vand og opløse kaliumnitrat, KNO 3, i det. Opløsningen laves 4

5 sådan, at den under afkøling bliver mættet. Ved en videre afkøling begynder krystaller at udskille sig, og denne proces kan med fordel betragtes gennem krydsede polarisationsfiltre. Brug f.eks. 3 gram KNO 3 til 6 ml vand. Ved 2 C har saltopløsningen et mætningspunkt på 32 g / ml. Opløsningen hældes over i en petriskål, sørg for at bunden kun lige netop dækkes af opløsningen. Skålen sættes ind i polarisationsapparatet, hvor polarisationsfiltrene er vinkelret på hinanden. Vent og observer, hvad der sker. Du kan lave forsøget et par gange. Prøv f.eks. at provokere opløsningen ved at lægge et saltkorn i opløsningen. Husk at tage billeder til din rapport. Er du ambitiøs, kunne du prøve at tage flere forskellige billeder og undersøge, hvorledes antallet af krystaller afhænger af tiden. Du kunne også lave flere forsøg med forskellige koncentrationer af saltopløsningen. Øvelse 6. Tyndslib af granit. Denne øvelse kan kun laves, hvis du er i besiddelse af nogle såkaldte polarisationsmikroskoper og specielt forberedte tyndslib af granit eller andre stenarter. Ungdomslaboratoriet har endnu ikke dette apparatur. Øvelsen nævnes her, da den peger på endnu en vigtig afvendelse af polariseret lys. Et stykke sten slebet ned til ganske få mikrometer vil være gennemsigtig. Sten kan bestå af forskellige mineraler. Ligesom ved iskrystaløvelsen kan polariseret lys bruges til undersøgelse af de enkelte krystaller og herved bidrage til forståelsen af stenartens tilblivelse. Geologisk institut råder over en række polarisationsmikroskoper, som de studerende bruger i undervisningen om mineraler. Sukkeropløsningers drejning af polariseret lys. Det er velkendt, at en række kemiske stoffer i vandige opløsningerne har en evne til at dreje polarisationen af lys. Dette gælder eksempelvis for de fleste sukkerstoffer. Jo større sukkerkoncentration og jo længere lyset bevæger sig igennem sukkeropløsningen, jo mere drejes polarisationen. Gennem tiden har man udviklet et apparat, som kaldes saccharimetre, hvor man netop ud fra drejningen af lyset kan bestemme sukkerkoncentrationen. Nogle sukkerarter drejer polarisationen med uret og andre mod uret. Faktisk er der sukkerarter med samme kemiske formel som enten drejer polarisationen den ene eller anden vej. Årsagen til dette var i starten ukendt, men nu ved man, at det hænger sammen med molekylegruppernes placering i forhold til hinanden. Man taler om at nogle molekyler kan være højre- eller venstrehåndsdrejede. Studier med polariseret lys har givet os denne viden. Dette har videre bidraget til en vigtig brik i vores søgen efter livets oprindelse, da det eksempelvis har vist sig, at alt liv på jorden af uforklarlige grunde kun benytter aminosyrer med én bestemt drejning. Øvelse 7. Sukkeropløsningers evne til at dreje polarisationen af lys. I denne øvelse skal du undersøge fire forskellige sukkeropløsninger. glucose, fructose, almindeligt sukker saccharose samt noget hyldeblomstsirup, der også er lavet med saccharose. a. Start med at bestemme hyldeblomstsiruppens densitet. Du skal angive densiteten i gram pr. ml. Lav nu tilsvarende densitet med de andre sukkeropløsninger. Brug varmt vand fra en elkedel, da Processen ligner det samme som sker ved dannelsen af nedbør. Her er der relativt meget vand i en varm luft. Når luften afkøles kan den lige pludselig ikke indeholde så meget vand som før, og det udskilles som damp (små vanddråber). 5

6 dette nemmere opløser sukkeret. Hæld opløsningen op i mindre 2 cm høje målebægere. Sørg for, at væskesøjlen er den samme for de forskellige sukker opløsninger. Undersøg opløsningerne i polarisationsapparatet ved at dreje det øverste polarisationsfilter. Skriv ned hvad du ser. Er der nogle forskelle eller ligheder, drejer opløsningerne alle polarisationen den samme vej, hvilken opløsning drejer polarisationen mest? Hvordan skifter farverne? En sukkeropløsning mellem to polarisationsfiltre. b. Udvælg en af sukkeropløsningerne. Undersøg hvorledes polarisationen drejes ved forskellige densiteter. De forskellige densiteter fås ved at fortynde den oprindelige sukkeropløsning med vand. For at du skal kunne bestemme densiteten skal du kende rumfanget i ml og massen i gram af væsken (densitet = masse / rumfang). Under drejningen af filtret skulle du gerne have set forskellige farver af lyset. Som drejningsvinkel er det mest praktisk at vælge den vinkel, hvor der trænger mindst lys gennem væsken. Tegn en graf med densiteten ud af den vandrette og drejningsvinkel ud af den lodrette akse. Hvad er sammenhængen? c. For en af sukkeropløsningerne undersøger du, hvorledes drejningsviklen afhænger af væskesøjlens højde. Mål hver 2. cm. Resultatet kan afbildes i et koordinatsystem med højden og drejningsvinklen af henholdsvis den vandrette og lodrette akse. Øvelse 8. Brug af natriumlys. Farvevirkningerne som ses i øvelse 7 opstår som følge af, at sukkeropløsningen drejer bølgelængderne i det hvide lys forskelligt. Hvis man mere kvalitativt skal udtale sig om, hvor godt et stof drejer polarisationen, skal lyset for bølgelængden være kendt. Som en slags standard kan lyset fra en natriumlampe bruges. Dette lys har den værdifulde egenskab, at lyset stort set udsendes monochromatisk dvs. i et ganske afgrænset bølgelængdeområde. Ungdomslaboratoriet arbejder på at få 8 opstillinger til dette forsøg. Hvis du vil lave dette forsøg skal du bruge en Na spektrallampe. Monter de to løse polarisationsfilter på et stativ med Na-lampen nederst (se skitse nedenunder). 6

7 Bestem den specifikke drejningsvinkel for et eller flere sukkeropløsninger. Den specifikke drejningsvinkel α D er den målte drejningsvinkel α divideret med højden af væskesøjlen h (målt i dm) og densiteten af stoffet ρ. α D =α/(h ρ) Den specifikke drejningsvinkel kan findes i Databogen for fysik og kemi eller i mange tilfælde også på sukkerstoffernes beholdere. Eksempler på drejningsvinkler er: Stof α D grader / (dm g/ml) Maltose, ligevægt +3,4 D-Fructose ligevægt -92,4 D-Glucose ligevægt +52,7 Saccharose? Studier af gennemsigtige plaststoffer med polariseret lys. Flotte polarisationsfarver kan frembringes ved at lægge forskellige stykker plastik i polarisationsapparatet. En vinkelmåler afslører eksempelvis et eksotisk farvemønster. Under fremstillingen af vinkelmåleren er plastik blevet sprøjtet ind i en form, og under den efterfølgende størkning er der opstået indre spændinger i materialet. Det polariserede lys afslører dette. Forskning i plastik har stor industriel opmærksomhed og brug af polariseret lys kan være en nem måde at få information om materialet på. Som plaststoffer kan du bruge plastik bøjler, engangskrus, vinkelmålere, linealer, celofanpapir og klisterbånd. Øvelse 9. Spændinger i plastik Prøv at lægge forskellige typer af gennemsigtigt plastik ind i polarisationsapparatet. Prøv at bøje plastikket og noter ned, hvad der sker. Billedet ved siden af viser en foldet overhead mellem to krydses polarisationsfiltre. Prøv også at kigge på andre plastmaterialer mens du bøjer materialet. 7

8 Øvelse. Synsvinkel og farveindtryk. Kig fra forskellige indfaldsvinkler på et stykke plastik f.eks. klisterbånd eller celofan i polarisationsapparatet. Noter, hvilke farveskift der kommer. Øvelse. Leg med klisterbånd/celofanpapir. Mosaikken på første side er et billede af forskellige stykker klisterbånd mellem krydsede polarisationsfiltre. a. Drej orienteringen af et stykke klisterbånd/celfonpapir, sådan at der ikke kommer noget farveindtryk ligegyldigt hvordan det sekundære filter drejes. Hvor mange forskellige måder kan klisterbåndet orienteres for at dette kan lade sig gøre? b. Placer klisterbåndet så du kan se en farve. Dette sker bedst, når klisterbåndet er orienteret skråt på det nederste polarisationsfilter polarisationsfiltrene er parallelle. Drej det sekundære filter 9 grader. Hvilken farve ser du så. Hvilken sammenhæng er der mellem de to farver? (brug en udleveret farveoversigt). Gentag forsøget med flere lag klisterbånd. Prøv at lave din egen farvemosaik. Hvorfor kan man orientere klisterbåndet, sådan at der stort set ikke kommer nogen polarisationsfarve? Hvorfor ændrer farverne sig ved forskellige lag? Hvorfor ændrer farverne sig ved forskellige indfaldsvinkler? Hvorfor ser vi ikke samme effekt som ved sukkeropløsningerne? Find spor til svarene i appendiks B 8

9 Appendiks A Polarisationsfiltre / Polaroider Polarisationsfiltre Et polarisationsfilter er en belægning af noget materiale, som har en bestemt asymmetrisk fysisk og optisk orientering. Orienteringen af materialet gør, at kun lys med en bestemt polarisering kan trænge igennem. Et meget brugt lineært polarisationsfilter laves ved at bruge klar polyvinyl alkohol, som opvarmes og strækkes. Stoffets lange hydrocarbonat molekyler orienteres derved i samme retning. Herefter dyppes stoffet i en jodrigholdigt blæk. Joden lægger sig langs med hyrdocarbonatmolekylerne. Der dannes herved lange kæder (et gitter) af jodatomer. Disse atomer har ledningselektroner i yderste skal og et elektrisk felt vil kunne få elektroner til at vandre mellem atomerne (ligesom en leder). Når lys sendes igennem gitteret vil det elektriske felt parallelt med kæderne i gitteret blive absorberet under påvirkningen af ledningselektronerne. Lys med et vinkelret elektrisk felt bliver ikke så kraftigt påvirket, og herved er lyset blevet lineært polariseret (Optics s.335) 9

10 Appendiks B Uddybende forklaringer Forskellige former for polariseret lys. Det elektriske felt, der er vinkelret på lysets udbredelsesretning, kan svinge på forskellige måder. Det har en horisontal og en vertikal del, som ikke nødvendigvis svinger i takt. Til at beskrive dette fænomen bruger man begrebet polarisation. Man taler normalt om tre typer af polarisation lineær, cirkulær og elliptisk polarisation (se tabel ). Tabel De forskellige polarisationsformer Lineært polariseret lys. Det elektriske felts horisontale og vertikale del er ikke forskudt Elliptisk polariseret lys. Alt der ikke er cirkulært eller lineært polariseret. Det elektriske felts horisontale og vertikale del er her forskudt med π/4.

11 ,5,5 - - Cirkulært polariseret lys. Det elektriske felts horisontale og vertikale del er forskudt π/ ,5,5 - - Elliptisk polariseret lys. Alt der ikke er cirkulært eller lineært polariseret. Det elektriske felts horisontale og vertikale del er her forskudt med 3π/ ,5,5 - - Lineært polariseret lys. Det elektriske felts horisontale og vertikale del er forskudt med π. Basal teori for lysets vekselvirkning med stof. Lys kan vekselvirke med andre materialer. Normalt kan vi se dette ved at lyset bliver bøjet, reflekteret eller dæmpet. Når lys eksempelvis sendes igennem glas eller vand får det en anden hastighed end i luft. I stedet for at tale om lysets hastighed bruger man ordet brydningsindeks til at beskrive lysets hastighed i et materiale. Brydningsindeks er defineret på følgende måde: c n =, n er brydningsindekset, c er lysets hastighed i vakuum og v er hastigheden i materialet. v

12 Brydningsindekset vil altid have en værdi over, for vand er det,33 og glas har brydningsindeks på omkring,5. Lys, der overgår fra et medium til et andet, kan blive afbøjet (brudt). Dette beskrives med Brydningsloven, som er givet ved følgende formel: sin( i) sin( b) = n n 2 Her er i indfaldsvinklen og b brydningsvinklen i forhold til vinkelnormalen på brydningsfalden, n og n 2 er brydningsindekset for henholdsvis det brudte og indkomne lys. Det store spørgsmål Det er et veletableret faktum, at lys kan have forskellige hastigheder i stoffer. Hvordan lyset præcist vekselvirker med stof er temmelig svært at svare på. Ligeledes kan man konstatere, at forskellige stoffer drejer polarisationen af lys på en bestemt måde, men at forklare, hvorfor det præcist sker, er meget svært. En forklaring på polarisationsfarver i klisterbånd Almindeligt klisterbånd er et godt materiale til at vise polarisationsfarver. Det har to forskellige brydningsindeks, som i de fleste tilfælde ligger henholdsvis er parallelt og vinkelret på båndets retning. Sendes lineært polariseret lys skråt ind på klisterbåndet vil det elektriske felt i lyset blive delt op i to komponenter en for hver af brydningsindeksene. Gennem båndet vil der ske et faseskift mellem komponenterne, hvorved lyset skifter polarisation. Når lyset ses gennem et sekundært polarisationsfilter vælges nogle af lysets bølgelængder ud, og dette er grunden til, at en farvevirkning opstår. Er der tale om et faseskift på π mellem de to komponenter, vil polarisationsretningen skifte 9 grader (se tabel ). For at dette kan ske, skal følgende betingelse være opfyldt: 2 π l ( n n2 λ ) = π p π + 2 p=,2,3... l er tykkelsen af materialet i synsretningen, λ er bølgelængden af lyset i vakuum, n og n 2 er brydningsindekserne for mediet. Ganske bestemte bølgelængder omkring λ vil altså dominere, når det sekundære filter er drejet 9 grader. Dette giver en karakteristisk polarisationsfarve. Drejes det sekundære filter til grader, ses det resterende lys, hvilket gerne skulle udgøre den komplementære polarisationsfarve, hvis det indkomne lys er hvidt. 2

13 En række krystaller har ligesom klisterbånd to forskellige brydningsindeks f.eks. kvarts eller is, sådanne materialer kaldes dobbeltbrydende. Ved tynde krystallag kan man også her se polarisationsfarver, når lineært polariseret lys sendes igennem krystallen og bliver analyseret vha. et sekundært filter. Hvis det indkomne lys ikke er vinkelret på de optiske akser (akserne defineret af de forskellige brydningsindeks) bliver lyset brudt, og hvis der er to brydningsindeks kan lyset blive delt op i to lysstråler. Denne effekt kan ses med relativt tykke krystaller, når man lægger en dobbeltbrydende krystal over et stykke tekst. Her vil du se to billeder af teksten, der er forskudt en smule i forhold til hinanden. Billedet ændrer sig, når krystallen drejes rund, da lyset under rotationen falder forskelligt ind på de optiske akser. 3

14 Farvelære Komplementær farver 4