Досі ми говорили про середовища, показник заломлення яких різний для різних напрямків поляризації падаючого світлового пучка. Велике значення для практичних застосувань мають інші середовища, у яких залежно від поляризації світла змінюється як показник заломлення, а й коефіцієнт поглинання. Як і у випадку подвійного променезаломлення, легко зрозуміти, що поглинання може залежати від напряму вимушених коливань зарядів тільки в анізотропних середовищах. Перший, старий приклад, що став знаменитим, - це турмалін, а інший - поляроїд. Поляроїд складається з тонкого шару маленьких кристалів герапатиту (сіль йоду та хініну), збудованих своїми осями паралельно один одному. Ці кристали поглинають світло, коли коливання відбуваються в одному якомусь напрямку, і майже не поглинають світла, коли коливання відбуваються в іншому напрямку.
Направимо на поляроїд пучок світла, поляризований під кутом до його осі. Яка інтенсивність буде у пучка, що пройшов через поляроїд? Розкладемо наш пучок світла на дві компоненти: одну з поляризацією, перпендикулярною до тієї, яка проходить без ослаблення (вона пропорційна), і другу - поздовжню компоненту, пропорційну. Через поляроїд пройде лише частина, пропорційна; компонента, пропорційна, поглинеться. Амплітуда світла, що пройшло через поляроїд, менше амплітуди падаючого світла і виходить з неї множенням на . Інтенсивність світла пропорційна квадрату. Таким чином, якщо падаючий світло поляризований під кутом до осі поляроіда, частка поляризатором пропускається частка інтенсивності становить від повної. Частка інтенсивності, поглинається в поляроіді, є, очевидно, .
Цікавий парадокс виникає у наступному досвіді. Відомо, що два поляроїди з осями, розташованими перпендикулярно один одному, не пропускають світла. Але якщо між такими поляроїдами помістити третій, вісь якого спрямована під кутом до осей двох інших, частина світла пройде через нашу систему. Як ми знаємо, поляроїд тільки поглинає світло, створити світло воно не може. Тим не менш, поставивши третій поляроїд під кутом, ми збільшуємо кількість світла. Ви можете самі проаналізувати це явище як вправу.
Одне з найцікавіших поляризаційних явищ, що виникає не в складних кристалах і будь-яких спеціальних матеріалах, а в простому і добре знайомому випадку - це відображення від поверхні. Здається неймовірним, але при відображенні від скла світло може поляризуватися, і пояснити фізично такий факт дуже просто. На досвіді Брюстер показав, що відбите від поверхні світло повністю поляризоване, якщо відбите і заломлене в середовищі промені утворює прямий кут. Цей випадки показано на фіг. 33.4.
Фігура 33.4. Відображення лінійно поляризованого світла під кутом Брюстера.
Напрямок поляризації дається пунктирними стрілками: круглі точки зображують поляризацію, перпендикулярну до площини сторінки.
Якщо падаючий промінь поляризований у площині падіння, відбитого променя зовсім не буде. Відбитий промінь виникає лише за умови, що падаючий промінь поляризований перпендикулярно до площини падіння. Причину цього явища легко зрозуміти. У відбиваючому середовищі світло поляризоване перпендикулярно напрямку руху променя, а ми знаємо, що саме рух зарядів у середовищі, що відбиває, генерує вихідний з неї промінь, який називають відбитим. Поява цього так званого відбитого променя пояснюється не просто тим, що падаючий промінь відбивається; ми тепер уже знаємо, що падаючий промінь збуджує рух зарядів у середовищі, а він у свою чергу генерує відбитий промінь.
З фіг. 33.4 ясно, що тільки коливання, перпендикулярні площині сторінки, дають випромінювання у напрямку відбитого променя, а отже, відбитий промінь поляризований перпендикулярно площині падіння. Якщо падаючий промінь поляризований в площині падіння, відбитого променя не буде зовсім.
Це легко продемонструвати при відображенні лінійно поляризованого променя від плоскої скляної пластинки. Повертаючи пластинку під різними кутами до напрямку падаючого поляризованого променя, можна помітити різкий спад інтенсивності при значенні кута, що дорівнює куту Брюстера. Це зниження інтенсивності спостерігається лише тому випадку, коли площина поляризації збігається з площиною падіння. Якщо ж площина поляризації перпендикулярна до площини паління, помітного спаду інтенсивності відбитого світла не спостерігається.
Хвилі бувають двох видів. У поздовжніх коливальне обурення паралельно до напрямку їх поширення. Прикладом може бути проходження звуку повітря. Поперечні хвилі складаються з обурень, що знаходяться під кутом 90° до переміщення. Так, наприклад, хвиля, проходячи горизонтально через масу води, викликає вертикальні коливання її поверхні.
Відкриття явища
Ряд загадкових оптичних ефектів, що спостерігалися в середині XVII століття, було пояснено, коли поляризоване і природне світло почало розглядатися як хвильовий феномен і були виявлені напрямки його коливань. Перший так званий ефект поляризації було відкрито датським лікарем Еразмом Бартоліном у 1669 році. Вчений спостерігав подвійну рефракцію, або подвійне променезаломлення, в ісландському шпаті, або кальцит (кристалічної формі карбонату кальцію). Коли світло проходить через кальцит, кристал розщеплює його, роблячи два зображення, зміщені відносно один одного.
Ньютон знав про це явище і припустив, що, можливо, корпускули світла мають асиметрію або «односторонність», яка могла б бути причиною формування двох зображень. Гюйгенс, сучасник Ньютона, зміг пояснити подвійне заломлення своєю теорією елементарних хвиль, але не зрозумів справжнього сенсу ефекту. Подвійне променезаломлення залишалося загадкою, поки фізик із Франції Огюстен-Жан Френель не припустили, що світлові хвилі є поперечними. Проста ідея дозволила пояснити, що таке поляризований та природний забезпечило природну та неускладнену основу для аналізу поляризаційних ефектів.
Подвійне променезаломлення викликано комбінацією двох перпендикулярних поляризацій, кожна з яких має свою швидкість хвилі. Через різницю у швидкості дві складові мають різні показники заломлення, і тому вони по-різному переломлюються через матеріал, виробляючи два зображення.
Поляризоване та природне світло: теорія Максвелла
Френель швидко розробив комплексну модель поперечних хвиль, які призводили до подвійного променезаломлення та ряду інших оптичних ефектів. За сорок років електромагнітна елегантно пояснила поперечну природу світла.
Електромагнітні хвилі Максвелла складені з магнітних і електричних полів, що коливаються перпендикулярно до напрямку переміщення. Поля знаходяться під кутом 90 ° один одному. При цьому напрями поширення магнітного та електричного полів утворюють праву систему координат. Для хвилі із частотою fі довжиною λ (вони пов'язані залежністю λf = с), яка рухається в позитивному напрямку х, поля описуються математично:
- E(x, t) = E 0 cos (2π x/λ- 2 π ft)y^;
- B(x, t) = B 0 cos (2π x/λ- 2 π ft)z^.
Рівняння показують, що електричне та магнітне поля знаходяться у фазі один з одним. У будь-який момент часу вони одночасно досягають своїх максимальних значень у просторі, рівних Е 0 і 0 . Ці амплітуди є незалежними. Рівняння Максвелла показують, що Е0 = cB0 для всіх електромагнітних хвиль у вакуумі.
Напрями поляризації
В описі орієнтації магнітного та електричного полів хвилі світла зазвичай вказують лише напрямок електричного поля. Вектор магнітного поля визначається вимогою про перпендикулярність полів та їх перпендикулярність до напрямку руху. Природне і лінійно поляризоване світло відрізняється тим, що в останньому полі осцилюють у фіксованих напрямках у міру переміщення хвилі.
Можливі інші стани поляризації. У разі кругової вектори магнітного та електричного полів обертаються щодо напряму поширення з постійною амплітудою. Еліптично поляризоване світло знаходиться в проміжному положенні між лінійною та круговою поляризаціями.
Неполяризоване світло
Атоми на поверхні нагрітої нитки розжарювання, які генерують електромагнітне випромінювання, діють незалежно один від одного. Кожне випромінювання можна змоделювати приблизно у вигляді коротких цугів тривалістю від 10 -9 до 10 -8 секунди. Електромагнітна хвиля, що виходить від нитки розжарювання, є суперпозицією цих цугів, кожен з яких має власний напрямок поляризації. Сума орієнтованих випадковим чином цуг утворює хвилю, вектор поляризації якої змінюється швидко і безладно. Така хвиля називається неполяризованою. Усі включаючи Сонце, лампи розжарювання, люмінесцентні лампи та полум'я, виробляють таке випромінювання. Однак природне світло часто буває частково поляризоване через множинне розсіювання та відображення.
Таким чином, відмінність поляризованого світла від природного полягає в тому, що в першому коливанні відбуваються в одній площині.
Джерела поляризованого випромінювання
Поляризоване світло може бути зроблено у випадках, коли визначено просторову орієнтацію. Одним із прикладів є при якому високоенергійні заряджені частинки рухаються в магнітному полі та випромінюють поляризовані електромагнітні хвилі. Існує багато відомих астрономічних джерел, що випромінюють природно поляризоване світло. До них входять туманності, залишки наднових та активні галактичні ядра. Поляризація космічного випромінювання вивчається у тому, щоб визначити властивості його джерел.
Фільтр поляроїд
Поляризоване та природне світло поділяються при проходженні через ряд матеріалів, найбільш поширеним з яких є поляроїд, створений американським фізиком Едвіном Лендом. Фільтр складається з довгих ланцюжків молекул вуглеводнів, орієнтованих одному напрямку шляхом процесу термічної обробки. Молекули вибірково поглинають випромінювання, електричне поле якого паралельно до їх орієнтації. Світло, що виходить з поляроїду, лінійно поляризоване. Його електричне поле перпендикулярне до напрямку орієнтації молекул. Поляроїд знайшов застосування у багатьох областях, включаючи сонцезахисні окуляри та світлофільтри, що знижують ефект відбитого та розсіяного світла.
Природне та поляризоване світло: закон Малюса
У 1808 році фізик Етьєн-Луї Малюс виявив, що світло, відбите від неметалічних поверхонь, частково поляризується. Ступінь цього ефекту залежить від кута падіння і показника заломлення відбиває матеріалу. В одному з крайніх випадків, коли тангенс кута падіння променя в повітрі дорівнює показнику заломлення відбиває матеріалу, відбите світло стає повністю лінійно поляризованим. Це явище відоме як закон Брюстера (названий так на честь його першовідкривача, шотландського фізика Девіда Брюстера). Напрямок поляризації паралельно поверхні, що відображає. Так як денні відблиски, як правило, виникають при відображенні від горизонтальних поверхонь, таких як дороги та вода, у сонячних окулярах часто використовуються фільтри, щоб зняти горизонтально поляризоване світло і, отже, вибірково видалити відблиски світла.
Релеївське розсіювання
Розсіяння світла дуже дрібними об'єктами, розміри яких набагато менші за довжину хвилі (так зване релеївське розсіювання на ім'я англійського вченого лорда Релея), також створює часткову поляризацію. Коли сонячне випромінювання проходить крізь земну атмосферу, воно розсіюється молекулами повітря. Землі досягає розсіяне поляризоване і природне світло. Ступінь його поляризації залежить від кута розсіювання. Оскільки людина не розрізняє природне і поляризоване світло, цей ефект, як правило, залишається непоміченим. Проте очі багатьох комах на нього реагують і використовують відносну поляризацію розсіяного випромінювання як навігаційний інструмент. Звичайний світлофільтр фотоапарата, застосовуваний зменшення фонового випромінювання при яскравому сонячному освітленні, є простий лінійний поляризатор, який розділяє природне і поляризоване світло Релея.
Анізотропні матеріали
Ефекти поляризації спостерігаються в оптично анізотропних матеріалах (у яких змінюється з напрямком поляризації), таких як двопроменювальні кристали, деякі біологічні структури та оптично активні матеріали. Технологічне застосування включає поляризаційні мікроскопи, рідкокристалічні дисплеї та оптичні прилади, що використовуються для дослідження матеріалів.
Світло, випромінюваний окремим атомом, являє собою електромагнітну хвилю, тобто сукупність двох поперечних взаємно перпендикулярних хвиль - електричної (утвореної коливанням вектора напруженості електричного поля і магнітної (утвореної коливанням вектора напруженості магнітного поля, що йдуть уздовж загальної прямої званої світловим 3). ).
Промінь (світло), у якого електричні коливання відбуваються весь час в одній і лише одній площині, називається поляризованим променем (світлом); Вочевидь, що у своїй магнітні коливання відбуваються у інший (перпендикулярної) площині (названої площиною поляризації світла). З цього визначення випливає, що світло, що випромінюється окремим атомом, є поляризованим (принаймні протягом усього періоду випромінювання цього атома).
Досвід і теорія показують, що хімічний, фізіологічний та інші види впливу світла на речовину обумовлені головним чином електричними коливаннями. Тому, а також для спрощення малюнків, що зображують світлову хвилю (або промінь), ми будемо надалі говорити тільки про електричні коливання, а площину, в якій вони відбуваються, називати площиною світлових коливань, або просто площиною коливань. Тоді промінь поляризованого світла можна схематично зобразити так, як це зроблено на рис. 338 а (промінь перпендикулярний площині малюнка; вектори відповідають амплітудним значенням напруженості електричного поля
На практиці ми ніколи не зустрічаємося зі світлом від одного окремого атома, оскільки всяке реальне джерело світла (тіло, що світиться) складається з безлічі атомів, що випромінюють безладно, тобто випромінюють світлові хвилі з всілякими орієнтаціями площини коливань. Ці хвилі накладаються одна на одну, внаслідок чого будь-якому променю, що виходить від реального (природного) джерела світла, відповідатиме безліч різноманітно орієнтованих площин коливання (рис. 338, б). Такий промінь (світло) є неполяризованим і називається природним променем (світлом).
Зазвичай інтенсивність випромінювання кожного з атомів, що становлять тіло, що світиться, в середньому однакова; тому у природного світла амплітудні (максимальні) значення вектора однакові у всіх площинах коливання. Бувають, однак, випадки, коли світлового променя амплітудні значення вектора виявляються неоднаковими для різних площин коливання; такий промінь називається частково поляризованим. На рис. 338, зображено частково поляризований промінь, у якого коливання здійснюються переважно у вертикальній площині.
На відміну від природного поляризоване світло характеризується не тільки інтенсивністю (залежною від амплітуди напруженості поля та кольором (залежним від довжини хвилі X), але ще й положенням
площини коливань. Тому, наприклад, поляризовані промені 1, 2 і 3 (рис. 339), інтенсивність та колір яких однакові, не тотожні один одному. Однак людське око не виявляє різниці між поляризованими променями, що мають різну орієнтацію площини коливання, і взагалі не відрізняє поляризованого світла від природного.
Природне світло можна поляризувати, тобто перетворити його на поляризоване світло. Для цього треба створити такі умови, за яких коливання вектора напруженості електричного поля могли б відбуватися лише вздовж одного певного напрямку. Подібні умови можуть, наприклад, мати місце при проходженні природного світла через середовище, анізотропне щодо електричних коливань. Як відомо, анізотропія властива кристалам (див. § 51). Тому очікується поляризації світла, що проходить через кристал. Дійсно, досвід показує, що багато природних і штучно створених кристалів поляризують природне світло, що проходить через них.
У загальних рисах фізична сутність процесу поляризації світла, що проходить через кристал, полягає в наступному. Відповідно до електромагнітної теорії Максвелла (див. § 105), змінне електричне поле світлової хвилі викликає в кристалічному діелектриці змінний поляризаційний струм, тобто змінне зміщення заряджених частинок (атомів, іонів), що становлять кристалічну решітку. Поляризаційний струм виділяє джоулеве тепло; отже, в кристалі відбувається перетворення світлової енергії на теплоту.
Завдяки анізотропії кристала можлива величина усунення його частинок, а отже, і сила поляризаційного струму виявляються неоднаковими для різних площин кристалічної решітки. Очевидно, що світлова хвиля, що йде в площині, що відповідає значним можливим зміщенням частинок, викликає сильний поляризаційний струм і тому повністю поглинається кристалом. Якщо ж світлова хвиля йде в площині, що відповідає малим зміщенням частинок, вона викликає слабкий поляризаційний струм і проходить через кристал без істотного поглинання.
Таким чином, з електричних коливань природного світла, що мають усілякі напрямки, через кристал проходять (без поглинання) тільки ті, що відбуваються в площині, що відповідає мінімуму поляризаційного струму; інші коливання тією чи іншою мірою послаблюються, тому що через кристал проходять лише їх проекції на цю площину. У результаті світла, що пройшов через кристал, електричні коливання відбуваються лише в одній певній площині, тобто світло виявляється поляризованим.
До природних кристалів, що поляризують світло, відноситься, наприклад, турмалін. Природний промінь, що пройшов через пластинку турмаліну, вирізану паралельно оптичній осі кристала, повністю поляризується і має електричні коливання тільки в головній площині в площині, що містить оптичну вісь і промінь (рис. 340).
У кожному кристалі є напрям, щодо якого атоми (або іони) кристалічних ґрат розташовані симетрично; воно називається оптичною віссю кристала. Підкреслимо, що оптична вісь – це не якась одна лінія, а певний напрямок у кристалі; всі прямі, проведені в кристалі паралельно до цього напрямку, є оптичними осями.
Якщо природний промінь йде вздовж оптичної осі, всі його електричні коливання перпендикулярні їй. У такому разі (завдяки симетричному розташуванню частинок кристала щодо оптичної осі) всі електричні коливання відбуваються в однакових умовах і всі вони проходять через кристал. Тому природний промінь, що йде вздовж оптичної осі, не поляризується. За всіх інших напрямах променя має місце його поляризація.
Якщо за пластинкою 1 поміщена друга пластинка турмаліну 2, орієнтована так, що її оптична вісь перпендикулярна оптичної осі пластинки то через другу пластинку промінь не пройде (оскільки його електричні коливання перпендикулярні головній площині пластинки 2). Якщо ж оптично осі пластинок 1 і 2 складають кут а, відмінний від світло (промінь) проходить через пластинку 2. Однак, як це випливає з рис. 341 амплітуда світлових коливань, що пройшли через пластинку 2, буде менше амплітуди світлових коливань, що падають на цю пластинку:
Оскільки інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди світлових коливань, то
де інтенсивність світла, що падає на платівку 2, У - інтенсивність світла, що пройшло через цю платівку. Співвідношення (12) називається законом Малюса.
Таким чином, поворот пластинки 2 навколо поляризованого променя супроводжується зміною інтенсивності світла, що пройшов через пластинку; максимум інтенсивності має місце при мінімум (відповідний до повного гасіння світла) - при
Платівка 7, поляризує природне світло, називається поляризатором, а пластинка 2, за допомогою якої змінюється інтенсивність поляризованого світла (і тим самим виявляється факт поляризації), називається аналізатором. Зрозуміло, що обидві платівки абсолютно однакові (їх можна поміняти місцями); дані назви характеризують лише призначення платівок.
Слід зазначити, що турмалін має значне селективне поглинання - пропускає переважно зелене світло; це є недоліком турмаліну як поляризатора (і аналізатора).
Останніми роками для поляризації світла широко застосовуються звані поляроиды (поляризаційні фільтри). Поляроїд являє собою прозору полімерну плівку товщиною, що містить безліч дрібних штучних кристаликів - поляризаторів, наприклад кристаликів герапатиту (сульфат йодистого хініну). Оптичні осі всіх кристаликів герапатиту орієнтуються в одному напрямку в процесі виготовлення поляроїду. Поляроїдна плівка порівняно недорога, дуже еластична, має велику площу, має майже однакове (незначне) поглинання для всіх довжин хвиль видимого світла.
Одним із цікавих практичних застосувань поляроїду є його використання на автотранспорті для захисту водіїв від сліпучої дії фар зустрічних автомашин. З цією метою на вітрове скло та на скло фар наклеюються поляроїдні плівки, оптичні осі яких паралельні і становлять 45° з горизонтом. Тоді, як видно на рис. 342 оптична вісь поляроіда вітрового скла однієї машини буде перпендикулярна оптичній
осі поляроіда фар зустрічної машини (орієнтація оптичних осей показано малюнку стрілками). Відповідно до закону Малюса, за такої орієнтації оптичних осей поляроїдів поляризоване світло фар не пройде через вітрове скло зустрічної машини; отже, водій практично не бачить світла фар зустрічних машин (але побачить, звичайно, ці машини у світлі фар свого автомобіля).
Сьогодні розкриємо сутність хвильової природи світла та пов'язане з цим фактом явище «ступінь поляризації».
Здатність бачити і світло
Природа світла та пов'язана з нею здатність бачити хвилювала людські уми давно. Стародавні греки, намагаючись пояснити зір, припускали: або око випромінює якісь «промені», які «обмацують» навколишні предмети і тим самим повідомляють людині їхній вигляд і форму, або самі речі випромінюють щось, що вловлюють люди і судять про те, як усе влаштовано . Теорії виявилися далекі від істини: живі істоти бачать завдяки відбитому світлу. Від усвідомлення цього до вміння обчислити, чому ступінь поляризації дорівнює, залишався один крок - зрозуміти, що світло є хвилею.
Світло – це хвиля
При більш детальному вивченні світла з'ясувалося: за відсутності перешкод він поширюється прямою лінією і нікуди не згортає. Якщо на шляху променя постає непрозора перешкода, то утворюються тіні, а куди йде саме світло, людей не цікавило. Але варто було випромінюванню зіткнутися з прозорим середовищем, відбувалися дивовижні речі: промінь змінював напрямок поширення і тьмянів. У 1678 Х. Гюйгенс припустив, що це можна пояснити єдиним фактом: світло - це хвиля. Вчений сформував принцип Гюйгенса, який пізніше був доповнений Френелем. Завдяки чому сьогодні люди знають, як визначити рівень поляризації.
Принцип Гюйгенса-Френеля
Відповідно до цього принципу, будь-яка точка середовища, до якої дійшов фронт хвилі, є вторинним джерелом когерентного випромінювання, а загальна всіх фронтів цих точок виступає як фронт хвилі в наступний момент часу. Таким чином, якщо світло поширюється без перешкод, кожен наступний момент фронт хвилі буде таким же, як і в попередній. Але варто променю зустріти перешкоду, як набирає чинності інший фактор: у несхожих середовищах світло поширюється з різними швидкостями. Таким чином, той фотон, який встиг дістатися іншого середовища першим, пошириться в ній швидше, ніж останній фотон з променя. Отже фронт хвилі нахилиться. Ступінь поляризації тут поки що ні до чого, але розуміти це явище цілком необхідно.
Час процесів
Варто окремо сказати, що всі ці зміни відбуваються неймовірно швидко. Швидкість світла у вакуумі становить триста тисяч кілометрів на секунду. Будь-яке середовище сповільнює світло, але не набагато. Час, за який фронт хвилі спотвориться при переході з одного середовища до іншого (наприклад, з повітря у воду), надзвичайно мало. Людське око не може цього помітити, та й мало який прилад здатний зафіксувати такі короткі процеси. Тож розуміти явище варто суто теоретично. Тепер, повністю усвідомлюючи, що таке випромінювання, читач захоче зрозуміти, як знайти ступінь поляризації світла? Не обманюватимемо його очікувань.
Поляризація світла
Вище ми згадували, що у різних середовищах фотони світла мають різну швидкість. Оскільки світло - це поперечна електромагнітна хвиля (не є згущенням і розрідженням середовища), то вона має дві основні характеристики:
- хвильовий вектор;
- амплітуда (також
Перша характеристика показує, куди прямує промінь світла, у своїй виникає вектор поляризації, тобто у який бік направлений вектор напруженості електричного поля. Це дозволяє обертати навколо хвильового вектора. Природне світло, наприклад, що випромінюється Сонцем, не має поляризації. Коливання поширені на всі боки з рівною ймовірністю, не існує якогось обраного напрямку або фігури, вздовж якої коливається кінець хвильового вектора.
Види поляризованого світла
Перш ніж навчитися обчислювати формулу ступеня поляризації і робити розрахунки, варто зрозуміти, які види поляризованого світла.
- Еліптична поляризація. Кінець хвильового вектора такого світла описує еліпс.
- Лінійна поляризація. Це окремий випадок першого варіанта. Як відомо з назви, картина у своїй - одне напрям.
- Кругова поляризація. Інакше вона ще називається циркулярною.
Будь-яке природне світло можна як суму двох взаємно перпендикулярно поляризованих елементів. При цьому варто пам'ятати, що дві перпендикулярні поляризовані хвилі не взаємодіють. Їх інтерференція неможлива, оскільки з погляду взаємодії амплітуд вони хіба що існують друг для друга. Коли вони зустрічаються, просто проходять далі, не змінюючись.
Частково поляризоване світло
Застосування ефекту поляризації величезне. Направивши на об'єкт природне світло, а отримавши частково поляризоване, вчені можуть судити про властивості поверхні. Але як визначити рівень поляризації частково поляризованого світла?
Існує формула Н.А. Умова:
P=(I пер -I пар)/(I пер +I пар), де I пер - це інтенсивність світла в напрямку, перпендикулярному площині поляризатора або поверхні, що відбиває, а I пар - паралельному. Розмір Р може набувати значення від 0 (для природного світла, позбавленого будь-якої поляризації) до 1 (для плоско поляризованого випромінювання).
Чи може природне світло бути поляризованим?
Питання на перший погляд дивне. Адже випромінювання, в якому немає якихось виділених напрямків, прийнято називати природним. Однак для мешканців поверхні Землі це в певному сенсі наближення. Сонце дає потік електромагнітних хвиль різних довжин. Це випромінювання не поляризоване. Але проходячи крізь товстий шар атмосфери, випромінювання набуває незначної поляризації. Отже ступінь поляризації природного світла загалом не дорівнює нулю. Але величина настільки мала, що нею часто нехтують. Враховується вона лише у разі точних астрономічних обчислень, де найменша похибка може додати зірці років чи відстані до нашої системи.
Чому світло поляризується?
Вище ми часто говорили, що у несхожих середовищах фотони поводяться по-різному. Але не згадали чому. Відповідь залежить від того, про яке саме середовище ми говоримо, тобто, в якому агрегатному стані воно знаходиться.
- Середовище - кристалічне тіло із строго періодичною будовою. Зазвичай структуру такої речовини представляють як ґрати з нерухомими кульками - іонами. Але загалом це не зовсім точно. Таке наближення часто буває виправданим, але не у випадку взаємодії кристала та електромагнітного випромінювання. Насправді кожен іон коливається біля свого положення рівноваги, причому не хаотично, а відповідно до того, які у нього сусіди, на яких відстанях і скільки їх. Оскільки всі ці коливання суворо запрограмовані жорстким середовищем, те й випромінювати поглинений фотон цей іон здатний лише певної форми. Цей факт породжує інший: яка буде поляризація фотона, що виходить, залежить від напрямку, в якому він увійшов у кристал. Це називається анізотропією властивостей.
- Середовище – рідина. Тут відповідь складніша, тому що діють два фактори - складність молекул і флуктуації (згущення-розрідження) щільності. Саме собою складні довгі органічні молекули мають певну будову. Навіть найпростіші молекули сірчаної кислоти є не хаотичний кулястий згусток, а цілком конкретну хрестоподібну форму. Інша справа, що всі вони в нормальних умовах є хаотично. Однак другий фактор (флуктуація) здатний створити такі умови, за яких невелика кількість молекул утворюють у невеликому обсязі щось на зразок тимчасової структури. При цьому або всі молекули будуть спрямовані, або розташовуватимуться відносно один одного під певними кутами. Якщо світло в цей час пройде крізь таку ділянку рідини, воно набуде часткової поляризації. Звідси випливає, що температура сильно впливає на поляризацію рідини: чим вища температура, тим серйозніша турбулентність, і тим більше таких ділянок утворюватиметься. Останній висновок існує завдяки теорії самоорганізації.
- Середовище – газ. У разі однорідного газу поляризація відбувається за рахунок флуктуацій. Саме тому природне світло Сонця, пройшовши крізь атмосферу, набуває невеликої поляризації. І саме тому колір неба блакитний: середній розмір ущільнених елементів такий, що розсіюється електромагнітне випромінювання блакитного та фіолетового кольорів. Але якщо ми маємо справу із сумішшю газів, то обчислити ступінь поляризації набагато складніше. Ці проблеми часто вирішують астрономи, які досліджують світло зірки, що пройшла крізь щільну молекулярну хмару газу. Тому так складно та цікаво вивчати далекі галактики та скупчення. Але астрономи справляються та дарують дивовижні фотографії глибокого космосу людям.
Природне світло - оптичне випромінювання з напрямками напруженості ел.-магн, що швидко і безладно змінюються. поля, причому всі напрямки коливань, перпендикулярні до світловим променям, є рівноймовірними.
Поляризований – світло, у якому напрями коливань світлового вектора упорядковані будь-яким чином.
Частково-поляризоване світло – якщо внаслідок будь-яких зовнішніх впливів з'являється переважний напрямок коливань вектора Е.
Плоскополяризований - якщо коливання вектора Е відбуваються лише в одній площині.
Інтенсивність світла після поляризатора визначається законом Малюса. I=I 0 *cos 2 α 
I 0 -інтенсивність до поляризатора; I – інтенсивність після поляризатора; α – кут між вектором Е та площиною поляризації.
Нехай на 2 поляризатори падає природне світло.
I 1 =1/2*I їсть
I 2 =1/2*I їсть *cos 2 α=I 1 *cos 2 α
Ступінь поляризації променя Δ=(Imax-Imin)/(Imax*Imin)
22. Поляризація світла при відображенні та заломленні. Закон Брюстер.
Поляризоване світло можна одержати, використовуючи відбиток або заломлення світла від діелектричних ізотропних середовищ. Якщо кут падіння світла межу розділу двох діелектриків відмінний від нуля, відбитий і заломлений промені виявляються частково поляризованими. Ступінь поляризації того й іншого променя залежить від кута падіння променя. У кожної пари прозорих середовищ існує такий кут падіння, при якому відбите світло стає повністю плоскополяризованим, а проломлений промінь залишається частково поляризованим, але ступінь його поляризації при цьому вугіллі максимальна. Цей кут називається кутом Брюстера. Кут Брюстера визначається за умови: tgφ Бр =n 21 =n 2 /n 1 
23. Природне та поляризоване світло. Обертання площини поляризації.
Площина, у якій коливання вектор Е, називається площиною коливань, а вектор Н – площиною поляризації.
Якщо коливання вектора Е впорядковано будь-яким чином, світло називається поляризованим. Якщо в одній площині – плоско-поляризований.
Якщо коливання Е в одній площині переважають над іншими – світло частково поляризоване.
У природному світлі вектор Е не має асиметрії щодо напряму поширення променя.
Плоско поляризоване світло одержують за допомогою приладів – поляризаторів.
Інтенсивність світла поле поляризаторів визначають за законом Малюса: I=I o COS 2 α де I o - інтенсивність до поляризатора, I - після, α - кут між Е і площиною поляризації.
Ступенем поляризації променя називається величина, що дорівнює: Δ=(I max -I min)/(I max +I min)
Для природного світла Δ=0 для плоско поляризованого Δ=1 для частково поляризованого 0<Δ<1.
Плоско поляризоване світло виходить при відображенні від межі розділу двох середовищ, якщо кут падіння дорівнює куту Брюстера: tgα бр =n 21 =n 2 /n 1
При проходженні світла через оптично активну речовину вектор повертається. Це явище називається обертанням площини поляризації.
Кут повороту площини поляризації для кристалів та чистих рідин: ϕ=αd; для розчинів: ϕ=[α]cd , де d - відстань, пройдене світлом в оптично активній речовині, a ([a]) - так зване питоме обертання, чисельно рівне куту повороту площини поляризації світла шаром оптично активної речовини одиничної товщини (одиничної концентрації - для розчинів), С - масова концентрація оптично активної речовини у розчині, кг/м3. Питоме обертання залежить від природи речовини, температури та довжини хвилі світла у вакуумі.
Явище площини поляризації можна пояснити за допомогою двох припущень Френеля:
Будь-яка плоско поляризована хвиля може бути представлена як дві хвилі, поляризовані по колу з правим і лівим обертанням
Швидкості обертання оптично активному речовині різні.