Оптика2

Дифракция света

Огибание световой волной препятствия и прохождение в область тени называется дифракцией.

Рис.1. Дифракция света на небольшом отверстии

При дифракции света на препятствии, образуются вторичные волны рис.2. Эти вторичные волны распространяются в теневую область. На рис.2 видно, что волновой фронт огибает край препятствия и загибает в теневую область.

Рис.2. Огибание светом препятствия

Дифракция характерна как для поперечных световых волн, так и для продольных звуковых механических волн.

Дифракционная решетка

Оптическое устройство, которое содержит параллельные щели равной ширины a, расположенные на одинаковом расстоянии d друг от друга называются дифракционной решеткой (рис.8).

Рис.8. Дифракционная решетка

На рис.9 показана дифракционная картина (или дифракционный спектр), которая получается после прохождения света через дифракционную решетку.

Рис.9. Дифракционная картина (дифракционный спектр) после прохождения света через дифракционную решетку

Условие наблюдения светлой полосы (или дифракционного максимума):

, где m=0,1,2,…–порядок спектра. (1)

где угол  называется углом дифракции, d –период дифракционной решетки,  – длина волны света. Произведение d×sin  называется разностью хода световых волн.

Форма дифракционного спектра зависит от формы препятствия, на котором дифрагирует световая волна. На рис. 10 показан дифракционный спектр, который получается после прохождения света через круглое препятствие. Такой дифракционный спектр имеет место после похождения световой волны через частицы круглой формы, например, эритроциты. По характеру спектра можно определить размеры частицы и расстояние между частицами в образце.

Интерференция света

Принцип суперпозиции состояний: если две или более волны проходят через определенную точку среды, то результатом смещения этой точки среды будет сумма смещений каждого волнового возмущения (рис.2).

,

, (2)

,

где ₁,₂ – начальные фазы волн, k=2 n/ – волновое число,  – угловая частота, А – амплитуда волны.

Интерференция – это суперпозиция когерентных волн.

Волны называются когерентными, если имеют одинаковые длины волн  (то есть являются монохроматическими) и постоянную разность фаз =₂-₁=const.

Эксперимент Юнга

Свет от источника проходил через узкую щель S₀ в первом экране А и дифрагировал на щели (рис.3). Затем свет достигал второго экрана В с двумя щелями S₁ и S₂, и дифрагировал на двух щелях. Волны из каждой щели распространялись в направлении экрана С, где и происходила их интерференция. Интерференционная картина (интерференционный спектр), которая регистрируется на экране, показана на рис.4. Условие наблюдения интерференционного максимума (светлой полосы) является:

, (3) (3)

где d sin – разность хода, m – порядок спектра.

Условие наблюдения интерференционного минимума (темной полосы) на экране:

. (4) (4)

Рис. 4. Интерференционная картина (интерференционный спектр) в эксперименте

Юнга

Поляризация света

Интерференция и дифракция имеют место для различных типов волн, но явление поляризации наблюдается только для поперечных волн.

Световая волна – это поперечная электромагнитная волна, в которой электрический Е и магнитный вектор Н совершают гармонические колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.1)

Электромагнитные волны называются поляризованными, если электрические Е и магнитные Н векторы совершают гармонические колебания в определенных взаимно перпендикулярных плоскостях, как на рис.1. Поляризованную волну схематично представляют как проекцию электрических векторов Е на плоскость XOY (рис. 2а). Направление колебания электрического вектора Е называют осью поляризации (или направлением поляризации).

Электромагнитные волны называются неполяризованными, если электрические вектора Е совершают гармонические колебания в различных плоскостях. Неполяризованные волны называют естественным светом. Источники естественного света: Солнце, лампочка и т.д. Неполяризованную волну (естественный свет) схематично представляют как проекцию электрических векторов Е на плоскость XOY (рис. 2б).

(a) (б)

Рис.2. Схематическое представление поляризованного (а) и естественного света (б)

Получение поляризованного света

Самый постой способ получения поляризованного света – это пропускание естественного света через поляроид. Поляроид – это тонкая пленка из пластика, в которой крупные молекулы ориентированы в строго определенном направлении.

Направление ориентации молекул внутри поляроида для пропускания света Е_р называется осью поляризации поляроида. После прохождения поляроида световая волна становиться поляризованной. Вектор поляризации световой волны Е совпадает по направлению с осью поляризации поляроида Е_р.

Поляроид называется поляризатором, если он служит для получения поляризованного света из естественного света.

Поляроид называется анализатором, если он служит для анализа поляризованного света.

Если рассмотреть систему двух поляроидов, в которой один поляроид является поляризатором, а другой – анализатором, то интенсивность поляризованного света после анализатора зависит от ориентации осей поляризации поляризатора Е_р и анализатора Е_а. Когда поляризованный свет наблюдают через анализатор, интенсивность проходящего света I зависит от угла  между осями поляризации поляризатора и анализатора:

, (5) (1)

где I₀ – интенсивность падающего поляризованного света на анализатор, I – интенсивность поляризованного света после анализатора,  – угол между осями поляризации поляризатора и анализатора. Выражение (5) является законом Малюса. Когда =0 градусов, интенсивность прошедшего света после анализатора максимальна I_max (рис.4а). Если =90 градусов, интенсивность прошедшего света равна нулю I=0 (рис.4б). В этой позиции поляризатор и анализатор скрещены друг с другом. Скрещенное положение осей поляризации поляризатора и анализатора называется положением экстинкции.

Оптическая активность

Оптическая активность – это изменение направления вектора поляризации световой волны Е после прохождения оптически активных веществ. Оптически активные вещества имеют несимметричную структуру, которая вызывает вращение вектора Е. В этом случае происходит поворот вектора поляризации Е световой волны на некоторый угол . Для оптически активных растворов:

, (2)

где ₀(,Т) – удельная вращения для определенной длины волны  и температуры T, L – толщина слоя вещества и c – концентрация.

Оптическое вращение , может быть измерено с помощью поляриметра (рис.5).

Рис.5. Оптическая схема поляриметра

Кювету вначале заполняют раствором, и анализатор скрещивают с поляризатором (в положение экстинкции). Затем кювету помещают между поляризатором и анализатором. Анализатор снова устанавливают в положение экстинкции. Угол поворота анализатора есть оптическое вращение, которое вызывает раствор. Такой тип измерений используется для количественного анализа растворов (состава и концентрации). Таким образом, можно изучать молекулярную структуру различных веществ.