Поляризация света. Поперечность световых волн

Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, на­пример, исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов.

При одинаковой ориен­тации кристаллов свет проходит через второй кри­сталл без ослабления.

Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит.

Происходит явление по­ляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости, плоскости поляризации.

Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность све­товых волн.

Световая волна – поперечная и основная характеризующая ее векторная величина совершает колебания в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Основной характеристикой световой волны является электрический вектор Е, поэтому его называют световым вектором.

Плоскостью колебаний называют плоскость, в которой колеблется световой вектор.

Эта плоскость колебаний для каждого излучающего заряда не может быть произвольной, она определяется направлением распространения волны и вектором ускорения заряда.

Плоскость, в которой совершает колебания вектор индукции магнитного поля В, называют плоскостью поляризации(для описания степени поляризации достаточно задать плоскость колебаний).

Свет, у которого световой вектор колеблется беспорядочно одновременно во всех направлениях, перпендикулярных лучу, называется естественным или неполяризованным.

Поляризатор – устройство, выделяющее одно из всех направлений колебаний вектора Е.

Свет, у которого направление колебаний вектора Е строго фиксировано, называется линейно-поляризованным.

Под поляризацией света понимают выделение из естественного света световых колебаний с определенным направлением.

Поляризатором может служить пластина турмалина, вырезанная из кристалла параллельно его оптической оси.

Действие турмалиновой пластинки заключается в том, что она пропускает колебания, электрический вектор которых параллелен оптической оси (колебания, вектор которых перпендикулярен оптической оси, почти полностью поглощаются.

Зависимость показателя поглощения вещества от направления колебаний вектора Е называется дихроизмом.

Устройство, которое позволяет выяснить, какова плоскость колебаний света, называется анализатором, который ничем по конструкции не отличается от поляризатора (разница в функциях).

Поляризаторы и анализаторы называют поляроидами.

Если плоскость колебаний электрического вектора совпадет с оптической осью поляризатора, то наблюдатель увидит свет, в противном случае свет полностью поглощается кристаллом.

Оптически активные вещества – это вещества, проходя через которые у света происходит поворот плоскости, зависящий от концентрации этого вещества в растворе.

Дисперсия света

Монохроматическая волна

Дисперсия света

Призма Ньютона

Объяснение механизма дисперсии света - электромагнитной волны

Нормальная дисперсия

Спектр

Разложение сложного цвета в спектр

Спектроскоп

В вакууме электромагнитные волны разных частот распространяются с одной и той же скоростью с = 3*10⁸ м/с. В среде же скорость распространения волн разных частот различна.

Монохроматическая волна – электромагнитная волна определенной постоянной частоты.

Монохроматические волны разных частот распространяются в среде с различными скоростями.

Дисперсия света – зависимость скорости света в веществе от частоты волны.

Явление зависимости показателя преломления вещества от частоты света называется дисперсией света.

Различным скоростям распространения вол соответствуют различные абсолютные показатели преломления среды n = c/v.

Показатель преломления связан со скоростью света в среде, сле­довательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.

Эта зависимость была подтверждена в 1666 г. Исааком Ньютоном, направившем пучок солнечного света на стеклянную призму. Солнечный свет не является монохроматичным, он содержит электромагнитные волны разных частот. За призмой наблюдалось разложение белого цвета в цветной спектр (7 цветов радуги)

Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета от фиолетового до красного, при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиоле­тового цвета.

Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломле­ния света зависит от длины его волны.

С возрастанием частоты света показатель преломления вещества увеличивается.

Абсолютный показатель преломления уменьшается с увеличением длины световой волны.(λ = c / v)

Наибольшее значение показатель преломления имеет для фиолетового света, наименьшее — для красного. Это приводит к тому, что сильнее всего будет преломляться фиолетовый свет и слабее всего —красный.

Объяснение явления дисперсии

Рассмотрим распространение света в прозрачной среде. Под действием напряженности электрического поля Е₁ световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания с частотой, равной частоте колебаний вектора Е₁.

Колеблющиеся электроны начинают с определенным временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряженности Е₂.

Результирующая волна (сумма первичной Е₁ и вторичной волн Е₂) также запаздывает по сравнению с первичной волной. Чем больше амплитуда вторичной волны, тем больше время запаздывания, тем меньше скорость распространения и больше абсолютный показатель преломления среды.

Амплитуда вторичной волны является амплитудой вынужденных колебаний валентного электрона атома, и согласно формуле A = ││ (см. «Резонанс») зависит от частоты вынуждающей силы ω:

E₂ ~

где ω₀ – частота собственных колебаний, или (по порядку величины) угловая скорость вращения электрона вокруг ядра

С ростом частоты ω < ω₀ знаменатель дроби уменьшается, а амплитуда вторичной волны возрастает. При этом увеличивается время запаздывания, уменьшается скорость распространения волны и возрастает абсолютный показатель преломления.

Такую дисперсию называют нормальной.

При нормальной дисперсии абсолютный показатель преломления среды возрастает с ростом частоты света ( и соответственно убывает с ростом длины волны)

Нагретые тела излучают световые волны со всевозможными частотами от 0,4*1015 до 0,75*1015 Гц. При разложении этого света и наблю­дается сплошной спектр. Возникновение сплошного спектра объясняется дисперсией света.

Разложение сложного света при прохождении че­рез призму используется в спектрометрах.

Прибор для разложения сложного света и наблюдения спектров называется спектроскопом. Разложение производится с помощью дифракционной решетки(лучше) или призмы, для исследования ультрафиолетовой области применяется кварцевая оптика.

Спектроскоп состоит из 2 труб: коллиматорной и зрительной, укрепленной на подставке и стеклянной призмы под крышкой.

Спектр можно наблюдать через окуляр, используемый в качестве лупы.

Если источником спектра является разреженный газ, то спектр имеет вид узких линий на черном фоне.

Сжатые газы, жидкости и твердые тела испускают сплошной спектр, где цвета плавно переходят друг в друга.

Природа возникновения спектра объясняется тем, что каждому элементу присущ свой специфический набор излучаемого спектра.

Это свойство позволяет применять спектральный анализ для выявления химического состава вещества.