2. Поляризация света

Электромагнитную волну, в которой векторы Е и, следо­вательно, векторы В лежат во вполне определенных плоскостях, называют плоскополяризованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е и на­правление распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. В естественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампы, газоразрядной трубки, пламени и т. п., складываются неупорядоченные излучения множества атомов, поэтому направление Е не выдерживается в одной плоскости. Такой свет можно рассматри­вать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы ориентированы по всевозможным перпендикулярным лучу направле­ниям. На рис. 8 показаны в некоторый момент времени сечение луча О и хаотическая ориентация векторов Е в плоскости, перпендикуляр­ной лучу.

Рис.8

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает только составляющую вектора Е на некоторую плоскость — глав­ную плоскость поляризатора, которая содержит световой век­тор Е и направление распространения света. При этом из поляри­затора выходит поляризованный свет, интенсивность которого рав­на половине интенсивности падающего естественного (неполяризованного) света. При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедше­го плоскополяризованного света, но интенсивность его не изменяет­ся. Поляризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.

Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрическо­го вектора Е₀ падает на анализатор, то он пропустит только со­ставляющую, равную

Е = Е₀соs φ (11) ,

где φ — угол между главными плоскостями поляризатора Р и ана­лизатора А (рис. 9).

Рис. 9

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амп­литуды колебаний , то из (11) получаем

I = I₀ соs² φ , - закон Малюса

где I0 - интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор, I – интенсивность света, вышедшего из анализатора.

Как видно из закона Малюса, при повороте анализатора относительно луча падающего плоскополяризованного света интенсивность вышедшего света изменяется от 0 до I0 .

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются обычные законы преломления, и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого – эти законы не выполняются и луч называют необыкновенным.

Двойное лучепреломление при нормальном падении света на поверхность кристалла показано на рис. 10: обыкновенный (о) луч, как это следует из закона преломления, проходит не прелом­ляясь, необыкновенный (е) — преломляется.

Рис.10

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча, обыкновенный и необыкновенный, распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла (штриховая линия на рис. 10). Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными. К ним принадлежит исландский шпат (разновидность углекислого кальция СаС0₃ — кристалл гексагональной системы), кварц, турмалин (сложный алюмосиликат, кристаллы тригональной системы) и др. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной плоскостью кристалла. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного — лежат в главной плоскости кристалла, т. е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах: амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направ­лений этих колебаний (скорости распространения и показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей различны).

Из анизотропных кристаллов изготавливают специальные поляризационные призмы.

Рассмотрим наиболее распространенную призму, предложенную У. Николем (призма Николя, или просто николь).

Рис.11

Николь представляет собой призму из кристалла исландского шпата, разрезанного по диагонали и склеенного канадским бальзамом К (рис. 11). Для него n = 1.550 (у исландского шпата nо=1.6584) ; это значение лежит меж­ду показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей исландского шпата. Это позволяет, подобрав соответствующим образом углы призмы, обеспечить полное отражение обыкновенного (о) луча на границе с канадским бальзамом. Отраженный луч в этом случае поглощается зачерненной нижней гранью или выводится из кристалла. Необыкновенный (е) луч выходит из николя параллельно нижней грани.

Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на кристаллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему поляризатор Р — анализатор А (рис. 12), которые поставлены скрещенно, т. е. их главные плоскости взаимно перпендикулярны. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропустит плоскополяризованный свет в соответствии с законом Малюса (φ = 90°).

Рис.12

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то в общем случае свет дойдет до наблюдателя. Если же анализатор повернуть на определенный угол, то можно вновь добиться затемнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствующий повороту анализатора для получения затемнения.

Используя в опыте свет различных длин волн, можно обнару­жить дисперсию вращения плоскости поляризации (вращательную дисперсию), т. е. зависимость угла поворота от длины волны.

Оптически активными являются также многие некристалли­ческие тела: чистые жидкости (например, скипидар), растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфоры).

Для растворов был установлен следующий количественный за­кон:

а = [а₀]С l , (12)

где С — концентрация оптически активного вещества, l — толщи­на слоя раствора, [а₀] — удельное вращение, которое приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны и зави­сит от температуры и свойств растворителя.

Соотношение (12) лежит в основе весьма чувствительного ме­тода измерения концентрации растворенных веществ, в частнос­ти сахара.

Этот метод (поляриметрия, или сахариметрия) используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в био­физических исследованиях, а также в пищевой промышленности. Соответствующие измерительные приборы называют поляри­метрами или сахариметрами.

Поляриметр позволяет измерять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (диспер­сию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют специальные приборы — спектрополяриметры.

Поляриметрию применяют не только для определения концентрации растворов, но и как метод исследования структурных превращений, в частности в молекулярной биофизике.

Рассматривая прозрачные биологические объекты в микроско­пе, трудно выявить различные структуры, поэтому приходится применять некоторые специальные методики; в их числе поляризационная микроскопия.

Поляризационный микроскоп аналогичен обычному биологическому микроскопу, но имеет поляризатор перед конденсором и анализатор в тубусе между объективом и окуляром. Предметный столик может вращаться вокруг оптической оси микроскопа. Та­ким образом, объект освещают поляризованными лучами и рас­сматривают через анализатор.

Если скрестить поляризатор и анализатор, то поле зрения будя темным, таким же оно останется при помещении на предметный столик изотропных прозрачных тел. Анизотропные предметы изме­няют поле зрения в соответствии с тем влиянием, которое они ока­жут на направление плоскости колебаний поляризованного света.

Так как некоторые ткани (мышечная, костная, нервная) обла­дают оптической анизотропией, то возможна поляризационная микроскопия биологических объектов. При скрещенных поляри­заторе и анализаторе будут видны только те волокна, анизотро­пия которых изменяет поляризованный свет.

Поляризованный свет можно использовать в модельных условиях для оценки механических напряжений, возникающих в костных тканях. Этот метод основан на яв­лении фотоупругости, которое заключается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Из прозрачного изотропного материала, например плексигласа, создают плоскую модель кости. В скрещенных поляроидах эта модель незаметна, так как выглядит тем­ной. Прикладывая нагрузку, вызывают ани­зотропию плексигласа, что становится за­метным по характерной картине полос и пя­тен (рис. 13). По этой картине, а также по ее изменению при увеличении или умень­шении нагрузки можно делать выводы о ме­ханических напряжениях, возникающих в модели, а следовательно, и в натуре.

Рис.13