Поляризація світла

Поляризація світла.

План

Природне і плоскополяризоване світло.

Закон Брюстера

Подвійне променезаломлення.

Закон Малюса

Призма Ніколя.

Як відомо, в розвитку вчення про світло явища інтерференції і дифракції свідчать про хвильову природу світла. Розрізняти світлові хвилі (поздовжні вони чи поперечні) дає змогу явище поляризації світла, звідки випливає, що світлові хвилі поперечні. Пізніше цей факт пояснила електромагнітна теорія світла.

Нагадаємо, що в поперечній хвилі вектор зміщення напрямлений перпендикулярно до променя хвилі, а в поздовжній він перебуває на промені хвилі. Тому поперечна хвиля щодо різних площин, проведених через промінь, має різні, а поздовжня хвиля — однакові властивості. Це можна проілюструвати на прикладі механічних коливань гумового шнурка, протягнутого крізь щілини в двох екранах (рис. 1). Поперечні коливання на шнурку проходять крізь екран, коли щілини паралельні; коли ж щілини взаємно перпендикулярні, то коливання крізь другу щілину пройти не можуть. Поздовжні коливання на шнурку проходять крізь екран незалежно від взаємної орієнтації щілин.

При вивченні електромагнітних хвиль було з'ясовано, що вони характеризуються змінними взаємно перпендикулярними векторами напруженостей електричного Е і магнітного H полів. У найбільш простому вібраторі В — випромінювачі електромагнітних хвиль (рис. 2) —вектор Е паралельний осі вібратора, а вектор H перпендикулярний до його осі. Величина струму в резонаторі Р залежить від кута повороту цього лінійного контуру навколо прямої поширення хвилі. Якщо на шляху до резонатора поставити дротяну решітку, то хвиля проходить крізь неї тоді, коли дротини перпендикулярні до вектора Е; коли ж дротини решітки паралельні вектору Е, то хвиля не проходить, оскільки її енергія поглинається на індукційні струми в дротинах. Так доводимо, що електромагнітні хвилі є поперечними.

Світлові хвилі є електромагнітними хвилями дуже короткої довжини — від 400 до 760 нм, тому описані досліди для них непридатні.

До того ж навіть у крихітному розжареному тілі, яке випромінює світло, джерелами світла є величезна сукупність атомів або молекул, їхнє сумарне випромінювання являє собою величезну сукупність електромагнітних хвиль, в яких вектори електричних (або магнітних) коливань розміщуються в усіх напрямах, перпендикулярних до променя (рис. 3,а). Таке світло або світловий промінь називають природним. Нагадаємо, що дія світла на речовину зумовлюється переважно електричними коливаннями в електромагнітній хвилі. Саме про ці коливання надалі йтиме мова.

Світловий промінь, в якому електричні коливання відбуваються весь час тільки в одній площині, називається плоскополяризованим.

Такий промінь характеризується площиною коливань, тобто площиною, в якій розміщується вектор E. Зауважимо, що з історичних причин поляризований промінь нерідко ще характеризують площиною, перпендикулярною до площини коливання. Вона збігається з вектором H і називається площиною поляризації. Плоскополяризований промінь можна зобразити так, як на рис. 3, (промінь перпендикулярний до площини рисунка, вектори амплітуд E лежать у площині рисунка).

Поляризоване світло можна дістати при відбиванні і заломленні або ж при проходженні світла через анізотропні середовища (це, наприклад, деякі кристалічні тіла, які мають різні властивості пропускання світлових хвиль залежно від напряму їхніх зміщень). Явища поляризації світла доводять, що світлові хвилі є поперечними.

Зауважимо, що око людини не відрізняє поляризованого світла від природного, тому для виявлення поляризованого світла потрібен інший аналізатор. Неважко зрозуміти, що ним може бути будь-яке із тих тіл або приладів, за допомогою яких дістають поляризоване світло.

Розглянемо поляризацію світла при відбиванні і заломленні.

Нехай природний промінь SO падає на поверхню прозорого ізотропного діелектрика, наприклад, скляну пластинку (рис. 4). Світлові коливання природного променя завжди можна розкласти у двох взаємно перпендикулярних напрямах.

Очевидно, результуючі вектори складових світлових коливань у цих напрямах в природному промені будуть за величиною однаковими. Тому природний промінь, що падає на пластинку, задається двома коливаннями: коливаннями вектора E в площині рисунка (рисочками) і коливаннями, перпендикулярними до цієї площини (точками).

Поляризація світлаРис.1

Поляризація світлаРис.3,

Рис.2Поляризація світла

Рис4Поляризація світла

Досліди показують, що відбитий і заломлений промені на межі діелектрика стають частково поляризованими. У відбитому промені OS' переважаючими стають коливання, позначені точками, а в заломленому промені OS" — коливання, позначені рисками. В цьому можна переконатися, взявши другу скляну пластинку або дзеркало. Якщо дзеркало-аналізатор розмістити перпендикулярно до площини рисунка, то при будь-яких кутах падіння промінь OS' відбивається від нього, помітно не змінюючи інтенсивність. Навпаки, коли дзеркало розміщувати під будь-якими іншими кутами до поверхні пластинки, то можна помітити різке зменшення інтенсивності відбитого променя OS'. Так само поводить себе заломлений промінь OS".

2. Англійський фізик Брюстер, досліджуючи поляризацію світла при відбиванні, встановив, що для будь-якого діелектрика є певний кут падіння, при якому відбитий промінь повністю поляризований. Такий кут падіння називають кутом повної поляризації світла. Величина цього кута визначається законом Брюстера (1815р): Поляризація світла (1) а0 — кут повної поляризації, п — показник заломлення діелектрика (для скла n =1,5; a0 =56° 19').

При повній поляризації відбитого променя відбитий і заломлений промені взаємно перпендикулярні.

При переході світлового променя з одного ізотропного середовища в друге в останньому спостерігається один заломлений промінь, напрям якого визначається за відомим законом заломлення: Поляризація світла

3. Якщо ж друге середовище анізотропне, яким може бути деяке кристалічне тіло або скловидне тіло під механічною напругою, то в такому середовищі може виникати два різнозаломлені промені. Це явище так званого подвійного променезаломлення було відкрите Бартоліном у 1669 р. Він помітив, що під час розгляду предметів через кристал ісландського шпату вони здаються роздвоєними.

Рис.6Поляризація світла

Рис.5Поляризація світла

Кристал ісландського шпату при нормальному розвитку має форму ромбоедра (рис. 5). Пряму AA, що проходить через вершини протилежних тілесних тупих кутів ромбоедра, і будь-яку іншу паралельну їй пряму називають оптичною віссю кристала. В напрямі оптичної осі природний промінь проходить без подвійного заломлення. Напрями оптичних осей у кристалах точно визначені, їх може бути не більше двох. Для спрощення викладу враховуватимемо лише одновісні кристали.

Площину, проведену через падаючий промінь і оптичну вісь кристала, проведену через точку падіння променя на кристал, називають головним перерізом кристала відносно даного променя.

Якщо природний промінь попадає в кристал ісландського шпату під деяким кутом до його оптичної осі, то він розділяється на два повністю поляризовані промені із взаємно перпендикулярними площинами світлових коливань (рис. 6).

Один із променів світлові коливання перпендикулярні до головного перерізу кристала, поширюються в усіх напрямах з однаковою швидкістю. Цей промінь характеризується сталим показником заломлення п0. Його називають звичайним променем.

Другий промінь BD, в якому світлові коливання відбуваються в площині головного перерізу кристала, поширюється в кристалі в різних напрямах з різною швидкістю. Цей промінь характеризується в різних напрямах різними показниками заломлення nе. Його називають незвичайним променем. Є кристали, в яких Ve < V0 (пе >> n0). Це, наприклад, кварц, їх називають додатними. Ті, в яких Vе > V0 (nе < n0), наприклад, ісландський шпат,— називають від'ємними. В ісландському шпаті nе змінюється від 1,658 в напрямі оптичної осі до 1,486 в напрямі, перпендикулярному до осі.

В ромбоедрі ісландського шпату звичайний і незвичайний промені мають однакову яскравість, якщо вони утворилися при падінні на грань пучка природного світла. Якщо пучок природного світла падає перпендикулярно до грані ісландського шпату, то звичайний промінь проходить через нього, не змінюючи напряму, а незвичайний відхиляється вбік.

При обертанні ісландського шпату навколо падаючого променя звичайний промінь, що виходить з кристала, залишається нерухомим, а незвичайний обертається навколо звичайного. Це дає змогу розрізнити звичайний і незвичайний промені.

Прилади, за допомогою яких утворюється поляризоване світло, називають поляризаторами. Для них використовують так звані поляроїди та спеціальні поляризаційні призми.

4. Досконалим поляризатором є призма Ніколя або просто «ніколь», що виготовляється з ісландського шпату.

Призма складається з двох частин, склеєних по діагональній площині канадським бальзамом, лляною олією, гліцерином або будь-якою іншою прозорою речовиною з показником заломлення близьким до середнього значення показників заломлення звичайного і незвичайного променів. Довжина її приблизно в 4 рази більша від ширини.

Падаючий промінь у призмі розділяється на два: звичайний О і незвичайний е. Звичайний промінь, досягаючи межі ісландського шпату (nо = 1,65) з канадським бальзамом, показник заломлення якого 1,54, зазнає повного внутрішнього відбивання, а потім вбирається зачорненою гранню АС. Показник заломлення ісландського шпату для незвичайного променя (nе = 1,51) менший від показника заломлення бальзаму, тому незвичайний промінь проходить крізь усю призму.

Недоліками призми є. значне послаблення світлового променя в результаті часткового відбивання і поглинання; канадський бальзам в призмі поглинає ультрафіолетове проміння.

Прилад, за допомогою якого розрізняють природний промінь від поляризованого, називається аналізатором.

Аналізатором може бути будь-який поляризатор, скляна стопа паралельних пластинок, закріплених під кутом повної поляризації, чорне дзеркало, закріплене під кутом повної поляризації, поляроїди, кристал ісландського шпату, поляризаційні призми Ніколя.

Інтенсивність поляризованого світла, що проходить через аналізатор, залежить від взаємної орієнтації площин пропускання світлових коливань поляризатора і аналізатора. Щоб з'ясувати кількісну залежність, припустимо, що на аналізатор перпендикулярно до площини рис. 75 падає повністю поляризований промінь з світловими коливаннями в площині РР, а аналізатор пропускає тільки ті коливання, які відбуваються в площині А А.

5. Неважко помітити, що при амплітуді коливань у поляризованій хвилі а амплітуда коливань у хвилі, що пройде через аналізатор, а1 = a cosа, тобто дорівнює проекції амплітуди поляризованої хвилі на площину АА. Оскільки енергія коливань пропорційна квадрату амплітуди коливань, то інтенсивність І0 променя, що падає на аналізатор, та інтенсивність І вихідного променя з аналізатора Поляризація світла, Поляризація світла де к — коефіцієнт пропорційності.

Із зіставлення цих рівностей дістаємо Поляризація світла — що є математичним виразом закона Малюса.

Закон Малюса стверджує: при попаданні плоскополяризованого світла на аналізатор інтенсивність світла, що проходить через аналізатор, пропорційна квадрату косинуса кута між напрямами коливань, які пропускає аналізатор без послаблення, і напрямом коливань у поляризованому світлі, що падає на аналізатор.

Зауважимо, що в ряді приладів доводиться оцінювати послаблення природного променя, який спочатку падає на поляризатор, а далі вже поляризованим проходить через аналізатор. В цьому разі інтенсивність

Поляризація світла

А

Поляризація світла

Природного променя /пр зменшується наполовину внаслідок поляризації і, крім того, ще зменшується через поглинання світла в поляризаційної призми. Отже, інтенсивність світла, яке пройшло через першу призму Поляризація світла, де к1 — коефіцієнт поглинання світла в першій призмі. Для визначення інтенсивності світла /2, що пройшло вже через аналізатор, враховують закон Малюса та поглинання світла в товщі призми-аналізатора: Поляризація світла

І2 = І1 cos а (1 — к2), (3)

Де к2 — коефіцієнт поглинання світла в другій призмі.

Поляризатор і аналізатор називають схрещеними, якщо їхні площини пропускання світлових коливань взаємно перпендикулярні (а = 90°, інтенсивність світла після проходження їх наближається до нуля). Цікаво, що використання схрещених поляроїдів в автотранспорті може захистити водіїв від засліплюючої дії фар зустрічних автомашин. Для цього досить вітрове скло і скло фаз автомобіля покрити поляроїдними плівками, в яких площини пропускання світла паралельні і зорієнтовані під кутом 45° до горизонту. З рис. 76 видно, що коли машини ідуть назустріч, їхні поляроїди автоматично схрещуються. Поляризоване ж світло від фар своєї машини, яким освітлюється, дорога, кожен водій бачить добре, бо свої поляроїди на фарах і вітровому склі мають однакову орієнтацію.

6. У кристалічних тілах, а також у деяких ізотропних рідинах, крім подвійного заломлення променів, спостерігається явище, яке полягає в тому, що площина коливань електричного вектора світлової хвилі повертається на деякий кут під час проходження світла крізь таки речовини. Це явище називається оптичною активністю Якщо речовина не знаходиться в зовнішньому магнітному полі, то оптична активність буде природною. Природна оптична активність була відкрита в 1811 р. Д. Арго на пластинах кварцу, вирізаних перпендикулярно до оптичної осі.

Прийнято визначати напрям обертання площини коливань відносно спостерігача, погляд якого спрямований назустріч падаючому променю. Обертання називається правим (додатним) якщо площина коливань повертається праворуч для спостерігача, і лівим, якщо вона повертається ліворуч.

Експериментально встановлено, що в природі існує два типи кристалів кварцу, які є дзеркальним відображенням один одного. Одні обертають площину коливань праворуч, інші – ліворуч, і тому відповідно називаються право – і лівообертаючим кварцем. Кут обертання площини коливань пропорційний товщині шару оптично активної речовини і для монохроматичного світла, довжина світлової хвилі якого визначається формулою Поляризація світла де Поляризація світла — довжина шляху променя в оптично активному середовищі, Поляризація світла — коефіцієнт пропорційності, який називають обертальною здатністю. Він залежить від природи речовини, від температури та довжини хвилі й дорівнює величині кута, на який повертається площина колвань монохроматичного світла під час проходження шару завтовшки 1 м.

Для оптично активних рідин та розчинів Ж. Біо встановив, що кут повороту площини коливань прямо пропорційний товщині шару і концентрації С оптично активної речовини, тобто Поляризація світла і експериментально встановив Поляризація світла.

Tagged with: , , , , , , , ,
Posted in Фізика
фоторюкзак
Перелік предметів:
  1. Інформаційні технологіі в галузі
  2. Інформаційні технологіі в системах якості стандартизаціісертифікаціі
  3. Історія української культури
  4. Бухоблік у ресторанному господарстві
  5. Діловодство
  6. Мікропроцесорні системи управління технологічними процесами
  7. Науково-практичні основи технологіі молока і молочних продуктів
  8. Науково-практичні основи технологіі м’яса і м’ясних продуктів
  9. Організація обслуговування у підприємствах ресторанного господарства
  10. Основи наукових досліджень та технічноі творчості
  11. Основи охорони праці
  12. Основи підприємницькоі діяльності та агробізнесу
  13. Політологія
  14. Технологічне обладнання для молочноі промисловості
  15. Технологічне обладнання для м’ясноі промисловості
  16. Технологічний семінар
  17. Технологія зберігання консервування та переробки молока
  18. Технологія зберігання консервування та переробки м’яса
  19. Технологія продукціі підприємств ресторанного господарства
  20. Технохімічний контроль
  21. Технохімічний контроль
  22. Управління якістю продукціі ресторанного господарства
  23. Вища математика 3к.1с
  24. Вступ до фаху 4к.2с.
  25. Загальні технології харчових виробництв
  26. Загальна технологія харчових виробництв 4к.2с.
  27. Мікробіологія молока і молочних продуктів 3к.1с
  28. Математичні моделі в розрахунках на еом
  29. Методи контролю харчових виробництв
  30. Основи фізіології та гігієни харчування 3к.1с
  31. Отримання доброякісного молока 3к.1с
  32. Прикладна механіка
  33. Прикладна механіка 4к.2с.
  34. Теоретичні основи технології харчових виробництв
  35. Технологія зберігання, консервування та переробки м’яса
  36. Фізика
  37. Харчові та дієтичні добавки
  38. Фізичне виховання 3к.1с

На русском

  1. Методы контроля пищевых производств
  2. Общая технология пищевых производств
  3. Теоретические основы технологий пищевых производств
  4. Технология хранения, консервирования и переработки мяса
LiveInternet

Интернет реклама УБС