Лекция-19 Поляризация света. Дисперсия света.

Поляризация света (определения) Сегодня известно, что видимый свет представляет собой электромагнитные волны с определённой длиной волны. Опыты, в которых была открыта поляризация света, указывают на поперечность этих волн, поскольку свойства продольной волны в плоскости перпендикулярной направлению её распространения, различаться не могут.

При распространении электромагнитной волны в ней совершают колебания вектор напряжённости электрического поля Е и вектор магнитной индукции В. Эти векторы всегда взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной распространению волны. Если колебания вектора Е происходят в одной плоскости, то говорят, что свет плоскополяризован (или линейнополяризован), а саму эту плоскость называют плоскостью поляризации. Векторы Е и В могут вращаться относительно направления распространения света; в этом случае световая волна обладает сложной поляризацией (круговой или эллиптической).

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Поляризатор – вещество (или устройство) служащее для преобразования естественного света в плоскополяризованный.

Плоскость поляризации – плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны.

Квант света, излучённый атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (электрической лампочки, Солнца, свечи) является суммой излучений огромного числа атомов. Каждый из них излучает квант примерно за 10-8 секунды, и если все атомы будут излучать свет с различной поляризацией, то поляризация всего пучка будет меняться на протяжении таких же промежутков времени. Поэтому, в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией усредняются, и его называют неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (например, исландский шпат или турмалин, а также искусственные поляризаторы).

Разберём принцип действия поляризатора на простом механическом примере. Мы создаём волну с помощью верёвки, а в качестве препятствия имеем решётку.

Если волна поляризована параллельно, то она беспрепятственно проходит сквозь препятствие. Напротив, поляризованная в перпендикулярном направлении бегущая волна сквозь преграду уже не пройдёт, а распадётся на две отдельные стоячие волны, отражающиеся в обе стороны от преграды. Таким образом, преграда в виде решётки случит поляризатором для бегущих по верёвке поперечных волн, пропуская лишь волны, поляризованные в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости. Выделенное цветом, цитата из Энциклопедический словарь юного физика Составитель В. А. Чуянов. - Москва: Педагогика, 1984 г.

Объяснение поляризации света в общей теории взаимодействий. С точки зрения общей теории взаимодействий поляризованный свет характеризуется сохранением положения плоскости вращения бионов.

Если в солнечный день посмотреть на голубое небо сквозь поляризатор, то вращая его, можно заметить, что на небе возникают темные полосы. Этот опыт свидетельствует о поляризации солнечного света при его рассеянии в атмосфере.

Поляризация света. История открытия и исследований

Возвращаясь из Исландии, моряки привозили необычные прозрачные кристаллы известкового шпата (CaCO3), которые часто имели форму правильного ромбоэдра. В 1669 году датский учёный Э. Бартолин сообщил о своих опытах с этими кристаллами. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

Через 20 лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло к себе внимание голанского учёного Х. Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, то есть их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают не все кристаллы).

В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшее разложение этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть вокруг направления распространения обыкновенного луча на угол 180 градусов, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла поворота между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей.

Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Гюйгенса Исаак Ньютон, придерживающийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

В 1808 году французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению, заметил, что при определённом положении кристалла было видно лишь одно изображение. На основании этого и других опытов и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой «упорядоченный» свет он назвал поляризованным.

В 1932 году группа американских учёных во главе с Е. Лэндом изобрела первый оптический поляризатор, который оказывает на световые волны действие, аналогичное описанному выше. Для изготовления такого поляризатора было выбрано вещество, состоящее из длинных углеводородных цепей. Затем его растянули, чтобы молекулы выстроились вдоль направления растяжения, и опустили в раствор йода. Молекулы йода «прикрепились» к углеводородным цепям и отдали в них электроны, свободно перемещающиеся вдоль нитей. При падении электромагнитной волны на получившуюся решётку составляющая электрического поля, параллельная нитям, затухает, так как полю приходится совершать работу, разгоняя электроны вдоль нитей; перпендикулярная нитям составляющая электрического поля проходит через такой поляризатор, практически не затухая.

Дисперсия света. На рис.4 представлен поперечный разрез прозрачной плоскопараллельной пластинки.









 

e

Рис.4. Ход светового луча через Рис.5. Ход светового луча через

прозрачную плоскопараллельную поперечный разрез трехгранной

пластинку. призмы.

Пройдя через плоскопараллельную пластинку, луч не меняет своего направления, а только смещается (Рис.4). Смещение луча тем больше, чем больше толщина d пластинки и угол падения – .

На рис.5 показан поперечный разрез трехгранной призмы. Ее боковые грани называются преломляющими, пройдя через которые, луч дважды преломляется и, выходя из призмы, он отклоняется на угол  называется – угол отклонения луча. Угол отклонения  зависит от преломляющего угла  (угол между двумя боковыми гранями, на первую падает и через вторую выходит луч) и от угла падения  луча на преломляющую грань призмы (рис.6).

ццу

 

Экран

 Красный

Оранжевый

Желтый

Зеленый

Голубой

Синий

Фиолетовый

Рис.6. Когда цветные лучи выходят из призмы, они снова преломляются и расходятся еще шире (рис.6). Если на пути лучей поставить экран, то на нем можно увидеть полосы различных цветов.

Предмет, на который мы смотрим через трехгранную призму, кажется смещенным к вершине преломляющего угла, т.к. призма, показатель преломления n которой больше показателя преломления окружающей среды, отклоняет лучи к своему основанию. Показатель преломления для световых волн разной длины различен. Поэтому лучи света разной длины волны отклоняются призмой на разные углы. Это можно проверить, направив в темной комнате узкий пучок белых лучей на одну из граней призмы. Войдя в призму, белый луч развертывается веером, распадаясь на множество цветных лучей. Когда цветные лучи выходят из призмы, они снова преломляются и расходятся еще шире (рис.6). Если на пути лучей поставить экран, то на нем можно увидеть полосы различных цветов.

Чем короче длина световой волны, тем больше показатель преломления для соответствующих лучей, тем сильнее они отклоняются.

Верхний край цветовой полосы образуют красные лучи, под ними располагаются оранжевые, желтые, зеленые, голубые и отклоненные больше всех фиолетовые лучи (рис.6). Вся цветная полоса называется призматическим спектром.

Дисперсия света – – это зависимость абсолютного показателя преломления вещества n от частоты  падающего на вещество света:

где: – длина волны в вакууме.

Разложение в спектр пучка белого света при прохождении его сквозь призму – следствие дисперсии. Дисперсия определяется также как зависимость скорости распространения световой волны в веществе от их частоты. Дисперсия проявляется лишь при распространении немонохроматических волн. Скорость света и длина волны при переходе из вакуума в среду уменьшаются, а частота колебаний остается постоянной.