Il cuscino di ottica di A. Stefanel

Il cuscino di ottica A cura di
A. Stefanel

Polarizzazione per birifrangenza

Finalità
Riconoscere che la luce non polarizzata, quando attraversa in determinate direzioni cristalli birifrangenti, dà luogo contemporaneamente a due distinti raggi rifratti, polarizzati secondo due piani tra loro ortogonali. Uno dei raggi segue le leggi della rifrazione ordinaria, l’altro, è caratterizzato da una rifrazione anomala.

Materiale necessario 
Uno o più cristalli birifrangenti (es.: calcite tipo Spato d’Islanda, tormalina);

una pagina scritta e/o un figlio su cui viene disegnata una lettera/un simbolo;

due o più polaroid
.

Descrizione della procedura e delle osservazioni da compiere.
1. Si appoggia un cristallo birifrangente su un libro. Se si osserva attraverso il cristallo si riconoscono due immagini delle scritte presenti sul libro (Figure 1 e 2)

Figura 1. Due cristalli di calcite (spato d’Islanda) sono posti sul frontespizio di un libro. Si possono osservare due immagini delle scritte sottostanti

Figura 2. Nella foto riportata, in cui è ingrandito uno dei due cristalli della figura precedente, è ben visibile la doppia immagine della scritta sottostante.

Il cristallo di calcite, a differenza di un normale mezzo rifrangente come per esempio il vetro, produce contemporaneamente due raggi rifratti.
2. Se si ruota il cristallo intorno ad un asse verticale si osserva che una delle immagini resta pressoché nella stessa posizione (per piccoli angoli di rotazione), l’altra immagine ruota intorno alla posizione della prima. La prima immagine si forma secondo le leggi ordinarie della rifrazione, la seconda si forma in base ad una rifrazione di tipo diverso da quella che caratterizza i comuni mezzi rifrangenti. Il fascio di luce che si trasmette secondo le leggi note della rifrazione prende il nome di fascio ordinario, l’altro quello di fascio straordinario.
(Figura 3).

Figura 3. Il cristallo viene ruotato. La freccia blu indica la posizione dell’immagine che si forma per rifrazione ordinaria, quella rossa. Il diverso comportamento delle due immagini emerge più chiaramente quando si considerano piccole rotazioni e l’immagine prodotta dal raggio straordinario è a 45° rispetto alle frecce di riferimento disegnate sul foglio.

3. Sopra al cristallo si appoggia un polaroid. L’intensità della luce trasmessa diminuisce. Se si ruota il polaroid intorno ad un asse verticale si osserva che l’intensità delle due immagini varia. In particolare disponendo il polaroid secondo una certa direzione si osserva solo l’immagine trasmessa dai raggi ordinari e una direzione per cui si osserva solo l’immagine del fascio straordinario (Figura 4).

Figura 4. Sopra al cristallo di calcite viene appoggiato un polaroid. Il polaroid viene disposto secondo gli assi di simmetria del cristallo. Nei due casi si osserva solo una delle due immagini trasmessa dal cristallo.

I due fasci di luce trasmessi da un cristallo birifrangente sono polarizzati linearmente, secondo piani mutuamente ortogonali.

4. Il cristallo viene appoggiato sopra ad un polaroid. A seconda della sua orientazione si osserva una diversa intensità delle due immagini (figura 5).
In particolare si riconosce che esiste una direzione in cui si osserva solo una delle immagini e una direzione per cui si osserva solo l’altra immagine. Se si sovrappone al cristallo un altro polaroid l’immagine appare più intensa solo quando i polaroid sono disposti con i piani di trasmissione paralleli

 

Figura 6. Il cristallo viene appoggiato sul polaroid in modo da vedere una o l’altra delle immagini trasmesse. Se si sovrappone un altro polaroid si osserva più intensamente l’immagine quando i polaroid sono disposti con i piani di trasmissione paralleli.

Se su un cristallo di calcite incide luce polarizzata l’intensità dei due fasci trasmessi varia a seconda della orientazione del cristallo rispetto al piano di polarizzazione della luce incidente. In particolare se la polarizzazione della luce incidente è la stessa di quella del raggio ordinario solo quest’ultimo si propaga, altrimenti si propaga solo il raggio straordinario se la luce incidente ha la stessa polarizzazione di quest’ultimo.

5. Se si fa incidere un fascio laser su un cristallo birifrangente si possono ripetere le osservazioni evidenziate nel punto precedente. Si riconosce inoltre che dal cristallo emergono in generale due fasci paralleli fra loro, la cui separazione è funzione dello spessore del cristallo.

 

 

 

Considerazioni conclusive
La luce che attraversa un cristallo birifrangente si scompone in generale in due fasci: uno segue la legge della rifrazione di Cartesio-Snell (associato al raggio ordinario), l’altro si comporta in modo anomalo. Entrambi i fasci risultano polarizzati secondo piani mutuamente ortogonali. Se la luce incidente è polarizzata linearmente le intensità dei due fasci che si trasmettono nel cristallo sono diverse a seconda del piano di polarizzazione della luce incidente. Se detto piano coincide con quello di uno dei due fasci nel cristallo si propaga solo il fascio che ha quella definita polarizzazione, mentre si estingue l’altro.