16

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики

«ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

к лабораторным работам № 5-1, 5-2

Уфа 2010

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех форм обучения и специальностей. Оно содержат краткие сведения по теории и описание лабораторных работ по разделу «Оптика».

Составители: Кудашева И.А., доц., канд.хим.наук.

Хусаинов М.А., доц., канд.хим.наук.

Курамшина А.Е, ст. преподаватель

Рецензент: Маненкова Л.М., доц., канд. физ.-мат..наук..

• Уфимский государственный нефтяной технический университет,

2010 Теоретическая часть

В соответствии с теорией Максвелла световые волны поперечны. Векторы напряженностей электрического Еи магнитногоНполей волны взаимно перпендикулярны и колебания перпендикулярны вектору скоростиVраспространения волны.

Экспериментально установлено, что действие света на вещество определяется вектором напряженности электрического поля Е, называемым световым вектором.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями светового вектора называется естественным (рис. 1, а). Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Свет частично поляризован, если в результате внешних воздействий появляется преимущественное направление колебаний вектора Е(рис. 1, б). Свет, в котором векторЕколеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополязированным (линейнополяризованным) (рис. 1, в).

Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью поляризации.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания светового вектора, параллельные плоскости поляризации и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости.

Колебания амплитуды А, совершающиеся в плоскости, образующей уголс плоскостью поляризатора, можно разложить на два колебания с амплитудами(рис. 2).

Первое колебание пройдет через прибор, второе будет задержано. Интенсивность прошедшей волны пропорциональна Колебание, параллельное плоскости поляризатора, несет с собой долю интенсивности, равную½, т.к. образуются два луча равной интенсивности у которых колебания световых векторов происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях.ы

При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется только ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.

Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды А₀и интенсивностиI₀(рис. 3). Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудойA = A₀ cos, где- угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. Интенсивность прошедшего света

Это соотношение выражает закон Малюса.

Поставим на пути естественного луча два поляризатора, плоскости которых образуют угол . Из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого составляет половину интенсивности естественного светаI_ЕСТ. Согласно закону Малюса из второго поляризатора выйдет свет интенсивностьюгдеИнтенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

Максимальная интенсивность, равная получается при= 0, т.е. когда поляризаторы параллельны. При=/2 интенсивность равна нулю, т.е. скрещенные поляризаторы не пропускают свет.

Второй поляризатор, используемый в этом опыте, обычно называют анализатором. При вращении анализатора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света изменяется в пределах от I_maxдоI_min.

Степенью поляризации называется выражение

Для плоскополяризованного света I_min = 0 иР= 1, для естественного светаI_max = I_minиР= 0.

При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков происходит его отражение и преломление. Если на пути отраженного и преломленного лучей установить анализатор (например, пластинку турмалина), можно убедиться в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 4 – точки), в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения (на рис. 4 – стрелки).

Отраженный свет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения при угле падения Брюстера, который удовлетворяет условию

Этот закон называется законом Брюстера. Здесь n₂₁показатель преломления второй среды относительно первой. Преломленный луч при угле паденияi_БРчастично поляризован.

Все кристаллы некубической симметрии оптически анизотропны. В оптически анизотропных кристаллах наблюдается явление двойного лучепреломления, которое состоит в том, что луч света, падающий на поверхность кристалла, раздваивается в нем на два преломленных луча (рис. 5) – обыкновенный (о) и необыкновенный (е).

Оптической осью кристалла называется направление в оптически анизотропном кристалле, вдоль которого свет распространяется не испытывая двойного лучепреломления. Кристаллы в зависимости от типа их симметрии бывают одноосные и двуосные. Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью. Вышедшие из кристалла лучи плоско поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Колебания вектора Ев обыкновенном луче происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном – в главной плоскости. При любом направлении обыкновенного луча колебания светового вектора перпендикулярны оптической оси кристалла, поэтому обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью, показатель преломленияn₀для него есть величина постоянная. Для необыкновенного луча угол между направлением колебаний светового вектора и оптической осью отличен от прямого и зависит от направления луча, поэтому необыкновенные лучи распространяются по разным направлениям с разными скоростями. Показатель преломленияn_енеобыкновенного луча является переменной величиной, зависящей от направления луча. Обыкновенный луч подчиняется закону преломления, а для необыкновенного луча этот закон не выполняется.

Поляризованные лучи выходят из кристалла под очень малым углом к друг другу, что затрудняет их раздельное использование. Для того, чтобы развести эти лучи, часто пользуются поляризатором, называемым призмой Николя (рис. 6). Призма Николя представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную вдоль линии АВканадским бальзамом сn = 1,55. Оптическая ось 00’ призмы составляет с входной гранью угол 48⁰. На передней грани призмы естественный луч, параллельный ребруСВ, раздваивается на два луча: обыкновенный (n₀ = 1,66) и необыкновенный (n_e = 1,51). При угле падения, равном или большем предельного, обыкновенный луч испытывает полное отражение, а затем поглощается зачерненной боковой поверхностьюСВ. Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно падающему лучу, незначительно смешенному относительно него.

При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества, называемые оптически активными, плоскость поляризации света поворачивается вокруг направления луча.

Оптической активностью обладают некоторые кристаллы (кварц, киноварь), чистые жидкости и растворы (скипидар, раствор сахара в воде). Оптическая активность может быть обусловлена как строением самих молекул вещества, так и расположением частиц в кристаллической решетке. Вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо, т.е. по часовой стрелке (для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу), называются правовращающими. Вещества, поворачивающие плоскость поляризации влево по ходу луча, называются левовращающими.

Качественное объяснение вращения плоскости поляризации света было предложено Френелем. Линейно поляризованную плоскую монохроматическую волну E = A sin ( t – k x)можно представить в виде комбинации двух одновременно распространяющихся по кругу поляризованных плоских монохроматических волн той же частоты, векторы напряженностейЕ₁иЕ₂которых равны по модулюи вращаются во взаимно противоположных направлениях с одинаковой угловой скоростью. В оптически активной среде волныЕ₁иЕ₂распространяются с разными фазовыми скоростями. Поэтому после прохождения этими волнами в среде путиlмежду ними возникает сдвиг по фазе₁пропорциональныйl. В результате наложения этих волн на выходе из слоя толщинойlобразуется плоская монохроматическая волна, плоскость поляризации которой повернута относительно плоскости поляризации падающей волны на уголпропорциональныйl.

Угол поворота плоскости поляризации света в оптически активных кристаллах и чистых жидкостях пропорционален толщине lслоя вещества, через который проходит свет:

а в разбавленных растворах пропорционален как толщине слоя вещества, так и концентрации раствора:

Здесь с– объемно-массовая концентрация оптически активного вещества в растворе (кг/м³).

Постоянная характеризует свойства вещества и называется постоянной вращения или удельным вращением. Постоянная вращения зависит также от температуры и длины волны используемого света.

Явление вращения плоскости поляризации лежит в основе точных методов определения концентрации растворов оптически активных веществ: поляриметрии и сахарометрии. По найденному углу поворота плоскости поляризации и известному значению угла находится концентрация растворов вещества.