fizika / 11

1. Дисперсия

явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света, или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты)

Сущностью явления дисперсии является различие скоростей распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и, следовательно, цвета). Обычно, чем больше частота световой волны, тем больше показатель преломления среды для неё и тем меньше скорость волны в среде.

у света красного цвета скорость распространения в среде максимальна, а степень преломления — минимальна,

у света фиолетового цвета скорость распространения в среде минимальна, а степень преломления — максимальна.

Аномальная диспе́рсия — вид дисперсии света, при которой показатель преломления среды уменьшается с увеличением частоты световых колебаний.

Согласно современным представлениям и нормальная, и аномальная дисперсии представляют собой явления единой природы.

Если при обычной дисперсии показатель преломления с ростом частоты увеличивается, то при аномальной дисперсии показатель преломления, наоборот, уменьшается.

2. Объяснение аномальной дисперсии(теор. Зоммерфельда)

Для объяснения явления аномальной дисперсии используются классические представления о взаимодействии электромагнитных волн с веществом, в соответствии с которыми под действием электрического поля световой волны. То есть в оптической и ультрафиолетовой области спектра, электроны атомов или молекул вещества совершают вынужденные колебания с частотой, равной частоте n проходяшей через вещество световой волны.

Отметим, что в инфракрасной области спектра основное значение имеют колебания ионов. В результате таких колебаний с частотой n изменяется средний дипольный момент единицы объёма вещества, а следовательно и диэлектрическая проницаемость e, определяющая в соответствии с формулой Максвелла показатель преломления , величина которого, как следует из уравнений вынужденных колебаний, зависит не только от n, но и от т. н. резонансной частоты n0 колебаний электронов/ионов, а также и от коэффициента затухания g, обуславливающего поглощение света веществом. где N - число частиц в единице объёма; m - масса электрона; g - коэффициент затухания.

Из этой формулы следует, что вдали от резонансной частоты n0 с ростом частоты n (с уменьшением длины волны l) показатель преломления n увеличивается. Напротив, при приближении к резонансной частоте n ® n0 показатель преломления уменьшается в некоторой полосе частот (рис. 1), называемой полосой поглощения вещества.

2.1 Поляризация света

Для электромагнитных волн поляризация — явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ, управляя поляризацией. Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos² φ.

В электромагнитной волне вектора E и B перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор поэтому его называют световым вектором.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора. В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е - одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, В) называется естественным.

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока. Поляризовать можно только поперечные волны, но никак не продольные(звуковые).

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора Е, то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Поляризованный свет можно получить с помощью поляризатора, материала, который упорядочивает распространение вектора напряженности лишь в одной плоскости, либо при соблюдении угла Брюстера на границе двух сред(когда падающий на границу двух сред свет разделяется на отраженный и преломленный, где угол между последними составляет 90 градусов)

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 275 они обозначены точками), в прелом ленном - колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).

2.2 Двулучепреломление в кристаллах

Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных(неодинаковость свойств среды) средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен датским ученым Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).

Нарушение закона преломления света необыкновенным лучом связанно с тем, что скорость распространения света (а значит и показатель преломления) волн с такой поляризацией, как у необыкновенного луча, зависит от направления. Для обыкновенной волны скорость распространения одинакова во всех направлениях. Направление колебания вектора электрического поля необыкновенного луча лежит в плоскости главного сечения (плоскости, проходящей через луч и оптическую ось кристалла). Оптическая ось кристалла — направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления.

Согласно классической теории света, возникновение эффекта связано с тем, что переменное электромагнитное поле света заставляет колебаться электроны вещества, и эти колебания влияют на распространение света в среде, а в некоторых веществах заставить электроны колебаться проще в некоторых определённых направлениях.

2.3 Поляризационные приспособления

Призмы

Призмы, дающие только плоскополяризованный свет

Призмы, дающие два поляризованных взаимоперпендикулярных луча.

Эти призмы составлены из двух призм из исладского шпата, склеенных между собой так, чтобы необыкновенный луч проходил с небольшим отклонением от обыкновенного

Поляроиды

Поляроид — один из типов оптических линейных поляризаторов, тонкая поляризационная плёнка

Плёнка обладает линейным дихроизмом (плеохроизмом), неодинаково поглощает линейно поляризованные перпендикулярно друг к другу составляющие падающего на него света[1][2]. Проходя через пластинки из плёнки обычный свет превращается в плоскополяризированный.

Хорошим поляроидом являются кристаллы турмалина (уже при толщине кристалла турмалина около 1 мм в нём практически полностью поглощается обыкновенный луч), а также герапатит (уже при толщине 0,1 мм практически полностью поглощается один из лучей).