Materie & Energie

Licht - Unpolarisiertes Licht

Unpolarisiertes Licht

Die Atome auf der Oberfläche eines erhitzten Filaments, die Licht erzeugen, wirken unabhängig voneinander. Jede ihrer Emissionen kann ungefähr als kurze „Wellenzug “von etwa 10 –9 bis 10 –8 Sekunden. Die vom Filament ausgehende elektromagnetische Welle ist eine Überlagerung dieser Wellenzüge, von denen jeder seine eigene Polarisationsrichtung hat . Die Summe der zufällig ausgerichteten Wellenzüge ergibt eine Welle, deren Polarisationsrichtung sich schnell und zufällig ändert. Eine solche Welle soll unpolarisiert sein. Alle gängigen Lichtquellen, einschließlich Sonne , Glühlampen und Leuchtstofflampen sowie Flammen, erzeugen unpolarisiertes Licht. Natürliches Licht ist jedoch häufig aufgrund mehrfacher Streuungen und Reflexionen teilweise polarisiert.

Polarisierte Lichtquellen

Polarisiertes Licht kann unter Umständen erzeugt werden, bei denen eine räumliche Ausrichtung definiert ist. Ein Beispiel istSynchrotronstrahlung , bei der sich hochenergetisch geladene Teilchen in einem Magnetfeld bewegen und polarisierte elektromagnetische Wellen emittieren. Es gibt viele bekannte astronomische Quellen für Synchrotronstrahlung, einschließlich Emissionsnebeln , Supernova-Überresten und aktiven galaktischen Kernen ; Die Polarisation von astronomischem Licht wird untersucht, um auf die Eigenschaften dieser Quellen schließen zu können.

Natürliches Licht wird beim Durchgang durch eine Reihe von Materialien polarisiert, am häufigsten Polaroid . Eine vom amerikanischen Physiker Edwin Land erfundene Polaroidschicht besteht aus langkettigen Kohlenwasserstoffmolekülen , die durch einen Wärmebehandlungsprozess in eine Richtung ausgerichtet sind. Die Moleküle absorbieren vorzugsweise jegliches Licht mit einem elektrischen Feld parallel zur Ausrichtungsrichtung. Das aus einem Polaroid austretende Licht ist linear polarisiert, wobei sein elektrisches Feld senkrecht zur Ausrichtungsrichtung ist. Polaroid wird in vielen Anwendungen verwendet, einschließlich Sonnenbrillen und Kamerafiltern, um reflektiertes und gestreutes Licht zu entfernen.

1808 der französische Physiker Étienne-Louis Malus entdeckte, dass natürliches Licht, wenn es von einer nichtmetallischen Oberfläche reflektiert wird, teilweise polarisiert ist. Der Polarisationsgrad hängt vom Einfallswinkel und vom Brechungsindex des reflektierenden Materials ab. In einem Extremfall ist das reflektierte Licht zu 100 Prozent linear polarisiert, wenn die Tangente des einfallenden Lichtwinkels in Luft gleich dem Brechungsindex des reflektierenden Materials ist. das ist bekannt alsBrewsters Gesetz (nach seinem Entdecker der schottische Physiker David Brewster ). Die Polarisationsrichtung verläuft parallel zur reflektierenden Oberfläche. Da Tagesblendung normalerweise durch Reflexionen von horizontalen Oberflächen wie Straßen und Wasser verursacht wird, werden Polarisationsfilter häufig in Sonnenbrillen verwendet, um horizontal polarisiertes Licht zu entfernen und so Blendung selektiv zu entfernen.

Die Streuung von unpolarisiertem Licht durch sehr kleine Objekte mit Größen, die viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind (genannt Rayleigh-Streuung erzeugt nach dem englischen Wissenschaftler Lord Rayleigh ebenfalls eine partielle Polarisation. Wenn Sonnenlicht durch die Erdatmosphäre fällt, wird es von Luftmolekülen gestreut. Das gestreute Licht, das den Boden erreicht, ist teilweise linear polarisiert, wobei das Ausmaß seiner Polarisation vom Streuwinkel abhängt. Da menschliche Augen nicht empfindlich auf die Polarisation von Licht reagieren, bleibt dieser Effekt im Allgemeinen unbemerkt. Allerdings die Augen vieler Insektenreagieren auf Polarisationseigenschaften und verwenden die relative Polarisation des Umgebungslichts als Navigationswerkzeug. Ein üblicher Kamerafilter zur Reduzierung des Hintergrundlichts bei strahlendem Sonnenschein ist ein einfacher linearer Polarisator, der Rayleigh-Streulicht vom Himmel zurückweist.

Polarisationseffekte sind in optisch anisotropen Materialien (bei denen der Brechungsindex mit der Polarisationsrichtung variiert) wie doppelbrechenden Kristallen und einigen biologischen Strukturen sowie in optisch aktiven Materialien zu beobachten. Technologische Anwendungen umfassen Polarisationsmikroskope, Flüssigkristallanzeigen und optische Instrumente zur Materialprüfung .

Energietransport

Der Energietransport durch Licht spielt im Leben eine entscheidende Rolle. Über 10 22 Joule von Solarstrahlungsenergie erreicht die Erde jeden Tag. Vielleicht die Hälfte dieser Energie erreicht die Erdoberfläche, der Rest wird in der Atmosphäre absorbiert oder gestreut. Die Erde wiederum strahlt kontinuierlich elektromagnetische Energie ab (vorwiegend im Infrarot). Zusammen bestimmen diese Energietransportprozesse die Energiebilanz der Erde, legen ihre Durchschnittstemperatur fest und bestimmen ihre globalen Wettermuster. Die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie durch Photosynthese in Pflanzen erhält das Leben auf der Erde. Die fossilen Brennstoffedass Macht industrielle Vereins- Erdgas , Erdöl und Kohle -sind schließlich vor organische Formen der Solarenergie abgeschieden auf der Erde Millionen von Jahren gespeichert.

Das elektromagnetische Wellenmodell des Lichts erklärt natürlich den Ursprung des Energietransports. In einer elektromagnetischen Welle wird Energie in den elektrischen und magnetischen Feldern gespeichert; Wenn sich die Felder mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten , wird der Energieinhalt transportiert. Das richtige Maß für den Energietransport in einer elektromagnetischen Welle ist seineBestrahlungsstärke oder Intensität, die der Geschwindigkeit entspricht, mit der Energie eine Flächeneinheit passiert, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist . Die zeitlich gemittelte Bestrahlungsstärke I für eine harmonische elektromagnetische Welle hängt mit den Amplituden der elektrischen und magnetischen Felder zusammen: I = ε 0 c 2 E 0 B 0/2 Watt pro Quadratmeter.

Die Bestrahlungsstärke des Sonnenlichts am oberen Rand der Erdatmosphäre beträgt etwa 1.350 Watt pro Quadratmeter; Dieser Faktor wird als Sonnenkonstante bezeichnet . Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Technologien zu entwickeln, mit denen diese Sonnenenergie in direkt nutzbare thermische oder elektrische Energie umgewandelt werden kann.