Fizika - V. F. Dmitriyeva

У § 189 було розглянуто питання про дію сили на електрон з боку електричного і магнітного полів і показано, що магнітні сили порівняно з електричними дуже малі. Тому, говорячи далі про коливання у світловому промені, ми завжди розумітимемо під ним коливання вектора Е.

Електромагнітні хвилі, які випромінює світне тіло, складаються з окремих хвиль, що випромінюються його атомами (елементарними вібраторами). Внаслідок того що атоми безперервно змінюють свою просторову орієнтацію, напрям коливань вектора Е результуючої світлової хвилі безперервно змінюється.

Якщо у світловій хвилі вектор Е коливається в різних напрямах у площині, перпендикулярній до напряму поширення хвилі, то світло називають природним (рис, 21.22, а).

Світлові коливання, як і будь-які коливання, що відбуваються в одній площині, можна розкласти за правилом паралелограма на два коливання, які відбуваються у двох взаємно перпендикулярних площинах. Отже, природний промінь світла ми можемо уявити як промінь, в якому коливання відбуваються у двох взаємно перпендикулярних напрямах, наприклад у площині рисунка, яку вважаємо такою, що збігається з площиною падіння (коливання позначають крапками). На рис,, 21.22, б промінь природного світла умовно зображено як пряму, на якій розміщена однакова кількість рисочок і крапок.

Якщо вектор Е коливається тільки в одному напрямі перпендикулярному до променя, то світло називають плоскополяризованим. Пряма з рисочками (рис. 21.22, в) або крапками (рис. 21.22, г) зображує промінь плоскополяризованого світла. Частково поляризований промінь світла зображено на рис. 21.22, д, е.

Площину А, яка проходить через напрям коливань вектора Е і промінь (рис. 21.23), називають площиною коливань.

Площину М, яка проходить через промінь і перпендикулярна до напряму коливань вектора Е, тобто площину, в якій коливається вектор В, називають площиною поляризації. Площини коливань і поляризації завжди взаємно перпендикулярні.

г

490

Поляризація світла при його відбиванні і заломленні

Поляризоване світло можна добути при його відбиванні і заломленні від межі поділу двох діелектриків. Якщо кут падіння світла за межу поділу двох діелектриків не дорівнює нулю, то відбитий і заломлений промені будуть частково поляризованими (рис. 21.24, о). У відбитому промені переважають коливання, перпендикулярні до площини падіння, у заломленому промені - коливання, паралельні площині падіння. Якщо кут падіння задовольняє умову

де п - відносний показник заломлення двох середовищ, то відбитий промінь буде поляризований повністю (рис. 21.24, б), а заломлений - тільки частково. Співвідношення

(21.18) називають законом Брюстера, кут гБ - кутом Брюстера або кутом повної поляризації. Із закону Брюстера і закону заломлення зіп іБ і зіп (3 = я

випливає, що при падінні променя на діелектрик під кутом повної поляризації промінь відбитий і промінь заломлений взаємно перпендикулярні.

§ 201. Подвійне променезаломлення. Поляроїди

Подвійне променезаломлення

Як було зазначено раніше, у природі є анізотропні речовини, оптичні властивості яких у різних напрямах різні. До таких матеріалів можна віднести, наприклад, кристали ісландського шпату і кварцу. У природному промені вектор Е коливається в усіх напрямах, а оскільки властивості кристала в різних напрямах різні, то вектор напруженості електричного поля в різних площинах коливається неоднаково, виникають ніби промені з різним значенням Е - на межі поділу двох середовищ вони заломлюються по-різному. Це означає, що коливання, які відбуваються в двох взаємно перпендикулярних площинах, що характеризуються двома компонентами вектора напруженості електричного поля (Ех і Еу), фактично

мають різні показники заломлення. При цьому спостерігається роздвоєння променя, або подвійне променезаломлення: природне світло, увійшовши в кристал ісландського шпату, роздвоюється на два промені, які поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах. Для одного з променів викону-

491

ються закони заломлення, і тому цей промінь називають звичайним, для другого - не виконуються, і промінь називають незвичайним.

Напрями, вздовж яких подвійного променезаломлення немає і обидва промені (звичайний і незвичайний) поширюються з однаковою швидкістю, називають оптичними осями кристала. Якщо такий напрям один, то кристали називають одновісними. Площину, яка проходить через падаючий промінь і оптичну вісь кристала, називають головним перерізом кристала.

Промені звичайні і незвичайні є одночасно променями поляризованими; звичайний промінь поляризований у площині головного перерізу, а незвичайний - у площині, перпендикулярній до площини головного перерізу.

Призма Ніколи

Двозаломні кристали безпосередньо не використовують як поляризатори, оскільки пучки звичайних і незвичайних променів виходять з кристала під дуже малим кутом один до одного або навіть перекриваються. Щоб "розвести" ці промені, користуються різними поляризованими призмами. Найбільш поширена призма Ніколя, або ніколь. Вона складається з кристала ісландського шпату, який має форму паралелепіпеда (рис. 21.25). Кристал розрізують похило по площині ВЕВР на дві частини, а потім склеюють канадським бальзамом. Показник заломлення канадського бальзаму 1,549. Показник заломлення ісландського шпату для звичайних променів 1,658. Для незвичайних променів показники заломлення ісландського шпату різні для різних напрямів: для променів, які йдуть паралельно довгим ребрам призми, він дорівнює 1,515.

Нехай природний промінь падає на нижню грань призми (рис. 21.26) у площині головного перерізу (площині рисунка) під таким кутом, що заломлені промені, роздвоївшись, ідуть майже паралельно ребрам. Незвичайний промінь, дійшовши до шару канадського бальзаму, входить у нього як у середовище, що більш заломлює, і продовжує шлях, не відхиляючись, оскільки шар канадського бальзаму дуже тонкий. Звичайний промінь зустрічає

ти промінь

8

Рис. 21.25 Рис. 21.26

492

шар бальзаму як середовище, яке менш заломлює, і, оскільки кут його падіння більший від граничного кута, зазнає повного відбивання і поглинається зачорненою гранню призми. З призми виходить один тільки незвичайний промінь. Напрям коливань вектора Е показано на рис. 21.26.

Поляроїди

Використавши дихроїзм таких двозаломних кристалів, як, наприклад, герапатит, виготовляють поляризаційні світлофільтри (поляроїди). [Де - целулоїдна плівка, вкрита тонким шаром відповідно орієнтованих кристалів герапатиту. Ці плівки поводять себе як пластинки, вирізані з кристала турмаліну: в них відбувається подвійне променезаломлення і, як і в пластинці турмаліну, один з поляризованих променів поглинається в самому герапатиті, а другий виходить назовні.

Такі пристрої, як поляроїди і призми, можуть працювати як поляризатори і аналізатори. Дослід показує, що деякі кристали і розчини органічних сполук, якщо через них проходить поляризований промінь, повертають площину його поляризації, причому кут повороту площини коливань вектора Е пропорційний шляху, пройденому світлом у цій речовині. Речовини, які обертають площину поляризації, називають оптично активними. До них належать кварц, розчин цукру у воді тощо.

Явище поляризації широко використовують у народному господарстві. Його застосовують для визначення концентрації розчинів оптично активних речовин, для визначення місць пружних напруг, які виникають внаслідок механічних навантажень, під час вивчення процесів, які швидко відбуваються, таких, наприклад, як звукозапис і відтворення звуку.

§ 202. Дисперсія світла

Дисперсія світла

Якщо пропустити пучок білого світла через скляну призму, то на екрані виникне смужка, забарвлення якої безперервно змінюється; її називають призматичним або дисперсним спектром (рис. 21.27). Розклад білого світла в спектр у процесі проходження через призму - прояв дисперсії.

493

Чому біле світло, проходячи через призму, розкладається у спектр? З точки зору хвильової теорії всякий коливальний процес можна характеризувати частотою коливань, амплітудою і фазою. Амплітуда коливань (точніше, її квадрат) визначає енергію коливань. Фаза відіграє основну роль у явищах інтерференції. Колір усіх променів пов'язаний з довжиною хвилі.

Дисперсія світла характерна для всіх середовищ, крім вакууму.

У вакуумі швидкість поширення електромагнітних хвиль будь-якої довжини однакова |3-108 м/с], а в речовині залежить від довжини хвилі. Тому відрізняються і показники заломлення п = С/У для різних хвиль, які входять до складу білого світла. Проходячи через призму, складові частини білого променя зазнають різного заломлення і виходять розбіжним кольоровим пучком.

Явище дисперсії світла можна спостерігати не тільки в процесі проходження світла через призму, а й у багатьох інших випадках. Так, наприклад, заломлення сонячного світла у водяних краплях, які утворюються в атмосфері, супроводиться розкладом

ковими заломленими кутами, але виготовлених з різних речовин, установлено, що кольорові промені не тільки відхилені на різні кути, що зумовлено різними значеннями п для тієї самої X , а й їх спектри розтягнуті на більшу чи меншу довжину через відмінності в значенні дисперсії для різних речовин.

Розклад кольорів

Перші експериментальні дослідження дисперсії світла належать Ньютону, який показав, що біле світло складається з семи кольорів: червоного, оранжевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього, фіолетового. Збираючи лінзою в одне місце кольорові промені, які вийшли з призми, Ньютон дістав на екрані замість забарвленої білу смужку. Отже, при сполученні кольорових променів спектра утворюється біле світло. Біле світло можна дістати при змішуванні двох (або більше) кольорів. Такі кольори називають

доповняльними.

Прикладом доповняльних кольорів є жовті і сині промені. Змішуючи в різній пропорції випромінювання трьох основних кольорів, якими є червоний, зелений і фіолетовий, можна дістати будь-яке забарвлення променів.

494

Кольори тіл

Забарвлення тіл різноманітне. Колір тіла зумовлений його забарвленням, властивостями поверхні, оптичними властивостями джерел світла і середовища, через яке поширюється світло,.

Колір прозорого тіла визначається складом того світла, яке проходить через нього.

Якщо пропустити біле світло через пофарбовані стекла, наприклад через червоне, зелене тощо, то ці стекла пропустять переважно ті кольори, в які вони пофарбовані: червоне - червоний; зелене - зелений тощо. На цьому ґрунтується застосування різних світлових фільтрів.

Колір непрозорого тіла визначається сумішшю кольорів, які воно

відбиває.

Деякі тіла здаються нам тільки жовтими, інші - синіми і т. д. Це означає, що тіло переважно відбиває жовті, сині промені. Тіло, яке відбиває у великій кількості всі кольорові промені, здаватиметься білим; тіло, яке поглинає майже всі промені, що падають на нього, - чорним.

У природі не існує ні абсолютно білих, ні абсолютно чорних тіл. Здатність тіл поглинати певні кольорові промені називають вибірним

поглинанням. Від нього й залежить забарвлення тіл.

Якщо світло, яке падає на забарвлену поверхню, за своїм складом від» рівняється від денного, то ефекти освітлення можуть бути зовсім іншими. І Іавіть перехід від денного світла до штучного значно змінює співвідношення кольорів і відтінків предметів, і особливо художніх творів. Жовті і зелені кольори при вечірньому освітленні здаються більш тьмяними, а синій колір - майже чорніш.

§ 203, Призматичний і дифражційюот спектри

Призматичний спектр

Спектри, які утворюються в дифракційних ґратах і в призмі,

дуже різні, Дифракційні грати розкладають падаюче світло безпосередньо зале-

жно від довжин хвиль, тому за кутами, утвореними напрямами відповідних дифракційних максимумів, можна обчислити довжину хвилі,. Призма розкладає падаючий пучок світла залежно від значення* коефіцієнта заломлення.

Тому, щоб визначити довжину хвилі світла, треба знати залежність п - / ( X ) речовини, з якої виготовлено призму.

495

де мала була розміститися жовта лінія спектра випромінювання пари нагрію. Розглянуте явище пояснив Г. Кірхгоф, який показав, що атоми певного елемента поглинають ті самі світлові хвилі, які вони самі випромінюють.

Це твердження називають законом Кірхгофа. На рис. 21.28, г зображено спектр пог линання Сонця; на рис. 21.28, д - є - спектри поглинання натрію, водню і гелію.

Щоб пояснити походження спектрів, треба знати будову атома. Ці пигання розглянуто далі.

§ 205» Ультрафіолетове

та інфрачервоне випромінювання

Ультрафіолетове випромінювання

У1801 р. німецький фізик Й. В. Рітгер та англійський фізик

У.Волластон відкрили невидимі промені, які назвали ультрафіолетовими, Ці промені займають спектральну область між фіолетовим кінцем видимого світла і рентгенівськими променями, в діапазоні довжин хвиль від 400 до 10 нм.

497

Джерелами ультрафіолетового випромінювання є тіла, розжарені до температури порядку 3000 К* Прикладом можуть бути ртутно-кварцові, ксенонові, газорозрядні та інші лампи. Природними джерелами ультрафіолетового випромінювання є Сонце, зорі, туманності та інші космічні об'єкти»

Ультрафіолетові промені мають дуже сильну біологічну дію, тому їх значення в природі величезне. Випромінювання в інтервалі 0,38-0,32 мкм сприяє зміцненню і загартуванню людини, утворенню вітаміну О в її організмі. Випромінювання в інтервалі 0,32-0,28 мкм спричинює загар, а в інтервалі 0,28-0,25 мкм йому властива бактерицидна дія.. Великі дози можуть пошкодити очі та обпекти шкіру.

Ультрафіолетове випромінювання дуже добре поглинається земною атмосферою, тому його досліджують у високогірних районах. Для реєстрації цього випромінювання використовують звичайні фотоматеріали і різні речовини, .що люмінесціюють і перетворюють ультрафіолетове ви~ промінювання у видиме.

Інфрачервоне вилромшювашт

Інфрачервоне випромінювання відкрив англійський учений В. Гершель у 1300 р. Воно займає спектральну область між червоним кінцем видимого світла, і короткохвильовим радіовипромінюванням у діапазоні довжин хвиль від 0,74 мкм до 1-2 мм. Це випромінювання мас велику енергію і тому дуже нагріває тіла, на які воно падає; його часто називають тепловим.

Джерелами інфрачервоного випромінювання є лампи розжарювання з вольфрамовою ниткою, електрична вугільна дута і різні газорозрядні лампи, Потужним природним джерелом' с Сонце, близько 50 % випромінювання його лежить в інфрачервоній області.

Інфрачервоні промені проникають у поверхневі тканини людини й тварин і позитивно впливають на перебіг усіх біологічних процесів» Це випромінювання широко використовують у сільському господарстві при влаштуванні парників. Промені, відбиваючись від парника, додатково нагрівають грунт [парниковий ефект).

Інфрачервоне випромінювання застосовують для сушіння матеріалів, овочів, фруктів. Створено прилади, в яких інфрачервоне зображення об'єкта перетворюється у видиме. Інфрачервоні локатори і далекоміри знаходять об'єкти в темряві, якщо їх температура вища за температуру навколишнього середовища. Інфрачервоні лазери використовують для наземного і космічного зв'язку;

4§8

§206. Прилади для добування

ідослідження спектра

Спектральні прилади - прилади для розкладання світла оптичного діапазону на спектри за довжинами хвиль. Розрізняють три головні типи спектральних приладів: спектроскопи, спектрографи, спектрометри. Видиму частину спектра досліджують за допомогою приладів, які називають спектроскопами. Найпростіший спектроскоп зображено на рис. 21.29.

Двотрубний спектроскоп має у своєму складі коліматор 7, столик З з пришою і зоровою трубою 2, яка переміщується відносно призми мікрометричним гвинтом. Коліматор 1 складається з груби, яка має щілину 4, встановлену в головному фокусі лінзи 5 (рис. 21.29, б). Тому промені, які падають від джерела на лінзу 5 і проходять через щілину,

ииходять з неї паралельним пучком. Промені з лінзи 5 падають на передню грань призми 3, розкладаються в призмі і виходять з неї системою променів різних кольорів і напрямів залежно від довжини хвилі, причому всі промені одного кольору паралельні один одному. Потім промені надходять у зорову трубу через об'єктив б.

Оскільки промені одного кольору, які виходять з призми, паралельні, але не збігаються за напрямом з променями інших кольорів, то у фокальній площині об'єктива 6 виникає ряд паралельних, по-різному забарвлених зображень щілини 4. Ці зображення розглядають через окуляр 7.

У двотрубних спектроскопах для визначення відносного розміщення спектральних ліній окуляр зорової труби має нитку. Повертаючи трубу навколо призми, суміщають нитку окуляра з різними частинами спектра. Зміщення труби 2 відлічують за допомогою лімба і горизонтальної міні метрової лінійки, яка прилягає до лімба.

Прилад, в якому спектр реєструється на фотопластинці, називають

(пектрографом.

Досконаліші спектроскопи мають третю трубу, за допомогою якої у фокальній площині об'єктива зорової труби проектується шкала довжин хвиль. Такий прилад називають спектрометром.

Якщо у фокальну площину помістити щілинну діафрагму, то з усього спектра можна виділити вузький пучок монохроматичних променів. Цей прилад називають монохроматором.

499