ИТОГИ ЛЕКЦИИ № 15

1.Двойное лучепреломление наблюдается только в анизотропных средах. Оно заключается в том, что при произвольном угле падения падающий луч разбивается на два луча: обыкновенный и необыкновенный.

2.Оптическая ось – это направление, в котором нет двойного лучепреломления. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется плоскостью главного сечения.

3.Обыкновенный (о) и необыкновенный (е) лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Обыкновенный луч поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости главного сечения, а необыкновенный –

вплоскости, параллельной плоскости главного сечения.

4.Показатель преломления обыкновенного луча n0 есть величина постоянная и не зависит от направления распространения. Показатель преломления необыкновенного луча ne не постоянен, он зависит от

направления распространения луча.

5. Объяснить явление двойного лучепреломления можно несимметричностью молекул и различной их поляризуемостью в зависимости от ориентации светового вектора Е в падающей световой волне.

3. Вследствие этого диэлектрическая проницаемость ε и показатель преломления n = ε зависят от направления.

6.Если свет падает на двоякопреломляющий кристалл перпендикулярно оптической оси, то видимого двойного лучепреломления нет, но фактически оно есть. Если поместить такой кристалл между двумя поляроидами, то можно наблюдать интерференцию поляризованных лучей.

7.Изотропное вещество может стать анизотропным под действием механических усилий. Если деформируемое вещество поместить между двумя скрещенными поляроидами, то можно наблюдать распределение напряжений. На этом основан метод фотоупругости.

8.Искусственную анизотропию можно создать также под действием электрического поля. На этом основан эффект Керра, который находит применение в создании модуляторов света.

ЛЕКЦИЯ № 16

Взаимодействие света с веществом

Дисперсия света. Поглощение света. Закон Бугера. Рассеяние света

При распространении света в веществе возникают следующие явления. Вопервых, изменяется скорость распространения, причем скорость распространения зависит от длины световой волны. Это явление называется дисперсией.

Во-вторых, часть энергии световой волны теряется. Это явление называется поглощением, или абсорбцией света.

Наконец, при распространении света в оптически неоднородной среде возникает рассеяниесвета на пространственных неоднородностях среды.

§ 1. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА

Дисперсией света называют зависимость показателя преломления n от длины волны (или от частоты), т. е. n = n(λ) . Так как длина волны l связана с частотой n(n= с¤l), то в равной мере можно говорить о зависимости n = n(n).

У

прозрачных

n (λ )

веществ

примерный

вид

зависимости,

полученной

как

1

обобщение

опытных

фактов, изображен на

рис. 16.1.

λ , мкм

0,2

0,4

0,6

Рис. 16.1

Такая зависимость

призма

n(λ)

,

когда

n

фиолетовый

уменьшается с ростом

белый свет

l,

называется

красный

нормальной дисперсией

(dn/dλ < 0) .

При

прохождении

белого

света

через

призму

свет

разлагается

в

экран

дисперсионный

Рис. 16.2

(призматический)

спектр. Это явление впервые наблюдал И. Ньютон (1672 г.). Схема его опыта изображена на рис. 16.2.

Дисперсия света может быть объяснена на основе электромагнитной теории света и электронной теории вещества. Согласно этой теории, световая, т. е. электромагнитная волна, приводит в колебательное движение электроны, входящие в состав атомов. Электроны под действием световой волны совершают вынужденные колебания, амплитуда которых зависит от частоты вынуждающей силы (см. формулу (4.9)). При этом излучаются вторичные волны. Эти вторичные волны имеют ту же частоту, что и частота падающей волны.

В однородной среде результат интерференции всех вторичных волн между собой и с падающей на вещество волной отличен от нуля только в одном направлении – в направлении распространения преломленной волны (см. лекцию № 8). Скорость распространения результирующей волны в среде становится меньше скорости света в вакууме, так объясняется возникновение показателя преломления. Скорость распространения волн в веществе определяет показатель преломления: n = c/v (8.1). Эта скорость также зависит от частоты вынужденных колебаний, т. е. от частоты падающего на вещество света (или длины волны (5.2)). Поэтому дисперсия может определяться как явление зависимости скорости распространения световой волны в веществе от ее частоты (или длины волны).

Подробно классическая электронная теория дисперсии будет рассмотрена в следующей лекции.

§ 2. ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА. ЗАКОН БУГЕРА

При прохождении света через вещество интенсивность убывает, т. е. происходит поглощение света. Как было выяснено в предыдущем параграфе, световая волна, проходя через вещество, возбуждает колебания электронов. Ускоренно движущиеся электроны излучают электромагнитные волны (см. § 1

лекции № 7). Причина поглощения света – переход части энергии световой волны в тепловую энергию. Атомы вещества, внутри которых происходят вызванные световой волной колебания электронов, участвуют в хаотическом тепловом движении и сталкиваются друг с другом. При каждом столкновении энергия колебательного движения электронов переходит в энергию теплового

движения атомов –		происходит поглощение света.
			Как	показывает	опыт,
		вещество	интенсивность	света	при
			прохождении через вещество убывает
I0		I(x)	по экспоненциальному закону (рис.
			16.3):
		x	I(x) = I0e−αx .		(16.1)
			Это выражение представляет
	Рис. 16.3		собой закон Бугера.

Здесь I0 – интенсивность света на входе в поглощающий слой вещества толщиной x; е = 2,7 – основание натуральных логарифмов; α – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны (частоты) света.

Величина α, в соответствии с законом Бугера, не должна зависеть от интенсивности света. Это утверждение справедливо для очень широкого диапазона изменения интенсивности (примерно в 1020 раз), однако С.И. Вавилов экспериментально показал, что при больших интенсивностях для специально выбранных веществ коэффициент поглощения αуменьшается с ростом интенсивности. Происходит это потому, что для своих опытов Вавилов выбирал вещества, у которых молекулы могут сравнительно долго (значительно больше, чем 10–8 с) находиться в возбужденном состоянии, в котором они не могут поглощать энергию от световой волны. В этом случае закон Бугера нарушается.

Рассмотрим зависимость коэффициента поглощения от частоты.

Для веществ, у которых атомы не взаимодействуют друг с другом, таких, как газы, пары металлов при невысоком давлении, коэффициент поглощения α для большинства частот (длин волн) близок к нулю. Резкие максимумы обнаруживаются для очень узких областей частот вблизи резонансных частот ω0i колебаний электронов в атомах. Качественно вид зависимости α(ω) для

этого случая изображен на рис. 16.4.

Из	рис.		16.4	видно,	α
что поглощение света для
газообразных				веществ
носит		избирательный
характер.		При увеличении
взаимодействия				между
атомами,			по	мере
повышения давления газов,
максимумы			поглощения		0	ω01	ω02	ω
уширяются.			В	твердых
телах	и	жидкостях, где					Рис.16.4
взаимодействие				между

атомами велико, наблюдаются широкие полосы поглощения. Качественный вид зависимости α(ω) для этого случая дает рис. 16.5.

У прозрачных тел полосы поглощения приходятся на невидимые глазом

области				спектра	α
(инфракрасная				или
ультрафиолетовая).				У
окрашенных		тел		полосы
поглощения		находятся в
соответственных			участках
видимой	области		спектра.
Например,		«красным»
является	стекло,			слабо	0	ω

Рис. 16.5