Lektsii_po_fiziki

Лекция 12

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Природа света. Основные характеристики света

Согласно современным представлениям свет обладает кор- пускулярно-волновым дуализмом, т.е. представляет собой поток частиц электромагнитного поля, фотонов, которые следует рассматривать как частицы, имеющие волновые свойства.

В явлениях, связанных с распространением света (ин- тер-ференция, дифракция, поляризация и др.), свет проявляет волно-вую природу, т.е. является частным случаем электромагнитной волны. В таких явлениях как поглощение, рассеяние, фотоэффект, эффект Комптона свет проявляет свойства частиц.

Являясь электромагнитной волной, свет описывается уравнениями

	æ			x ö				ü
Е =	Е0 sinω ç t -					÷		ï
	è		υ ø					ï	,
		æ			x		ö	ý
H =	H0 sinω	ç t -					÷	ï
		è		υ			ø	ï
								þ

т.е. свет характеризуется вектором электрического поля Е и вектором магнитного поля Н . Световая волна является плоскопоперечной, т.к. колебания векторов Е и Н происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях, перпендикулярно направлению распространения волны.

Рис. 1

161

Основные характеристики света:

ν - частота колебаний векторов Е и Н , λ - длина волны.

λ = сТ =νс

Оптическое излучение лежит в диапазоне 4 ×10−4 ¸1×10−8 м ( 400мкм ÷10нм). Этот диапазон мы делим на следующие участки:

Излучение в пределах (3,8 ¸7,6) ×10−7 м (380 ÷ 760нм), действуя на глаз, вызывает ощущение света и называется видимым излучением.

Более короткое, ниже 3,8 ×10−7 м, - УФ – излучение. Более длинное, 7,6 ×10−7 м, - ИК – излучение.

Излучение, имеющее одну и ту же длину волны, называется монохроматическим (например, красное, синее и др.). Излучение, состоящее из волн различной длины волны, называется сложным и в зависимости от состава вызывает в глазе различные цветовые ощущения. Излучение Солнца содержит весь диапазон электромагнитных волн. Видимая часть излучения Солнца называется белым светом.

Поляризация света

Если говорить о плоских волнах вообще, то следует отметить, что в случае, когда плоскость колебаний непрерывно меняется, а амплитуда колебаний остается постоянной, то такую волну называют естественной (рис. 2а).

Если колебания происходят только в одной плоскости, то такую волну называют полностью линейно-поляризованной или просто поляризованной (рис 2б).

Рис. 2а)

Рис. 2б)

Рис 2в)

162

Если же колебания происходят в разных плоскостях, но в од-ной из них амплитуда больше, чем в других плоскостях, то такая волна называется частично поляризованной (рис. 2в).

Мы рассматриваем световую волну, в которой присутствуют электрическая и магнитная составляющие. Все изменения, происходящие с вектором Е , сопровождаются аналогичными синхронными изменениями вектора Н . Поэтому для простоты изложения мы будем говорить только о векторе Е . Этот вектор называют световым вектором, т.к. только электрическая составляющая световой волны действует на рецепторы, вызывая ощущение света.

Элементарным излучателем света является атом, в котором электрон испускает плоскополяризованную волну (рис.1) в единичном акте испускания. При этом испускается “цуг” волн протяженностью 3 м. Затем атом излучает новый “цуг” волн. За время между этими двумя актами испускания атом успевает повернуться в пространстве в разных направлениях и поэтому “цуги” волн излучаются также в разных направлениях. Кроме того, атомов в источнике света бесконечное множество, значит и плоскостей колебаний будет бесконечное множество. Следова-тельно, световая волна является естественной.

Световая волна может быть и частично поляризованной. Частичная поляризация происходит при отражении, преломлении и рассеянии света.

Это связано с тем, что вторичные волны, излучаемые атомами под воздействием падающего света, распространяются в различ-ных направлениях. Поэтому в отраженной и преломленной волнах наблюдаются колеба-ния с амплитудой наибольшей в одном направлении. Т.о. граница раздела сред – диэлектрик является поляризатором.

Рис. 3

163

Методы получения полностью поляризованного света 1) При отражении от неметаллического зеркала

Для этого, как показал Брюстер, нужно направить падающий луч под углом таким, чтобы его тангенс был равен относительному показателю преломления отражающей среды:

tg iБ = n

Это равенство называют законом Брюстера. Здесь iБ - угол Брюстера. При этом, угол между отражен-

ным и преломленным лучами равен 900 . Рис. 4

Отражённый луч является полностью поляризован, а преломленный луч остается частично поляризованным.

2) При двойном лучепреломлении

Известно, что кристаллы обладают оптической анизотропи-

ей.

Наличие этого свойства является причиной того, что некоторые кристаллы раздваивают луч. Один из лучей является сферической волной, он подчиняется законам преломления и называется обык-

новенным (о). Другой луч является эллиптической волной, он не

преломляется в кристалле и называется необыкновенным (е). Скорость этих лучей различна, но оба эти луча

Рис. 5 полностью поляризованы.

В кристалле имеются направления, в которых не происходит двойного лучепреломления, и оба луча распространяются с одной и той же скоростью. Эти направления называются оптическими осями (на рис.5 ось показана штриховой линией). Если в кристалле имеется одна ось, кристалл называется одноосным, если две оси – двуосным и т.д. Мы будем рассматривать только одноосные кристаллы: исландский шпат, кварц, турмалин и др.

Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной оптической плоскостью. Колебания необыкновенного луча лежат в главной оптической плоскости, а колебания обыкновенного луча – перпендикулярны главной оп-

164

тической плоскости. Т.о, обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двоякопреломляющие кристаллы не могут в чистом виде использоваться как поляризаторы, т.к. оба луча выходят очень близко друг к другу и даже перекрываются. Чтобы использовать кристаллы, нужно разделить обыкновенный и необыкновенный лучи внутри кристалла. Это сделал голландский физик Николь, создав призму, названную призмой Николя. Он взял кристалл исландского шпата, разрезал его по диагонали и снова склеил клеем “канадский бальзам” ( nкан.бал. = 1,55, это значение лежит между no и ne ). Канадский бальзам является зеркалом для обыкновенного луча, он отражается и уходит в сторону нижней грани

(в приборах она закрашивается черной краской, чтобы луч поглощался).

Необыкновенный луч выходит из кристалла, не преломляясь.

Рис. 6

3. Дихроизм.

Поляризованный свет можно получить с помощью поляризационных светофильтров, которые называются полярои-ами. Как правило, поляроиды выполнены в виде целлулоидных пленок, содержащие определенным образом ориентированные мелкие одноосные кристаллики. При прохождении естественного света через поляроиды свет частично поглощается. Однако поглощение света происходит в зависимости от ориентации векторов напряженности Е электрического поля. Т.к в обыкновенном и необыкновенном лучах этот вектор ориен-тирован в разных плоскостях, то в поляроидах эти лучи поглощаются неодинаково: один поглощается почти полностью, другой частично. Это явление называют анизотропией поглощения или дихроизмом.

Система поляризатор – анализатор

Глаз не воспринимает поляризацию света. Для того, чтобы обнаружить поляризацию света необходим анализатор.

165

ϕ =900

Если за призмой Николя поставить вторую призму Николя так, что главные плоскости их окажутся скре- щен-ными, то вторая будет являться анализато-

ром.

Рис. 7 Если оптические оси поляризатора и анализатора параллельны,

то параллельны и плоскости поляризации поляризатора и анализатора (ϕ = 0, ϕ - угол между оптическими осями), поляризованный луч проходит через анализатор не ослабляясь(рис. 8). Если анализатор поворачивать относительно поляризатора, то интенсивность света I A , прошедшего через анализатор будет убывать, а при угле (оси перпендикулярны) станет равной нулю.

Рис. 8

Интенсивность света I A , прошедшего через анализатор, связана с интенсивностью света I П , вышедшего из поляризатора, формулой

IA = IП cos2 ϕ

Эта формула называется законом Малюса.

166

Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия

Некоторые вещества (кристаллы и растворы) при прохождении через них поляризованного света поворачивают плоскость поляризации луча. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К оптически активным веществам относятся многие природные вещества: раствор сахара, углеводы, гормоны, белки и аминокислоты. Вращательная способность оптически активных веществ определяется методами поляриметрии с помощью приборов, называемых поляриметрами. В них между поляризатором и анализатором, оптические оси которых изначально установили параллельно, помещают раствор оптически активного вещества. По затемнению поля зрения судим о том, что вещество повернуло плоскость колебаний на некоторый угол α

α = α0сl ,

где α0 - удельная постоянная вращения раствора, c − концентрация вещества, l - толщина слоя. Угол α определяют поворотом анализатора на такой же угол до достижения равномерной освещенности (как было в начале эксперимента). α зависит от длины

волны α λ12 . Метод поляриметрии используется в медицине для

определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях.

Поляризационный микроскоп

Поляризационный микроскоп применяют для гистологических исследованиях. Если для исследования биологических объектов взять обычный оптический микроскоп, то они наблюдаются неясно, затемнено. Структура трудно различается. Поэтому микроскоп усовершенствуют, устанавливая в него две призмы Николя: одну перед конденсором (поляризатор), другую между объективом и окуляром (анализатор), предметный столик делают вращающимся. Сначала на предметный столик помещают изотропный препарат, поляризатор и анализатор устанавливают на

167

затемнение. Затем при такой установке поляризатора и анализатора помещают анизотропный препарат. В нем происходит повторное двойное преломление света и свет не будет полностью гасится. Анизотропные структуры становятся светлыми на общем фоне темного поля.

168

Тепловое излучение.

Природа теплового излучения. Характеристики теплового излучения

Тепловое излучение, т.е. излучение нагретых тел представляет собой электромагнитное излучение. Оно обусловлено возбуждением атомов и молекул при соударениях в процессе теплового движения. Возбуждение происходит за счет того, что атомы и молекулы тела, имеющие большую энергию, сталкиваясь с атомами и молекулами с меньшей энергией, передают им часть своей энергии, энергия медленных молекул и атомов увеличивается. Но так как все системы при данных условиях стремятся занять энергетически наиболее выгодное состояние, то возбужденные частицы самопроизвольно переходят в состояние с прежней энергией, испуская электромагнитную волну. Тепловое излучение происходит при всех температурах, кроме абсолютного нуля Т = 0 , при котором движение прекращается.

Каждое тело одновременно испускает и поглощает падающее на него как от окружающих тел, так и от атомов и молекул, находящихся в глубине самого тела. Поэтому тепловое излучение является термодинамически равновесным: в единицу времени испускается столько же энергии, сколько и поглощается.

Характеристики теплового излучения:

1.Поток излучения (мощность излучения) – энергия, испускаемая со всей поверхности тела за 1 секунду

Φ = Wt ,

[Φ] =1 Вт.

2. Энергетическая светимость – энергия, испускаемая с 1 м2 поверхности тела за 1с

RЭ = ΦS = SWt ,

[RЭ ] =1Втм2 .

3.Спектральная плотность энергетической светимости

rλ = dRdλЭ ,

т.е. rλ является функцией распределения энергии по спектру. Она выражает собой энергию, испускаемую с 1 м2 поверхности

169

тела за 1с в единичном интервале длин волн вблизи данной волны λ.

4. Монохроматический коэффициент поглощения αλ . Он ха- рак-теризуется отношением потока излучения, поглощенного данным телом в единичном интервале длин волн, к потоку излучения, падающего на ту же площадь тела

α= Φλ погл .

λΦλ пад

0 < αλ < 1.

αλ → 0 у зеркал, у тел с белой тканью, αλ → 1 у таких тел как черная бумага, черные ткани, бархат.

Тело, у которого αλ = 1, называется абсолютно черным телом. В природе таких тел нет. Свойства абсолютно черного тела лучше всего воспроизводит модель абсолютно черного тела - тело с небольшим отверстием в замкнутой полости, стенки которой выполнены из поглощающего материала. При каждом отражении

света, вошедшего в полость, стенки полости поглощают часть энергии. Поэтому интенсивность луча света, выходящего из отверстия, во много раз меньше интенсивности входящего света

Рис. 9.

Тела, у которых α = 0,9 называются серыми телами. Таких тел много: кожа человека, белая бумага, белый шелк, белая хлопчатобумажная ткань – все они по-разному поглощают свет, но у всех у них α → 0,9.

Закон Кирхгофа

Изучая условия термодинамически равновесного излучения, Кирхгоф установил, что, т.к. термодинамическое состояние излучателей не меняется, то каждое тело излучает и поглощает одинаковую энергию. Спектр излучения каждого тела должен совпадать со спектром поглощения электромагнитного излучения, иначе термодинамическое равновесие нарушалось бы. В состоянии термодинамического равновесия у тел, обменивающихся энергией только путем излучения и поглощения, отношение спектраль-

170