Polariseret lys

Polariseret lys
1

1. 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 1. 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

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

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 Na2S2O3-5H2O - Natrium Thiosulfat Pentahydrat. Det blev
tidligere brugt til frembringelse af fotografier. Fixersalt er specielt, da det har et lavt smeltepunkt på
50° 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, KNO3 , i det. Opløsningen laves
4

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 1 .
Brug f.eks. 30 gram KNO3 til 60 ml vand. Ved 20° C har saltopløsningen et mætningspunkt på 32 g
/ 100 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
1 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

dette nemmere opløser sukkeret. Hæld opløsningen op i mindre 12 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

Bestem den specifikke drejningsvinkel for et eller flere
sukkeropløsninger. Den specifikke drejningsvinkel αD er den
målte drejningsvinkel α divideret med højden af væskesøjlen
h (målt i dm) og densiteten af stoffet ρ.
αD=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 αD
grader / (dm•g/mL)
Maltose, ligevægt +130,4
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

Øvelse 10. Synsvinkel og farveindtryk.
Kig fra forskellige indfaldsvinkler på et stykke plastik f.eks. klisterbånd eller celofan i
polarisationsapparatet. Noter, hvilke farveskift der kommer.
Øvelse 11. 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 90 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

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

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 1).
Tabel 1 – De forskellige polarisationsformer.
1
0
0 2 4 6 8
-1
Lineært polariseret lys. Det elektriske felts horisontale og
vertikale del er ikke forskudt.
1
0
0 1 2 3 4 5 6 7
-1
Elliptisk polariseret lys. Alt der ikke er cirkulært eller
lineært polariseret. Det elektriske felts horisontale og
vertikale del er her forskudt med π/4.
1
0
-1 0 1
-1
1
0
-1 0 1
-1
10

1
0
0 1 2 3 4 5 6 7
-1
Cirkulært polariseret lys. Det elektriske felts horisontale
og vertikale del er forskudt π/2.
1
0
0 1 2 3 4 5 6 7
-1
Elliptisk polariseret lys. Alt der ikke er cirkulært eller
lineært polariseret. Det elektriske felts horisontale og
vertikale del er her forskudt med 3π/4.
1
0
0 2 4 6 8
-1
Lineært polariseret lys. Det elektriske felts horisontale og
vertikale del er forskudt med π.
Basal teori for lysets vekselvirkning med stof.
1
0
-1 -0,5 0 0,5 1
-1
1
0
-1 -0,5 0 0,5 1
-1
1
0
-1 -0,5 0 0,5 1
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
-1
11

Brydningsindekset vil altid have en værdi over 1, for vand er det 1,33 og glas har brydningsindeks
på omkring 1,5. 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 ) n
=
sin( b)
n
Her er i indfaldsvinklen og b brydningsvinklen i forhold til vinkelnormalen på brydningsfalden, n1
og n2 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 90
grader (se tabel 1).
For at dette kan ske, skal følgende betingelse være opfyldt:
2 ⋅π
⋅ l ⋅ ( n1
− n2
) π
= p ⋅π
+
λ
2
2
1
p=1,2,3...
l er tykkelsen af materialet i synsretningen, λ er bølgelængden af lyset i vakuum, n1 og n2 er
brydningsindekserne for mediet.
Ganske bestemte bølgelængder omkring λ vil altså dominere, når det sekundære filter er drejet 90
grader. Dette giver en karakteristisk polarisationsfarve. Drejes det sekundære filter til 0 grader, ses
det resterende lys, hvilket gerne skulle udgøre den komplementære polarisationsfarve, hvis det
indkomne lys er hvidt.
12

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.
13

Farvelære – Komplementær farver
14