5.1.2.3.4. Поляризація розсіяного світла

Явище поляризації розсіяного світла виникає внаслідок проходження природного пучка світла крізь каламутне середовище – туман, рідину, колоїдний розчин, в якому містяться завислі часточки, що зрівнянні з довжиною ЕМХ. Пучок світла з різними напрямками коливань світлових векторів спричинює в частинках відповідні коливання електронів. Ці коливання стають джерелами випромінювання вторинних світлових хвиль. Коливання світлового вектора у вторинній хвилі відбувається в площині, що перетинає напрямок коливання зарядженої частинки. Тому розсіяне світло в напрямку, перпендикулярному до променя, що проходить, буде повністю поляризованим. У цьому можна переконатися, спостерігаючи за допомогою поляроїда збоку за пучком світла, що проходить у кюветі з водою.

За законом Релея інтенсивність розсіяного світла пропорційна частоті коливань у четвертому ступені (або ж обернено пропорційна довжині хвилі у четвертому ступені):

,

або

.

Тут a та b – коефіцієнти пропорційності. Тому при проходженні білого світла через каламутне середовище розсіяне світло набуває блакитного відтінку. Світло на виході (те що пройшло каламутне середовище) стає червонуватим.

5.1.2.3.5. Оптична анізотропія двозаломлювальних кристалів

А нізотропними називають середовища, фізичні властивості якого в різних напрямках є різними. Практично всім кристалам притаманна анізотропія оптичних властивостей. Виняток складають кристали найвищої, кубічної симетрії (такими, наприклад, є кристали хлористого натрію, тобто всім відомої кухонної солі). Оптичні властивості речовин характеризуються, зокрема, показником заломлення n, який виражається через відносну діелектричну проникність ε: (тут вважаємо відносну магнітну проникність рівною одиниці, μ=1, бо більшість оптично анізотропних речовин практично не підсилюють і не ослабляють зовнішнє магнітне поле).

Відносна діелектрична проникність ε характеризує реакцію середовища на дію електричного поля. Отже, показник заломлення n залежить від того, як діє на середовище електричний вектор електромагнітного поля. Фізичні величини ε і n в ізотропному середовищі мають однакові значення для всіх напрямків електричного вектора (вони є скалярними), у випадку ж анізотропного середовища значення ε і n залежать від напрямку вектора (такі величини називаються тензорами). Залежність показника заломлення від напрямку стає наочною, якщо з будь-якої точки середовища в кожному напрямку відкласти відрізок, довжина якого чисельно дорівнює n для даного напрямку і через кінці відрізків провести поверхню. У багатьох кристалів ця поверхня є еліпсоїдом обертання (рис. 5.1.21): переріз, що проходить через його центр перпендикулярно до півосі n_е, є колом радіуса n_о. Кристали називають позитивними, якщо n_о < n_е (еліпсоїд обертання при цьому витягнутий, рис. 5.1.21,а ) і негативними, якщо n_о > n_е (еліпсоїд сплюснутий, рис. 5.1.21, б ).

Для обох випадків характерно, що в кристалі існує фізично виділений напрямок (вздовж півосі n_е) . Його називають оптичною віссю кристала – всі напрямки, перпендикулярні оптичній осі, є рівноправними. Такі кристали називають одновісними. Значення n_о і n_е , а також орієнтація осі відносно характерних кристалографічних напрямків в кристалі визначається конкретною структурою кристалічної гратки. Наприклад, у кристалі кальциту (безбарвному мінералі, що називається також ісландським шпатом; хімічна формула СаСО₃) n_о = 1,658 та n_е = 1,486 (для жовтого світла, λ = 0,5893 мкм), а напрямок оптичної осі збігається з напрямком найкоротшої просторової діагоналі елементарної комірки.

Залежність показника заломлення від коливань світлового вектора приводить до того, що промінь природного світла, попадаючи у кристал, розщеплюється на два промені. Це явище отримало назву подвійного променезаломлення. Його ілюструє рис. 5.1.22, де зображено кристалічну пластинку з оптичною віссю ОО , що паралельна площині рисунку. Коливання, перпендикулярні площині рисунку (їх зображено крапками), утворюють з оптичною в іссю кут ; їм відповідає показник заломлення n_о. Коливання, що відбуваються у площині рисунку (зображені стрілками), утворюють з оптичною віссю кут, відмінний від ; їм відповідає показник заломлення n ≠ n_о. Відмінність показників заломлення приводить до розщеплення променя у кристалі: із кристала виходять два плоскополяризованих промені світла. Вони отримали назву звичайного (о) і незвичайного (е). У звичайному промені коливання світлового вектора завжди перпендикулярні оптичній осі. Тому показник заломлення для звичайного променя не залежить від його напрямку (він завжди дорівнює n_о – див. рис. 5.1.21); отже для нього має місце звичайний закон заломлення світла.

У незвичайному промені кут між напрямком коливань світлового вектора і оптичною віссю може змінюватися від до в залежності від напрямку променя (див. рис. 5.1.21). Тому показник заломлення для незвичайного променя залежить від його напрямку і може приймати значення від n_о до n_е . Звичайний закон заломлення світла для незвичайного променя, таким чином, не виконується. Сталі величини n_о і n_е називають відповідно звичайним і незвичайним показниками заломлення кристала.

Величину n_е не слід плутати з показником заломлення незвичайного променя: останній залежить від напрямку променя, в той час як n_е – константа. Обидві величини збігаються, коли незвичайний промінь поширюється перпендикулярно оптичній осі кристала.