Лекция 12

Тема: Дисперсия света. Поляризация света

Вопросы:1) Дисперсия света

2) Поляризация света

1. Скорость света в веществе , где с – скорость света в вакууме. Скорость электромагнитных волн в веществе связана с диэлектрической и магнитной проницаемостью вещества, которые, в свою очередь, зависят от частоты переменного электрического и магнитного поля.

В веществе электромагнитные волны взаимодействуют с электронами атомов и это взаимодействие разное для разных частот электромагнитного поля. Показатель преломления среды относительно вакуума . Дисперсия света – это зависимость показателя преломления вещества от частоты световой волны.

Первые исследования дисперсии проводил Ньютон в призмах из разных веществ (рис.12.1), он обнаружил, что хотя размеры призм и углы между их гранями были одинаковы, спектры отклоняются на разные углы и по-разному растянуты.

Рис.12.1

Позже в результате измерения показателя преломления для разных длин волн была исследована зависимость показателя преломления от длины волны

n = f(λ). У всех прозрачных бесцветных веществ показатель преломления уменьшается с ростом длины волны (рис.12.2), т.е. слабее отклоняются волны, дающие красный цвет, сильнее – дающие фиолетовый цвет.

Рис.12.2

Если вещество поглощает часть лучей, то в области поглощения наблюдается аномальная дисперсия (рис.12.3).

ν

Рис.12.3

Видно, что с ростом показателя поглощения χ показатель преломления растет, при максимальном поглощении света показатель преломления резко падает и затем снова растет.

Опыт показывает, что интенсивность света при прохождении через прозрачное поглощающее вещество убывает по экспоненциальному закону:

,

где I0 – интенсивность света, падающего на вещество, l – толщина слоя вещества, χ – коэффициент поглощения вещества. Коэффициент поглощения зависит от длины волны (частоты) света. При прохождении света в веществе поле электромагнитной волны взаимодействует с электронами вещества, вызывая их колебания и переводя молекулы в возбужденное состояние. Колебания электронов порождают вторичные волны, а у молекулы в возбужденном состоянии меняется способность поглощать свет.

Дисперсия света в капельках воды ведет к появлению радуги во влажном воздухе (рис.12.4).

Рис.12.4

2. Свет представляет собой поперечную волну, векторы электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно к направлению распространения волны. Условились считать, что плоскость, в которой колеблется электрический вектор, называется плоскостью колебания светового луча.

Если направление колебаний электрического вектора имеет одно направление и остается неизменным в пространстве, то такая волна называется поляризованной. Электромагнитные волны, излучаемые вибратором, линейно поляризованы; колебания электрического вектора происходят вдоль оси вибратора. Плоскость, перпендикулярная к направлению колебания электрического вектора, называется плоскостью поляризации.

Световой импульс, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атом, молекула) в единичном акте излучения, всегда поляризован полностью. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей; пространственная ориентации векторов Е (и моменты актов излучения) световых импульсов отдельных частиц в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении подавляющего большинства источников направление Е непрерывно и беспорядочно меняется за чрезвычайно малые промежутки времени. Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным, светом. Создав определённые условия на пути распространения естественного света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую. Взаимодействие света и вещества может приводить к полному или частичному выделению поляризованных волн из естественных.

Поляризованный свет можно получить с помощью явления двойного лучепреломления в некоторых кристаллах.

В 1669 г. датский учёный Эразм Бартолин обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл исландского (известкового) шпата расщепляется на два луча (рис.12.5), которые, как позже было установлено другими исследователями, поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Один луч назвали обыкновенным (обозначают о), так как он подчиняется всем законам геометрической оптики. Второй луч назвали необыкновенным (обозначают е), он не лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к поверхности, показатель преломления для него зависит от угла падения света.

Рис.12.5

Направление в кристалле, вдоль которого лучи идут не разделяясь, называется оптической осью кристалла. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главной плоскостью кристалла. В необыкновенном луче колебания вектора Е совершаются вдоль главной плоскости. В обыкновенном луче колебания вектора Е происходят в направлении, перпендикулярном главной плоскости. Причина разделения лучей – зависимость диэлектрической проницаемости вещества от направления в кристалле (анизотропия свойств кристаллов). В кристалле распространяются две элементарные волны (рис.12.6); одна из них, сферическая волна, подчиняется закону преломления, и ей соответствует обыкновенный луч о, а вторая имеет эллиптическую форму, и ей соответствует необыкновенный луч е.

Рис.12.6

Д ля получения поляризованного света созданы приборы, которые называются поляризаторами. Первый поляризатор на основе кристалла исландского шпата построил Николь в 1828 году.

Рис.12.7

Призма Николя состоит из двух половин кристалла, разрезанного по диагонали (рис.12.7). Обе половины склеены по месту разреза специально подобранным прозрачным веществом - канадским бальзамом. Обыкновенный луч на границе раздела с канадским бальзамом испытывает полное внутреннее отражение и поглощается зачерненной боковой гранью кристалла. Необыкновенный луч проходит через канадский бальзам без преломления. Таким образом, из луча естественного света выделяется поляризованный луч. При этом теряется на поглощение половина начальной интенсивности света.

Двойное лучепреломление происходит также в кристаллах кварца и турмалина.

Закон Малюса: интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, пропорциональна квадрату косинуса угла, образованного между главными плоскостями поляризаторов (рис.12.8):

Рис.12.8

Здесь I0 -интенсивность падающего естественного света. Второй поляризатор служит анализатором света, прошедшего через первый поляризатор. Если их главные плоскости совпадают, то на выходе анализатора будет максимальная интенсивность света. При любом другом угле на выходе интенсивность света уменьшается и при φ = 90º свет через анализатор не проходит. Это используют на практике, например для анализа оптически активных веществ.

Оптически активными называют вещества, способные вращать плоскость поляризации проходящего через них плоско-поляризованного света. Например, оптически активными веществами являются кварц, скипидар, сахар и др. На опыте получена формула, связывающая угол поворота φ и концентрацию оптически активного вещества С в исследуемом образце φ = αСl, где l – толщина слоя вещества, α – удельная постоянная вращения. В сахариметре между поляризатором и анализатором помещается кювета с раствором сахара. Анализатор настроен на максимальное прохождение света. Поляризованный луч проходит через раствор сахара, его плоскость поляризации при этом поворачивается на угол φ,поэтому на выходе анализатора интенсивность света заметно уменьшается. Чтобы получить максимальную интенсивность света, надо повернуть анализатор на угол φ, таким образом определяется угол поворота и концентрация сахара.

По направлению поворота плоскости поляризации оптически активные вещества делятся на правовращающие и левовращающие, их называют оптическими изомерами.

Явление поляризации света может происходить при отражении или преломлении света на границе изотропных диэлектриков. Установить это можно, поместив на пути отраженного и преломленного лучей поляризаторы. При повороте поляризаторов интенсивность прошедшего света меняется, но не до нуля; значит, отраженный и преломленный лучи частично поляризованы. Однако при падении естественного света на диэлектрик под углом θBr, для которого выполняется равенство (закон Брюстера)

где n12 — показатель преломления второй среды относительно первой, отраженный луч оказывается полностью поляризованным (рис.12.9).

Рис.12.9

Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. В этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.

На практике свойство отраженного от диэлектриков луча поляризоваться используется для подавления бликов. Для этого применяют поляризационные фильтры в фотоаппаратах, биноклях, автомобильных стеклах. Отраженные лучи гасятся поляризатором, а преломленные проходят. Созданы недорогие материалы (герапатит) для таких фильтров.