38. Поляризация света.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА И ПОПЕРЕЧНОСТЬ СВЕТОВЫХ ВОЛН

§ 144. Прохождение света через турмалин. Явления ин­терференции и дифракции, послужившие для обоснования волновой природы света, не дают еще полного представле­ния о характере световых волн. Новые черты открывает нам опыт над прохождением света через кристаллы, в част­ности через турмалин.

Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки тур­малина *), вырезанные так, что одна из сторон прямоуголь­ника совпадет с определенным направлением внутри кри­сталла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направ­лению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Так как турмалин

Рис. 295. Схема опыта по наблюдению прохождения света через две пластинки турмалина: S — источник света; 1 — первая и 2 — вторая пластинки турмалина

представляет собой кристалл буро-зеленого цвета, то след прошедшего пучка на экране представится в виде темно-

зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пласти­нок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной (рис. 295). Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда

пластинка повернется на 90°, он совсем исчезнет. При даль-

*) Турмалин — монокристалл сложного химического состава (со­держащий окислы алюминия, кремния, бора и других химических эле­ментов).

нейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь нач­нет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 180°, т. е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальней­шем вращении турмалина пучок вновь слабеет, проходит через минимум (исчезает), когда оси пластинок оказываются перпендикулярными, и доходит до прежней интенсивности, когда пластинка возвращается в первоначальное положение.

Таким образом, при повороте пластинки на 360° интен­сивность пучка, прошедшего через обе пластинки, два раза достигает максимума (когда оси пластинок параллельны). Явления протекают совершенно одинаково, какую бы из двух пластинок мы ни поворачивали и безразлично в какую сторону, а также будут ли пластинки соприкасаться или находиться на некотором расстоянии друг от друга (рис. 295).

Но если устранить одну из пластинок и вращать вторую, или вращать обе пластинки вместе так, чтобы оси их все время составляли неизменный угол, то мы не обнаружим ни­какого изменения в интенсивности проходящего пучка. Та­ким образом, изменение интенсивности происходит только тогда, когда свет, прошедший одну из пластинок, встречает другую, ось которой меняет свое направление по отношению к оси первой.

§ 145. Гипотезы, объясняющие наблюдаемые явления. Понятие о поляризованном свете. Итак, свет, прошедший сквозь турмалин, приобретает особые свойства. Свойства световых волн в плоскости, перпендикулярной направле­нию распространения света, становятся анизотропными, т. е. неодинаковыми относительно плоскости, проходящей через луч и ось турмалина. Поэтому способность такого света проходить через вторую пластинку турмалина зави­сит от ориентации оптической оси этой пластинки относи­тельно оптической оси первой пластинки. Такой анизотро­пии не было в пучке, идущем непосредственно от фонаря (или солнца), ибо по отношению к этому пучку ориентация турмалина была безразлична.

Можно объяснить все наблюдающиеся явления, если сделать следующие выводы.

1.Световые колебания в пучке направлены перпен­дикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).

2.Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси (например, параллельно оси).

3. В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является преимущественным.

Мы будем в дальнейшем называть свет, в котором в оди­наковой доле представлены все направления поперечных колебаний, естественным светом.

Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одина­ковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного на­правления. Действительно, как бы ни был ориентирован турмалин, в естественном свете всегда окажется одна и та же доля колебаний, направление которых совпадает с направлением, пропускаемым турмалином. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представ­лять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка,— плоскостью поляризации.

Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турма­лина. Первая пластинка поляризует проходящий через нее пучок света, оставляя в нем колебания только од­ного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением ко­лебаний, пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колеба­ний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмали­ном, то свет будет полностью задержан. Это имеет место, когда пластинки турмалина, как говорят, скрещены, т. е. их оси составляют угол 90°. Наконец, если направление колебаний в поляризованном свете состав­ляет острый угол с направлением, пропускаемым турмали­ном, то колебания будут пропущены лишь частично.

§ 146. Механическая модель явлений поляризации. Объяс­нение, предложенное в предыдущем параграфе, можно ил­люстрировать с помощью механических опытов. Веревка, колеблющаяся в одной плоскости, например в вертикаль­ной, может служить моделью поляризованной световой волны. Моделью естественной световой волны служит веревка, плоскость колебаний которой быстро меняется, принимая за короткий срок разнообразные ориентации. Две доски, разделенные узким зазором (щель), играют роль модели турмалина: колебания веревки, направленные вдоль зазора, легко проходят через щель, колебания, перпенди­кулярные к зазору, задерживаются. Опыты, изображенные

Рис. 296. Механическая модель явления прохождения световой волны через две пластинки турмалина

на рис. 296, вполне соответствуют описанным выше опти­ческим опытам. Они показывают, что «естественные» коле­бания веревки пропускаются в одинаковой степени при лю­бой ориентации щели. Две последовательно поставленные щели пропускают колебания большей или меньшей ампли­туды в зависимости от взаимной ориентации щелей. При перпендикулярности щелей колебание веревки сквозь них не проходит. Опыты показывают также, что щель поля­ризует «естественные» колебания веревки.

§ 147. Поляроиды. Кристалл турмалина далеко не един­ственный кристалл, который поляризует проходящий через него свет. Очень многие кристаллы обладают подобными свойствами. Но большинство из них, например исландский шпат, пропускает одновременно два луча, поляри­зованных в двух взаимно перпендику­лярных направлениях. Это нередко затрудняет наблюдение поляризованного света и требует специальных приспособлений для отделения одного из этих лучей от дру­гого. Некоторые кристаллы, в том числе и турмалин, поглощают один из двух поляризованных лучей настоль­ко сильно, что сквозь пластинку толщиной около миллимет­ра практически проходит только один луч, поляризованный в определенном направлении. Такие кристаллы называют дихроичными.

Существуют кристаллы, еще сильнее задерживающие один из поляризованных лучей, чем это происходит в турмалине (например, кристаллы йодистого хинина), так что кристаллическая пленка толщиной в десятую долю милли­метра и даже тоньше практически полностью отделяет один из поляризованных лучей. Нанося эти пленки на целлулоид, получают поляризующую пластинку размером в несколько квадратных дециметров. Такие пластинки носят название поляроидов и представляют собой удобные и дешевые поля­ризующие приспособления большой поверхности. Все опы­ты, описанные в § 144, легко могут быть проделаны с двумя кусочками поляроида.

§ 148. Поперечность световых волн и электромагнитная теория света. Гипотезы § 145 настолько полно и хорошо позволили объяснить все детали опытов с турмалином, что можно считать эти гипотезы вполне обоснованными. Важ­нейшей из них является вывод о поперечности световых волн. С помощью представления о попе­речных световых волнах удается также превосходно объяс­нить и многочисленные другие явления, связанные с поля­ризацией света. Таким образом, обширная и разнообразная группа явлений поляризации света служит надежным обос­нованием идеи, согласно которой световая волна есть волна поперечная, т. е. направления колебаний в ней перпендику­лярны к направлению распространения волны.

Признание световых волн поперечными имело очень большое значение в учении о свете. Френель, Юнг *) и другие исследователи, обосновавшие волновую природу света, полагали, что световые волны имеют характер упру­гих волн, распространяющихся в особой среде, заполняю­щей все пространство и названной световым эфиром. Впос­ледствии, однако, выяснилось, что гипотеза упругого эфира и представление о свете как об упругих волнах не могут удовлетворительно объяснить ряд вновь открытых явлений. Так, были установлены факты, обнаруживавшие тесную связь между электромагнитными и оптическими явлениями. Из этих фактов на первом месте стояли опыты, показавшие возможность воздействовать при помощи магнитного или электрического поля на характер поляризации света. Далее было открыто влияние электрического и магнитного полей на частоту света, испускаемого атомами, и возможность при помощи света вызывать некоторые электрические процессы (например, фотоэффект; см. ниже, § 183) и т. д. Связь между оптическими и электромагнитными явлениями нашла свое

*) Томас Юнг (1773—1829) — английский физик и врач.

выражение в электромагнитной теории света, выдвинутой Максвеллом в 1876 г. (см. § 58).

Электромагнитная теория света устранила все трудно­сти, связанные с гипотезой упругого твердого эфира. Для понимания процесса распространения электромагнитных волн нет надобности предполагать мировое пространство заполненным каким-либо веществом. Электромагнитные волны (в том числе и свет) могут распространяться и в ва­кууме (ср. § 33). Электромагнитная волна представляет собой (см. §§ 54 и 59) распространение переменного элект­ромагнитного поля, причем напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны друг к другу и к ли­нии распространения волны: электромагнитные волны поперечны. Таким образом, поперечность световых волн, доказанная опытами по поляризации света, естественно объясняется электромагнитной теорией света. В световой волне, как и во всякой электромагнитной волне, имеются одновременно два взаимно перпендикулярных направления колебаний: направления колебаний напряженностей элект­рического и магнитного полей. Все, что мы говорили о направлении световых колебаний, относится к направле­нию колебаний напряженности электрического поля. В частности, специальные опыты позволили установить, что в волне, прошедшей через турмалин, колебание напряжен­ности электрического поля направлено вдоль оптической оси турмалина.