ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА.

СВЕТ ЕСТЕСТВЕННЫЙ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ.

При действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, которая воздействует непосредственно на электроны в атомах вещества. Поэтому вектор “E” напряженности электрической составляющей поля называют световым вектором волны, а плоскость его колебаний - плоскостью колебаний волны.

Электромагнитную волну, в которой векторы Е и , следовательно, векторы Н лежат во вполне определенных плоскостях, называют плоскополяризованной. Плоскость, проходящая через электрический вектор Е и напряжение распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. В естественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампочки, газоразрядной трубки, пламени, и т.п., складываются неупорядоченные излучения множества хаотически ориентированных атомов, поэтому направление Е не выдерживаются в одной плоскости. Такой свет можно рассматривать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы ориентированы по всевозможным, перпендикулярным к лучу направлениям.

Сечение луча О в некоторый момент времени и проекции векторов Е на плоскость, перпендикулярную лучу. Если у светового луча амплитудные значения вектора Е оказываются неодинаковыми для различных плоскостей колебания, то такой луч называется частично поляризованным.

На рис. изображен частично поляризованный луч, у которого колебания совершаются преимущественно в вертикальной плоскости.

Плоская поляризация света, особенно частичная, - очень распрост-раненное явление, проходящее при отражении, преломлении и рассеянии света окружающими телами. Однако человеческий глаз не обнаруживает различия между поляризованными лучами, имеющими различную ориентацию плоско-

сти колебания, , и вообще не отличает поляризованного света от естественного. В связи с этим все наблюдения поляризации света или связанных с ней явлений производятся только с помощью соответствующих приборов.

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает только составляющую вектора Е и соответственно Н на некоторую плоскость - главную плоскость поляризатора. При этом через поляризатор проходит только половина интенсивности естественного света.

При вращении поляризатора относительно луча естественного света будет поворачиваться плоскость колебаний вышедшего плоскополяризованного света, но интенсивность его изменяться не будет. 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 некоторую составляющую Е, равную

Е = Е₀ cos ,

где  - угол между главными плоскостями поляризатора Р и анализатора А.

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды колебаний ( I ~ E² ), то получаем

I = I₀ cos² ,

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

Это уравнение выражает закон Малюса. Закон Малюса лежит в основе расчета интенсивности света, прошедшего через поляризатор и анализатор во всевозможных поляризованных приборах.

Плоская поляризация света происходит, например, при отражении и преломлении света в стекле (на границе двух прозрачных диэлектриков). Как отраженный так и преломленные световые лучи частично поляризованы, причем преимущественное направление колебаний преломленного луча лежит в плоскости падения и отраженного луча - в плоскости, ей перпендикулярной. Степень поляризации отраженного света зависит от угла падения. При угле падения _Б , удовлетворяющем условию tg_Б = n (закон Брюстера, 1815 г.), где n - показатель преломления среды, происходит полная поляризация отраженного света. При падении под углом полной поляризации луч отраженный и луч преломленный составляет прямой угол друг с другом.

Поляризация происходит также при рассеянии света. Степень поляризации тем выше, чем меньше размеры частиц, на которых происходит рассеяние.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПРИ ДВОЙНОМ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИИ.

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА.

При прохождении света через некоторые кристаллы световой луч разделяется на два луча. Это явление, получившее название двойного лучепреломления было наблюдено в 1670 году Эразмом Бартоломином для исландского шпата (СаСО3 - кристаллы гексагональной системы). При двойном лучепреломлении один из лучей удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Этот луч называется обыкновенным и обозначается “о”. Для другого луча, называемого необыкновенным (“е”), этот закон не выполняется. Необыкновенный луч не лежит, как правило, в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности.

Явление двойного лучепреломления наблюдается для всех прозрачных кристаллов, за исключением принадлежащих к кубической системе. У так называемых одноосных кристаллов (исландский шпат, кварц, турмалин) имеется направление , вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, является главной. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного - лежат в главной плоскости, то есть эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах (анизотропия кристаллов - различие физических, в том числе и оптических свойств, по определенным направлениям): амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направлений этих колебаний.

Обыкновенная волна имеет сферическую форму, необыкновенная - элипсоидальную.

Величина называется показателем преломления обыкновенного луча, величина - показателем преломления необыкновенного луча.

В зависимости от того, какая их скоростей, ₀ или _e, больше различают положительные (_e < ₀, n_e > n₀) и отрицательные (_e > ₀, то есть n_е < n₀) одноосные кристаллы.

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей слишком мало разведены или даже перекрываются. Однако из этих кристаллов изготавливают специальные поляризационные призмы.

Рассмотрим призму Николя.

Николь представляет собой призму из исландского шпата, разрезанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом (n₀ > n_к.б. > n_е, n_к.б. = 1,550; n₀ = 1,6584; n_е = 1,4864). Подобрав соответствующим образом углы призмы, можно обеспечить полное внутреннее отражение обыкновенного луча “о” на границе с канадским бальзамом. Отраженный луч в этом случае поглощается зачерненной нижней гранью или выводится из кристалла. Необыкновенный луч “е” выходит из николя параллельно нижней грани.

На другом принципе основаны поляризаторы, изготоленные из турмалина, герапатита (сернокислый иод-хинин) и некоторых других кристаллов, которые наряду с двойным лучепреломлением обладают еще свойством поглощать один из лучей значительно сильнее, чем другой - дихроизм. Так, в пластинке турмалина толщиной 1мм обыкновенный луч практически полностью поглощается и вышедший свет плоскополяризован.

Из мелких кристалликов герапатита выкладывают значительные площади на целлулоидной пленке. Для их ориентации используют электрическое поле. Такие устройства, называемые поляроидами, могут работать как поляризаторы (анализаторы).

Вращение плоскости поляризации (оптическая активность).

Дисперсия оптической активности. Использование поляризованного

света в медико-биологических исследованиях: поляриметрия

(сахариметрия), спектрополяриметрия, поляризационный микроскоп.

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества [некоторые кристаллы (кварц, киноварь), растворы многих органических веществ (сахара, кислоты, алкалоиды и др.), а также некоторые чистые жидкости (скипидар, никотин)] наблюдается вращение плоскости колебаний светового вектора или вращение плоскости поляризации. Вещества, обладающие такой способностью, называются оптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему поляризатор P - анализатор А, которые поставлены скрещенно, то есть их главные плоскости взаимно перпендикулярны. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропускает свет плоскополяризованный в соответствии с законом Малюса (  = 90⁰).

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 некоторый 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.

Если использовать в опыте свет различной длины волн, то можно обнаружить зависимость угла поворота от длины волны, т.е. дисперсию вращения плоскости поляризации (вращательную дисперсию).

Кварцевая пластинка толщиной 1мм вращает плоскость поляризации на следующие углы: для красного света - 15⁰

желтого - 21⁰

зеленого - 27⁰

синего - 33⁰

фиолетового - 51⁰.

Для данной длины волны угол ““ поворота плоскости поляризации пропорционален пути “l”, пройденному светом в оптически активном веществе:

 =  l,

где  - коэффициент пропорциональности или постоянная вращения, ее принято выражать в угловых градусах на миллиметр.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе “l” и концентрации активного вещества “с”:

 =[ ] c l, (1)

где [  ] - величина, называемая удельным вращением. Это закон Био

,

где а - постоянная, зависящая от природы вещества.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. Если смотреть навстречу лучу, то в правовращающих веществах плоскость поляризации будет поворачиваться по часовой стрелке, в левовращающих - против часовой стрелки. Например, кварцы - левовращающие и правовращающие.

Соотношение (1) лежит в основе весьма чувствительного метода измерения концентрации растворенных веществ, в частности сахара. Этот метод (поляриметрия или сахариметрия) широко 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 изсерять 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. Для исследования прозрачных биологических объектов используют поляризационный микроскоп. Он аналогичен обычному, но снабжен двумя призмами Николя: одна расположена перед конденсором и служит поляризатором, вторая - в тубусе между объективом и окуляром и служит анализатором. Предметный столик вращается вокруг продольной оси микроскопа на 360⁰.

Если поляризационный микроскоп, установленный на полное затемнение поля зрения (скрещенные николи), поместить препарат с изотропной структурой, то поле зрения останется темным. В случае, когда между поляризатором и анализатором помещен препарат с анизотропными структурами, свет, прошедший поляризатор, будет в них вновь двояко преломляться. В связи с этим он не гасится полностью анализатором и соответствующие структуры выступают просветленными на общем темном фоне поля зрения.

Ряд тканей (мышечная, костная, нервная) обладают оптической анизотропией, поэтому возможна поляризационная микроскопия биологических объектов.