§ 56. Поляризація світла

Ми знаємо, що світло є електромагнітними хвилями. Але які це хвилі: поперечні чи поздовжні? В електромагніт­ній хвилі відбувається коливання вектора напруженості електричного й індукції магнітного полів. Тобто електро­магнітна хвиля — це сукупність двох поперечних взаємно перпендикулярних хвиль: електричної (утвореної коливанням вектора напруженості електричного поля Е) і магнітної (утвореної коливанням вектора магнітної індукції В), що переміщуються вздовж спільної прямої г, яка є світловим променем.

Промінь (світло), електричні коливання якого здійсню­ються весь час лише в одній площині, називають плоско-поляризованим променем (світлом). Зрозуміло, що при цьому магнітні коливання здійснюються в іншій (перпен­дикулярній) площині, названій площиною поляризації.

Досвід показує, що хімічна, фізіологічна та інші види впливу світла на речовину обумовлені головним чином електричними коливаннями. Враховуючи це, а також для спрощення малюнків, які зображають світлову хвилю (чи промінь), ми будемо надалі говорити лише про електричні коливання, а площину, в якій вони здійснюються, нази­вати площиною світлових коливань, або просто площиною

коливань. Тоді промінь плоскополяризованого світла мож­на схематично зображати так, як показано на малюнку 123, а (промінь перпендикулярний до площини малюнка; вектори відповідають амплітудним значенням напруже­ності електричного поля).

Будь-яке реальне джерело світла складається з безлічі атомів, які випускають світлові хвилі з усіма можливими орієнтаціями площини коливань. Ці хвилі накладаються одна на одну, в ревультаті чого будь-якому променю, випущеному природним джерелом світла, відповідатиме безліч різноманітно орієнтованих площин коливання (мал. 123, б). Такий промінь (світло) є неполярваомним і називається природним. Бувають випадки,_колж у світло­вого променя амплітудні значення вектора Е виявляються неоднаковими для різних площин коливання; такий про­мінь називають частково поляризованим. На малюнку 123, в зображено частково поляризований промінь, в якого коливання здійснюються переважно у вертикальній площині.

Але як переконатися на досліді в тому, що світлові хвилі справді поперечні?

Явища інтерференції і дифракції не дають відповіді на питання про напрям коливань у хвилі. Однак для по­перечних хвиль характерним є явище поляризації, яким і можна скористатися для доведення поперечності світлових хвиль. Щоб з'ясувати суть явища поляризації, розглянемо таку механічну аналогію.

Прикладом поперечних механічних коливань можуть служити коливання мотузки, яку розгойдують з одного кінця. Хвилі біжать вздовж мотузки, а коливання здійсню-

ються в перпендикулярному до неї напрямі. Хвилі, що біжать мотузкою, вільно проходитимуть через щілину (мал. 124, а, б). Якщо повернути щілину на 90°, то коли­вання припиняються, тобто ніби гасяться (мал. 124, в). Легко зрозуміти, що на поширення поздовжніх хвиль положення щілин аж ніяк не впливає.

Якщо в поперечних хвилях одночасно відбуваються коливання в різних напрямах у площині, перпендикуляр­ній до променя, то щілина пропускатиме хвилі тільки з коливаннями, паралельними їй. Інакше кажучи, щілина перетворюватиме неполяризовата хвилі в плоскополяри-

зовані.

Щоб в'ясуват, чж є світлова хвиля поперечною, треба знайтщ для світлових хвиль пристрій, який міг би вико­нувати роль вказааш жжще и^ідштид тобто інинвшядонси неполяризовану світлову хвилю. Для аналізу характеру світлових коливань розглянута щілина, звичайно, непри­датна. Але властивості такого роду мають кристали деяких речовин, зокрема, кристали турмаліну. Варшаві з них певним чином плоскопаралельні шгастнвкж ждаггні про­пускати світлові коливання лише певного напряму.

Природні джерела світла вштроигінютоть неполяржшо-вані хвилі. Для підтвердження цього скористаємося двома турмаліновими пластинками (мал. 125). Оскільки турма­лінова пластинка пропускає світлові тгпттттамтш лише одного напряму (на малюяжу цей напрям показано стріл­кою АВ), то світлова хвиля після проходження першої пластинки виявиться плоскополяризованою. Коливання

в цій хвилі здійснюватимуться тільки в одному напрямі — паралельному АВ (мал. 125, а).

Переконатися в цьому можна за допомогою другої турмалінової пластинки. Якщо розмістити її так, щоб на­прями світлових коливань АВ, які пропускаються першою пластинкою, і, які пропускаються другою пластин-

кою, були паралельними один одному (мал. 125, б), то друга пластинка пропускає без змін світлову хвилю, яка пройшла через першу пластинку, і око бачить світло. Але якщо пластинки розмістити так, щоб напрями коливань АВ івиявилися перпендикулярними один до одного

(мал. 125, в), то друга пластинка повністю гаситиме коливання, які пройшли через першу пластинку. За другу пластинку світло не проходить і око не побачить світла. Повертаючи другу пластинку турмаліну навколо променя SO, можна змінювати інтенсивність світла, яке поширює­ться у напрямі SO, від максимального значення (положен­ня а) до повного гасіння світла (положення в).

Розглянутий дослід підтверджує, що світлові хвилі є хвилями поперечними і разом з тим вказує на наявність у природі речовин (турмалін), здатних пропускати світлові коливання лише певного напряму, тобто речовин, здатних поляризувати світло.

В останні роки для поляризації світла широко засто­совуються так звані поляроїди (поляризаційні фільтри). Поляроїд — це прозора полімерна плівка товщиною близь­ко 0,1 мм, на яку нанесена велика кількість орієнтованих зовсім однаково дрібних штучних кристаликів герапатиту.

Поляроїди знаходять широке застосування в різнома­нітних галузях господарства країни. Згадаємо цікаве застосування поляроїдів на автотранспорті для захисту водіїв від засліплення світлом фар зустрічних автомобілів. На вітрове скло і скло фар наклеюються поляроїдні плівки так, що площини їх поляризації утворюють кут 45° з го­ризонтом і паралельні одна одній. Водій, дивлячись на дорогу через поляроїд, бачить відбите світло фар свого автомобіля, тобто бачить освітлену ним дорогу, але не ба­чить світла від фар зустрічного автомобіля, забезпеченого також поляроїд ними плівками. Неважко переконатися, що в останньому випадку площини поляризації будуть взаємно перпендикулярними. Завдяки цьому водій вияв­ляється захищеним від засліплюючої дії фар зустрічного автомобіля.

Розчини деяких речовин здатні повертати площину поляризації світла під час його проходження через розчин, причому кут повороту площини поляризації залежить від концентрації речовини в розчині. Ця властивість викори­стовується в будові так званих поляриметрів — приладів для визначення концентрації речовини. Особливо широко використовуються поляриметри для визначення концен­трації цукру в розчині. У цьому випадку їх називають цукрометрами.

В машинобудуванні і будівель­ній техніці явище поляризації світла використовується для ви­вчення механічних напруг у прозо­рих тілах. Якщо паралельно роз­містити два поляроїди (аналізатор і поляризатор), вставити між ними прозоре тіло, наприклад, пластину з органічного скла, і освітити їх, то на екрані буде видно лише контури пластини. При деформації пласти-

ни її оптична однорідність порушується і на екрані виникає барвиста картина виниклих деформацій (мал. 126). Оскільки в техніці застосовуються звичайно непрозорі матеріали (метали), то дослідження напруг здійснюють на прозорих моделях, а потім роблять відповідний перерахунок на проектовану конструкцію.

? 1. Чим відрізняється пржродне світло мд поляризованого? 2. Пояс­нити qrngny» тп\чярим ції світла.