До сих пор мы говорили о средах, показатель преломления которых различен для разных направлений поляризации падающего светового пучка. Большое значение для практических применений имеют и другие среды, у которых в зависимости от поляризации света меняется не только показатель преломления, но и коэффициент поглощения. Как и в случае двойного лучепреломления, легко понять, что поглощение может зависеть от направления вынужденных колебаний зарядов только в анизотропных средах. Первый, старый, ставший уже знаменитым пример - это турмалин, а другой - поляроид. Поляроид состоит из тонкого слоя маленьких кристаллов герапатита (соль йода и хинина), выстроенных своими осями параллельно друг другу. Эти кристаллы поглощают свет, когда колебания происходят в одном каком-то направлении, и почти не поглощают света, когда колебания совершаются в другом направлении.
Направим на поляроид пучок света, поляризованный под углом к его оси. Какая интенсивность будет у пучка, прошедшего через поляроид? Разложим наш пучок света на две компоненты: одну с поляризацией, перпендикулярной той, которая проходит без ослабления (она пропорциональна ), и вторую - продольную компоненту, пропорциональную . Через поляроид пройдет только часть, пропорциональная ; компонента, пропорциональная , поглотится. Амплитуда света, прошедшего через поляроид, меньше амплитуды падающего света и получается из нее умножением на . Интенсивность света пропорциональна квадрату . Таким образом, если падающий свет поляризован под углом к оси поляроида, пропускаемая поляризатором доля интенсивности составляет от полной. Доля интенсивности, поглощаемая в поляроиде, есть, разумеется, .
Интересный парадокс возникает в следующем опыте. Известно, что два поляроида с осями, расположенными перпендикулярно друг другу, не пропускают света. Но если между такими поляроидами поместить третий, ось которого направлена под углом к осям двух других, часть света пройдет через нашу систему. Как мы знаем, поляроид только поглощает свет, создать свет он не может. Тем не менее, поставив третий поляроид под углом , мы увеличиваем количество прошедшего света. Вы можете сами проанализировать это явление в качестве упражнения.
Одно из интереснейших поляризационных явлений, возникающее не в сложных кристаллах и всяких специальных материалах, а в простом и очень хорошо знакомом случае - это отражение от поверхности. Кажется невероятным, но при отражении от стекла свет может поляризоваться, и объяснить физически такой факт весьма просто. На опыте Брюстер показал, что отраженный от поверхности свет полностью поляризован, если отраженный и преломленный в среде лучи образуют прямой угол. Этот случаи показан на фиг. 33.4.
Фигура 33.4. Отражение линейно поляризованного света под углом Брюстера.
Направление поляризации дается пунктирными стрелками: круглые точки изображают поляризацию, перпендикулярную плоскости страницы.
Если падающий луч поляризован в плоскости падения, отраженного луча не будет совсем. Отраженный луч возникает только при условии, что падающий луч поляризован перпендикулярно плоскости падения. Причину этого явления легко понять. В отражающей среде свет поляризован перпендикулярно направлению движения луча, а мы знаем, что именно движение зарядов в отражающей среде генерирует исходящий из нее луч, который называют отраженным. Появление этого так называемого отраженного луча объясняется не просто тем, что падающий луч отражается; мы теперь уже знаем, что падающий луч возбуждает движение зарядов в среде, а оно в свою очередь генерирует отраженный луч.
Из фиг. 33.4 ясно, что только колебания, перпендикулярные плоскости страницы, дают излучение в направлении отраженного луча, а следовательно, отраженный луч поляризован перпендикулярно плоскости падения. Если же падающий луч поляризован в плоскости падения, отраженного луча не будет совсем.
Это явление легко продемонстрировать при отражении линейно поляризованного луча от плоской стеклянной пластинки. Поворачивая пластинку под разными углами к направлению падающего поляризованного луча, можно заметить резкий спад интенсивности при значении угла, равном углу Брюстера. Это падение интенсивности наблюдается только в том случае, когда плоскость поляризации совпадает с плоскостью падения. Если же плоскость поляризации перпендикулярна плоскости паления, заметного спада интенсивности отраженного света не наблюдается.
Волны бывают двух видов. В продольных колебательное возмущение параллельно направлению их распространения. Примером может служить прохождение звука в воздухе. Поперечные волны состоят из возмущений, которые находятся под углом 90° к направлению перемещения. Так, например, волна, проходя горизонтально через массу воды, вызывает вертикальные колебания на ее поверхности.
Открытие явления
Ряд загадочных оптических эффектов, наблюдаемых в середине XVII века, был объяснен, когда поляризованный и естественный свет начал рассматриваться как волновой феномен и были обнаружены направления его колебаний. Первый так называемый эффект поляризации был открыт датским врачом Эразмом Бартолином в 1669 году. Ученый наблюдал двойную рефракцию, или двойное лучепреломление, в исландском шпате, или кальците (кристаллической форме карбоната кальция). Когда свет проходит через кальцит, кристалл расщепляет его, производя два изображения, смещенные относительно друг друга.
Ньютон знал об этом явлении и предположил, что, возможно, корпускулы света обладают асимметрией или «односторонностью», которая могла бы быть причиной формирования двух изображений. Гюйгенс, современник Ньютона, смог объяснить двойное преломление своей теорией элементарных волн, но он не понял истинного смысла эффекта. Двойное лучепреломление оставалось загадкой, пока и физик из Франции Огюстен-Жан Френель не предположили, что световые волны являются поперечными. Простая идея позволила объяснить, что такое поляризованный и естественный обеспечило естественную и неосложненную основу для анализа поляризационных эффектов.
Двойное лучепреломление вызвано комбинацией двух перпендикулярных поляризаций, каждая из которых обладает своей скоростью волны. Из-за разницы в скорости две составляющие имеют различные показатели преломления, и поэтому они по-разному преломляются через материал, производя два изображения.
Поляризованный и естественный свет: теория Максвелла
Френель быстро разработал комплексную модель поперечных волн, которые приводили к двойному лучепреломлению и ряду других оптических эффектов. Через сорок лет электромагнитная элегантно объяснила поперечную природу света.
Электромагнитные волны Максвелла составлены из магнитных и электрических полей, колеблющихся перпендикулярно направлению перемещения. Поля находятся под углом 90° друг другу. При этом направления распространения магнитного и электрического полей образуют правую систему координат. Для волны с частотой f и длиной λ (они связаны зависимостью λf = с ), которая движется в положительном направлении х, поля описываются математически:
- E(x, t) = E 0 cos (2 π x/λ - 2 π ft)y^;
- B(x, t) = B 0 cos (2 π x/λ - 2 π ft)z^.
Уравнения показывают, что электрическое и магнитное поля находятся в фазе друг с другом. В любой данный момент времени они одновременно достигают своих максимальных значений в пространстве, равных Е 0 и В 0 . Эти амплитуды не являются независимыми. Уравнения Максвелла показывают, что Е 0 = cB 0 для всех электромагнитных волн в вакууме.
Направления поляризации
В описании ориентации магнитного и электрического полей волны света обычно указывают только направление электрического поля. Вектор магнитного поля определяется требованием о перпендикулярности полей и их перпендикулярности к направлению движения. Естественный и линейно поляризованный свет отличаЕтся тем, что в последнем поля осциллируют в фиксированных направлениях по мере перемещения волны.
Возможны и другие состояния поляризации. В случае круговой векторы магнитного и электрического полей вращаются относительно направления распространения с постоянной амплитудой. Эллиптически поляризованный свет находится в промежуточном положении между линейной и круговой поляризациями.
Неполяризованный свет
Атомы на поверхности нагретой нити накаливания, которые генерируют электромагнитное излучение, действуют, независимо друг от друга. Каждое излучение можно приблизительно смоделировать в виде коротких цугов продолжительностью от 10 -9 до 10 -8 секунды. Электромагнитная волна, исходящая от нити накаливания, представляет собой суперпозицию этих цугов, каждый из которых имеет собственное направление поляризации. Сумма ориентированных случайным образом цугов образует волну, вектор поляризации которой изменяется быстро и беспорядочно. Такая волна называется неполяризованной. Все включая Солнце, лампы накаливания, люминесцентные лампы и пламя, производят такое излучение. Однако естественный свет часто бывает частично поляризован из-за множественного рассеяния и отражения.
Таким образом, отличие поляризованного света от естественного состоит в том, что в первом колебания совершаются в одной плоскости.
Источники поляризованного излучения
Поляризованный свет может быть произведен в случаях, когда определена пространственная ориентация. Одним из примеров является при котором высокоэнергичные заряженные частицы движутся в магнитном поле и излучают поляризованные электромагнитные волны. Существует много известных астрономических источников, излучающих естественно поляризованный свет. В их число входят туманности, остатки сверхновых и активные галактические ядра. Поляризация космического излучения изучается для того, чтобы определить свойства его источников.
Фильтр поляроид
Поляризованный и естественный свет разделяются при прохождении через ряд материалов, наиболее распространенным из которых является поляроид, созданный американским физиком Эдвином Лэндом. Фильтр состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, ориентированных в одном направлении путем процесса термической обработки. Молекулы избирательно поглощают излучение, электрическое поле которого параллельно их ориентации. Свет, выходящий из поляроида, линейно поляризован. Его электрическое поле перпендикулярно направлению ориентации молекул. Поляроид нашел применение во многих областях, включая солнцезащитные очки и светофильтры, снижающие эффект отраженного и рассеянного света.
Естественный и поляризованный свет: закон Малюса
В 1808 году физик Этьен-Луи Малюс обнаружил, что свет, отраженный от неметаллических поверхностей, частично поляризуется. Степень этого эффекта зависит от угла падения и показателя преломления отражающего материала. В одном из крайних случаев, когда тангенс угла падения луча в воздухе равен показателю преломления отражающего материала, отраженный свет становится полностью линейно поляризованным. Это явление известно как закон Брюстера (назван так в честь его первооткрывателя, шотландского физика Дэвида Брюстера). Направление поляризации параллельно отражающей поверхности. Так как дневные блики, как правило, возникают при отражении от горизонтальных поверхностей, таких как дороги и вода, в солнечных очках часто используются фильтры, чтобы снять горизонтально поляризованный свет и, следовательно, выборочно удалить отблески света.
Рэлеевское рассеяние
Рассеяние света очень мелкими объектами, размеры которых намного меньше длины волны (так называемое рэлеевское рассеяние по имени английского ученого лорда Рэлея), также создает частичную поляризацию. Когда солнечное излучение проходит через земную атмосферу, оно рассеивается молекулами воздуха. Земли достигает рассеянный поляризованный и естественный свет. Степень его поляризации зависит от угла рассеяния. Поскольку человек не различает естественный и поляризованный свет, то этот эффект, как правило, остается незамеченным. Тем не менее глаза многих насекомых на него реагируют, и они используют относительную поляризацию рассеянного излучения как навигационный инструмент. Обычный светофильтр фотоаппарата, применяемый для уменьшения фонового излучения при ярком солнечном освещении, представляет собой простой линейный поляризатор, который разделяет естественный и поляризованный свет Рэлея.
Анизотропные материалы
Эффекты поляризации наблюдаются в оптически анизотропных материалах (в которых изменяется с направлением поляризации), таких как двулучепреломляющие кристаллы, некоторые биологические структуры и оптически активные материалы. Технологическое применение включает поляризационные микроскопы, жидкокристаллические дисплеи и оптические приборы, используемые для исследования материалов.
Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой электромагнитную волну, т. е. совокупность двух поперечных взаимно перпендикулярных волн - электрической (образованной колебанием вектора напряженности электрического поля и магнитной (образованной колебанием вектора напряженности магнитного поля идущих вдоль общей прямой называемой световым лучом (рис. 337).
Луч (свет), у которого электрические колебания совершаются все время в одной и только одной плоскости, называется поляризованным лучом (светом); разумеется, что при этом магнитные колебания совершаются в другой (перпендикулярной) плоскости (названной плоскостью поляризации света). Из данного определения следует, что свет, излучаемый отдельным атомом, является поляризованным (во всяком случае в течение всего периода излучения этого атома).
Опыт и теория показывают, что химическое, физиологическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями. Поэтому, а также для упрощения рисунков, изображающих световую волну (или луч), мы будем в дальнейшем говорить только об электрических колебаниях, а плоскость, в которой они совершаются, называть плоскостью световых колебаний, или просто плоскостью колебаний. Тогда луч поляризованного света можно схематически изобразить так, как это сделано на рис. 338, а (луч перпендикулярен плоскости рисунка; векторы соответствуют амплитудным значениям напряженности электрического поля
На практике мы никогда не встречаемся со светом от одного отдельного атома, поскольку всякий реальный источник света (светящееся тело) состоит из множества атомов, излучающих беспорядочно, т. е. испускающих световые волны со всевозможными ориентациями плоскости колебаний. Эти волны налагаются друг на друга, в результате чего любому лучу, исходящему от реального (естественного) источника света, будет соответствовать множество разнообразно ориентированных плоскостей колебания (рис. 338, б). Такой луч (свет) является неполяризованным и называется естественным лучом (светом).
Обычно интенсивность излучения каждого из атомов, составляющих светящееся тело, в среднем одинакова; поэтому у естественного света амплитудные (максимальные) значения вектора одинаковы во всех плоскостях колебания. Бывают, однако, случаи, когда у светового луча амплитудные значения вектора оказываются неодинаковыми для различных плоскостей колебания; такой луч называется частично поляризованным. На рис. 338, в изображен частично поляризованный луч, у которого колебания совершаются преимущественно в вертикальной плоскости.
В отличие от естественного поляризованный свет характеризуется не только интенсивностью (зависящей от амплитуды напряженности поля и цветом (зависящим от длины волны X), но еще и положением
плоскости колебаний. Поэтому, например, поляризованные лучи 1, 2 и 3 (рис. 339), интенсивность и цвет которых одинаковы, не тождественны друг другу. Однако человеческий глаз не обнаруживает различия между поляризованными лучами, имеющими различную ориентацию плоскости колебания, и вообще не отличает поляризованного света от естественного.
Естественный свет можно поляризовать, т. е. превратить его в поляризованный свет. Для этого надо создать такие условия, при которых колебания вектора напряженности электрического поля могли бы совершаться только вдоль одного определенного направления. Подобные условия могут, например, иметь место при прохождении естественного света через среду, анизотропную в отношении электрических колебаний. Как известно, анизотропия свойственна кристаллам (см. § 51). Поэтому можно ожидать поляризации света, проходящего через кристалл. Действительно, опыт показывает, что многие природные и искусственно созданные кристаллы поляризуют проходящий через них естественный свет.
В самых общих чертах физическая сущность процесса поляризации света, проходящего через кристалл, состоит в следующем. Согласно электромагнитной теории Максвелла (см. § 105), переменное электрическое поле световой волны вызывает в кристаллическом диэлектрике переменный поляризационный ток, т. е. переменное смещение заряженных частиц (атомов, ионов), составляющих кристаллическую решетку. Поляризационный ток выделяет джоулево тепло; следовательно, в кристалле происходит превращение световой энергии в теплоту.
Благодаря анизотропии кристалла возможная величина смещения его частиц, а следовательно, и сила поляризационного тока оказываются неодинаковыми для различных плоскостей кристаллической решетки. Очевидно, что световая волна, идущая в плоскости, соответствующей значительным возможным смещениям частиц, вызывает сильный поляризационный ток и потому практически полностью поглощается кристаллом. Если же световая волна идет в плоскости, соответствующей малым смещениям частиц, то она вызывает слабый поляризационный ток и проходит через кристалл без существенного поглощения.
Таким образом, из электрических колебаний естественного света, имеющих всевозможные направления, через кристалл проходят (без поглощения) только те, которые совершаются в плоскости, соответствующей минимуму поляризационного тока; остальные колебания в той или иной мере ослабляются, так как через кристалл проходят только их проекции на эту плоскость. В результате у света, прошедшего через кристалл, электрические колебания совершаются лишь в одной определенной плоскости, т. е. свет оказывается поляризованным.
К природным кристаллам, поляризующим свет, относится, например, турмалин. Естественный луч, прошедший через пластинку турмалина вырезанную параллельно оптической оси кристалла, полностью поляризуется и имеет электрические колебания только в главной плоскости в плоскости, содержащей оптическую ось и луч (рис. 340).
В каждом кристалле имеется направление, относительно которого атомы (или ионы) кристаллической решетки расположены симметрично; оно называется оптической осью кристалла. Подчеркнем, что оптическая ось - это не какая-то одна линия, а определенное направление в кристалле; все прямые, проведенные в кристалле параллельно этому направлению, являются оптическими осями.
Если естественный луч идет вдоль оптической оси, то все его электрические колебания перпендикулярны ей. В таком случае (благодаря симметричному расположению частиц кристалла относительно оптической оси) все электрические колебания совершаются в одинаковых условиях и все они проходят через кристалл. Поэтому естественный луч, идущий вдоль оптической оси, не поляризуется. При всех иных направлениях луча имеет место его поляризация.
Если за пластинкой 1 помещена вторая пластинка турмалина 2, ориентированная так, что ее оптическая ось перпендикулярна оптической оси пластинки то через вторую пластинку луч не пройдет (так как его электрические колебания перпендикулярны главной плоскости пластинки 2). Если же оптически оси пластинок 1 и 2 составляют угол а, отличный от то свет (луч) проходит через пластинку 2. Однако, как это следует из рис. 341, амплитуда световых колебаний, прошедших через пластинку 2, будет меньше амплитуды световых колебаний, падающих на эту пластинку:
Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний, то
где интенсивность света, падающего на пластинку 2, У - интенсивность света, прошедшего через эту пластинку. Соотношение (12) называется законом Малюса.
Таким образом, поворот пластинки 2 вокруг поляризованного луча сопровождается изменением интенсивности света, прошедшего через эту пластинку; максимум интенсивности имеет место при минимум (соответствующий полному гашению света) - при
Пластинка 7, поляризующая естественный свет, называется поляризатором, а пластинка 2, посредством которой изменяется интенсивность поляризованного света (и тем самым обнаруживается факт поляризации), называется анализатором. Понятно, что обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами); данные названия характеризуют лишь назначение пластинок.
Следует отметить, что турмалин обладает значительным селективным поглощением - пропускает преимущественно зеленый свет; это является недостатком турмалина как поляризатора (и анализатора).
В последние годы для поляризации света широко применяются так называемые поляроиды (поляризационные фильтры). Поляроид представляет собой прозрачную полимерную пленку толщиной около содержащую множество мелких искусственных кристалликов - поляризаторов, например кристалликов герапатита (сульфат иодистого хинина). Оптические оси всех кристалликов герапатита ориентируются в одном направлении в процессе изготовления поляроида. Поляроидная пленка сравнительно недорога, весьма эластична, имеет большую площадь, обладает почти одинаковым (незначительным) поглощением для всех длин волн видимого света.
Одним из интересных практических применений поляроида является его использование на автотранспорте для защиты водителей от слепящего действия фар встречных автомашин. С этой целью на ветровое стекло и на стекла фар наклеиваются поляроидные пленки, оптические оси которых параллельны и составляют 45° с горизонтом. Тогда, как это видно на рис. 342, оптическая ось поляроида ветрового стекла одной машины будет перпендикулярна оптической
оси поляроида фар встречной машины (ориентация оптических осей показана на рисунке стрелками). Согласно закону Малюса, при такой ориентации оптических осей поляроидов поляризованный свет фар не пройдет через ветровое стекло встречной машины; следовательно, водитель практически не видит света фар встречных машин (но увидит, конечно, эти машины в свете фар своего автомобиля).
Сегодня раскроем сущность волновой природы света и связанное с этим фактом явление «степень поляризации».
Способность видеть и свет
Природа света и связанная с ней способность видеть волновала человеческие умы давно. Древние греки, пытаясь объяснить зрение, предполагали: либо глаз испускает некие «лучи», которые «ощупывают» окружающие предметы и тем самым сообщают человеку их вид и форму, либо сами вещи излучают нечто, что улавливают люди и судят о том, как все устроено. Теории оказались далеки от истины: живые существа видят благодаря отраженному свету. От осознания этого факта до умения вычислить, чему степень поляризации равна, оставался один шаг - понять, что свет является волной.
Свет - это волна
При более детальном изучении света выяснилось: при отсутствии помех он распространяется по прямой линии и никуда не сворачивает. Если на пути луча встает непрозрачное препятствие, то образуются тени, а куда уходит сам свет, людей не интересовало. Но стоило излучению столкнуться с прозрачной средой, происходили удивительные вещи: луч менял направление распространения и тускнел. В 1678 году Х. Гюйгенс предположил, что это можно объяснить единственным фактом: свет - это волна. Ученый сформировал принцип Гюйгенса, который чуть позже был дополнен Френелем. Благодаря чему сегодня люди знают, как определить степень поляризации.
Принцип Гюйгенса-Френеля
Согласно этому принципу, любая точка среды, до которой дошел фронт волны, является вторичным источником когерентного излучения, а огибающая всех фронтов этих точек выступает в качестве фронта волны в следующий момент времени. Таким образом, если свет распространяется без помех, в каждый следующий момент фронт волны будет таким же, как и в предыдущий. Но стоит лучу встретить препятствие, как вступает в силу другой фактор: в непохожих средах свет распространяется с разными скоростями. Таким образом, тот фотон, который успел добраться до другой среды первым, распространится в ней быстрее, чем последний фотон из луча. Следовательно, фронт волны наклонится. Степень поляризации здесь пока что ни при чем, но понимать это явление в полной мере просто необходимо.
Время процессов
Стоит отдельно сказать, что все эти изменения происходят невероятно быстро. Скорость света в вакууме составляет триста тысяч километров в секунду. Любая среда замедляет свет, но не намного. Время, за которое фронт волны исказится при переходе из одной среды в другую (например, из воздуха в воду), чрезвычайно мало. Человеческий глаз не может этого заметить, да и мало какой прибор способен зафиксировать столь короткие процессы. Так что понимать явление стоит чисто теоретически. Теперь, в полной мере осознавая, что такое излучение, читатель захочет понять, как найти степень поляризации света? Не будем обманывать его ожиданий.
Поляризация света
Выше мы уже упоминали, что в разных средах фотоны света имеют различную скорость. Так как свет - это поперечная электромагнитная волна (не является сгущением и разрежением среды), то у нее есть две основные характеристики:
- волновой вектор;
- амплитуда (также
Первая характеристика указывает, куда направляется луч света, при этом возникает вектор поляризации, то есть в какую сторону направлен вектор напряженности электрического поля. Это дает возможность вращения вокруг волнового вектора. Естественный свет, например, излучаемый Солнцем, не имеет поляризации. Колебания распространены во все стороны с равной вероятностью, не существует какого-либо избранного направления или фигуры, вдоль которой колеблется конец волнового вектора.
Виды поляризованного света
Прежде чем научиться вычислять формулу степени поляризации и производить расчеты, стоит понять, какие бывают виды поляризованного света.
- Эллиптическая поляризация. Конец волнового вектора такого света описывает эллипс.
- Линейная поляризация. Это частный случай первого варианта. Как понятно из названия, картина при этом - одно направление.
- Круговая поляризация. По-другому она еще называется циркулярной.
Любой естественный свет можно представить как сумму двух взаимно перпендикулярно поляризованных элементов. При этом стоит помнить, что две перпендикулярно поляризованные волны не взаимодействуют. Их интерференция невозможна, так как с точки зрения взаимодействия амплитуд они как бы не существуют друг для друга. Когда они встречаются, то просто проходят дальше, не изменяясь.
Частично поляризованный свет
Применение эффекта поляризации огромно. Направив на объект естественный свет, а получив частично поляризованный, ученые могут судить о свойствах поверхности. Но как определить степень поляризации частично поляризованного света?
Существует формула Н.А. Умова:
P=(I пер -I пар)/(I пер +I пар), где I пер - это интенсивность света в направлении, перпендикулярном плоскости поляризатора или отражающей поверхности, а I пар - параллельном. Величина Р может принимать значения от 0 (для естественного света, лишенного какой-либо поляризации) до 1 (для плоско поляризованного излучения).
Может ли естественный свет быть поляризованным?
Вопрос на первый взгляд странный. Ведь излучение, в котором нет каких-либо выделенных направлений, принято называть естественным. Однако для обитателей поверхности Земли это в некотором смысле приближение. Солнце дает поток электромагнитных волн различных длин. Это излучение не поляризовано. Но проходя сквозь толстый слой атмосферы, излучение приобретает незначительную поляризацию. Так что степень поляризации естественного света в целом не равна нулю. Но величина настолько мала, что ею часто пренебрегают. Учитывается она только в случае точных астрономических вычислений, где малейшая погрешность может прибавить звезде лет или расстояния до нашей системы.
Почему свет поляризуется?
Выше мы часто говорили, что в непохожих средах фотоны ведут себя по-разному. Но не упомянули почему. Ответ зависит от того, о какой именно среде мы говорим, другими словами, в каком агрегатном состоянии она находится.
- Среда - кристаллическое тело со строго периодическим строением. Обычно структуру такого вещества представляют как решетку с неподвижными шариками - ионами. Но в целом это не совсем точно. Такое приближение часто бывает оправдано, но не в случае взаимодействия кристалла и электромагнитного излучения. На самом деле каждый ион колеблется около своего положения равновесия, причем не хаотически, а в соответствии с тем, какие у него соседи, на каких расстояниях находятся и сколько их. Так как все эти колебания строго запрограммированы жесткой средой, то и излучить поглощенный фотон этот ион способен только строго определенной формы. Этот факт порождает другой: какова будет поляризация выходящего фотона, зависит от направления, в котором он вошел в кристалл. Это называется анизотропией свойств.
- Среда - жидкость. Здесь ответ сложнее, так как действуют два фактора - сложность молекул и флуктуации (сгущения-разрежения) плотности. Само по себе сложные длинные органические молекулы имеют определенное строение. Даже простейшие молекулы серной кислоты представляют собой не хаотический шарообразный сгусток, а вполне конкретную крестовидную форму. Другое дело, что все они в нормальных условиях располагаются хаотически. Однако второй фактор (флуктуация) способен создать такие условия, при которых небольшое количество молекул образуют в небольшом объеме нечто вроде временной структуры. При этом либо все молекулы будут сонаправлены, либо будут располагаться относительно друг друга под какими-то определенными углами. Если свет в это время пройдет сквозь такой участок жидкости, он приобретет частичную поляризацию. Отсюда следует вывод, что температура сильно влияет на поляризацию жидкости: чем выше температура, тем серьезнее турбулентность, и тем больше таких участков будет образовываться. Последний вывод существует благодаря теории самоорганизации.
- Среда - газ. В случае однородного газа поляризация происходит за счет флуктуаций. Именно поэтому естественный свет Солнца, пройдя сквозь атмосферу, приобретает небольшую поляризацию. И именно поэтому цвет неба голубой: средний размер уплотненных элементов такой, что рассеивается электромагнитное излучение голубого и фиолетового цветов. Но если мы имеем дело со смесью газов, то вычислить степень поляризации намного сложнее. Эти проблемы часто решают астрономы, которые исследуют свет звезды, прошедшей сквозь плотное молекулярное облако газа. Поэтому так сложно и интересно изучать далекие галактики и скопления. Но астрономы справляются и дарят изумительные фотографии глубокого космоса людям.
Естественный свет - оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряжённости эл.-магн. поля, причём все направления колебаний, перпендикулярные к световым лучам, равновероятны.
Поляризованный – свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом.
Частично-поляризованный свет – если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное направление колебаний вектора Е.
Плоскополяризованный – если колебания вектора Е происходят только в одной плоскости.
Интенсивность
света после поляризатора определяется
законом Малюса. I=I 0 *cos 2 α
I 0 -интенсивность до поляризатора; I – интенсивность после поляризатора; α – угол между вектором Е и плоскостью поляризации.
Пусть на 2 поляризатора падает естественный свет.
I 1 =1/2*I ест
I 2 =1/2*I ест *cos 2 α=I 1 *cos 2 α
Степень поляризации луча Δ=(Imax-Imin)/(Imax*Imin)
22. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.
Поляризованный
свет можно получить, используя отражение
или преломление света от диэлектрических
изотропных сред. Если угол падения света
на границу раздела двух диэлектриков
отличен от нуля, отраженный и преломленный
лучи оказываются частично поляризованными.
Степень поляризации того и другого луча
зависит от угла падения луча. У каждой
пары прозрачных сред существует такой
угол падения, при котором отраженный
свет становится полностью
плоскополяризованным, а преломленный
луч остается частично поляризованным,
но степень его поляризации при этом
угле максимальна. Этот угол называется
углом Бpюстеpа. Угол Брюстера определяется
из условия: tgφ Бр =n 21 =n 2 /n 1
23. Естественный и поляризованный свет. Вращение плоскости поляризации.
Плоскость, в которой совершает колебания вектор Е, называется плоскостью колебаний, а вектор Н – плоскостью поляризации.
Если колебания вектора Е упорядочены каким-либо образом, свет называется поляризованным. Если в одной плоскости – плоско-поляризованным.
Если колебания Е в одной плоскости преобладают над другими – свет частично поляризованный.
В естественном свете вектор Е не испытывает асимметрии относительно направления распространения луча.
Плоско поляризованный свет получают с помощью приборов – поляризаторов.
Интенсивность света поле поляризаторов определяют по закону Малюса: I=I o COS 2 α , где I o – интенсивность до поляризатора, I – после, α – угол между Е и плоскостью поляризации.
Степенью поляризации луча называется величина, равная: Δ=(I max -I min)/(I max +I min)
Для естественного света Δ=0, для плоско поляризованного Δ=1, для частично поляризованного 0<Δ<1.
Плоско поляризованный свет получается при отражении от границы раздела двух сред, если угол падения равен углу Брюстера: tgα бр =n 21 =n 2 /n 1
При прохождении света через оптически активное вещество вектор Е поворачивается. Данное явление называется вращением плоскости поляризации.
Угол поворота плоскости поляризации для кристаллов и чистых жидкостей: ϕ=αd; для растворов: ϕ=[α]cd , где d - расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, a ([a]) - так называемое удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концентрации - для растворов), С - массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м3. Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме.
Явление вращения плоскости поляризации можно объяснить с помощью двух предположений Френеля:
Любая плоско поляризованная волна может быть представлена как 2 волны, поляризованные по кругу с правым и левым вращением
Скорости вращения в оптически активном веществе разные.