Поляризация света

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Природа света. Основные характеристики света

Согласно современным представлениям свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом, т.е. представляет собой поток частиц электромагнитного поля, фотонов, которые следует рас-сматривать как частицы, имеющие волновые свойства.

В явлениях, связанных с распространением света (интер-ференция, дифракция, поляризация и др.), свет проявляет волно-вую природу, т.е. является частным случаем электромагнитной волны. В таких явлениях как поглощение, рассеяние, фотоэффект, эффект Комптона свет проявляет свойства частиц.

Являясь электромагнитной волной, свет описывается уравнениями

,

т.е. свет характеризуется вектором электрического поля и вектором магнитного поля . Световая волна является плоско-поперечной, т.к. колебания векторов и происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях, перпендикулярно направлению распространения волны.

Рис. 1

Основные характеристики света:

- частота колебаний векторов и , - длина волны.

свет поляризация дуализм анализатор

Оптическое излучение лежит в диапазоне м (). Этот диапазон мы делим на следующие участки:

Излучение в пределах м (), действуя на глаз, вызывает ощущение света и называется видимым излучением.

Более короткое, ниже м, - УФ - излучение.

Более длинное, м, - ИК - излучение.

Излучение, имеющее одну и ту же длину волны, называется монохроматическим (например, красное, синее и др.). Излучение, состоящее из волн различной длины волны, называется сложным и в зависимости от состава вызывает в глазе различные цветовые ощущения. Излучение Солнца содержит весь диапазон электромагнитных волн. Видимая часть излучения Солнца называется белым светом.

Поляризация света

Если говорить о плоских волнах вообще, то следует отметить, что в случае, когда плоскость колебаний непрерывно меняется, а амплитуда колебаний остается постоянной, то такую волну называют естественной (рис. 2а).

Если колебания происходят только в одной плоскости, то такую волну называют полностью линейно-поляризованной или просто поляризованной (рис 2б).

Рис. 2а) Рис. 2б) Рис 2в)

Если же колебания происходят в разных плоскостях, но в од-ной из них амплитуда больше, чем в других плоскостях, то такая волна называется частично поляризованной (рис. 2в).

Мы рассматриваем световую волну, в которой присутствуют электрическая и магнитная составляющие. Все изменения, происходящие с вектором , сопровождаются аналогичными синхронными изменениями вектора . Поэтому для простоты изложения мы будем говорить только о векторе . Этот вектор называют световым вектором, т.к. только электрическая составляющая световой волны действует на рецепторы, вызывая ощущение света.

Элементарным излучателем света является атом, в котором электрон испускает плоскополяризованную волну (рис.1) в единичном акте испускания. При этом испускается “цуг” волн протяженностью 3 м. Затем атом излучает новый “цуг” волн. За время между этими двумя актами испускания атом успевает повернуться в пространстве в разных направлениях и поэтому “цуги” волн излучаются также в разных направлениях. Кроме того, атомов в источнике света бесконечное множество, значит и плоскостей колебаний будет бесконечное множество. Следовательно, световая волна является естественной.

Световая волна может быть и частично поляризованной. Частичная поляризация происходит при отражении, преломлении и рассеянии света.

Это связано с тем, что вторичные волны, излучаемые атомами под воздействием падающего света, распространяются в различных направлениях. Поэтому в отраженной и преломленной волнах наблюдаются колебания с амплитудой наибольшей в одном направлении. Т.о. граница раздела сред - диэлектрик является поляризатором.

Рис. 3

Методы получения полностью поляризованного света

1) При отражении от неметаллического зеркала

Для этого, как показал Брюстер, нужно направить падающий луч под углом таким, чтобы его тангенс был равен относительному показателю преломления отражающей среды:

Это равенство называют законом Брюстера. Здесь - угол Брюстера. При этом, угол между отраженным и преломленным лучами равен .

Рис. 4

Отражённый луч является полностью поляризован, а преломленный луч остается частично поляризованным.

2) При двойном лучепреломлении

Известно, что кристаллы обладают оптической анизотропией.

Наличие этого свойства является причиной того, что некоторые кристаллы раздваивают луч. Один из лучей является сферической волной, он подчиняется законам преломления и называется обыкновенным (о). Другой луч является эллиптической волной, он не преломляется в кристалле и называется необыкновенным (е). Скорость этих лучей различна, но оба эти луча полностью поляризованы.

Рис. 5

В кристалле имеются направления, в которых не происходит двойного лучепреломления, и оба луча распространяются с одной и той же скоростью. Эти направления называются оптическими осями (на рис.5 ось показана штриховой линией). Если в крис-талле имеется одна ось, кристалл называется одноосным, если две оси - двуосным и т.д. Мы будем рассматривать только одноосные кристаллы: исландский шпат, кварц, турмалин и др.

Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной оптической плоскостью. Колебания необыкновенного луча лежат в главной оптической плоскости, а колебания обыкновенного луча - перпендикулярны главной оптической плоскости. Т.о, обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двоякопреломляющие кристаллы не могут в чистом виде использоваться как поляризаторы, т.к. оба луча выходят очень близко друг к другу и даже перекрываются. Чтобы использовать кристаллы, нужно разделить обыкновенный и необыкновенный лучи внутри кристалла. Это сделал голландский физик Николь, создав призму, названную призмой Николя. Он взял кристалл исландского шпата, разрезал его по диагонали и снова склеил клеем “канадский бальзам” ( , это значение лежит между и ). Канадский бальзам является зеркалом для обыкновенного луча, он отражается и уходит в сторону нижней грани (в приборах она закрашивается черной краской, чтобы луч поглощался). Необыкновенный луч выходит из кристалла, не преломляясь.

Рис. 6

Дихроизм

Поляризованный свет можно получить с помощью поляризационных светофильтров, которые называются поляроиами. Как правило, поляроиды выполнены в виде целлулоидных пленок, содержащие определенным образом ориентированные мелкие одноосные кристаллики. При прохождении естественного света через поляроиды свет частично поглощается. Однако поглощение света происходит в зависимости от ориентации векторов напряженности электрического поля. Т.к в обыкновенном и необыкновенном лучах этот вектор ориен-тирован в разных плоскостях, то в поляроидах эти лучи поглощаются неодинаково: один поглощается почти полностью, другой частично. Это явление называют анизотропией поглощения или дихроизмом.

Система поляризатор - анализатор

Глаз не воспринимает поляризацию света. Для того, чтобы обнаружить поляризацию света необходим анализатор.

Если за призмой Николя поставить вторую призму Николя так, что главные плоскости их окажутся скрещен-ными, то вторая будет являться анализатором.

Рис. 7

Если оптические оси поляризатора и анализатора параллельны, то параллельны и плоскости поляризации поляризатора и анализатора (, - угол между оптическими осями), поляризованный луч проходит через анализатор не ослабляясь(рис. 8). Если анализатор поворачивать относительно поляризатора, то интенсивность света , прошедшего через анализатор будет убывать, а при угле (оси перпендикулярны) станет равной нулю.

Рис. 8

Интенсивность света , прошедшего через анализатор, связана с интенсивностью света , вышедшего из поляризатора, формулой

Эта формула называется законом Малюса.

Вращение плоскости поляризации

Поляриметрия

Некоторые вещества (кристаллы и растворы) при прохождении через них поляризованного света поворачивают плоскость поляризации луча. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К оптически активным веществам относятся многие природные вещества: раствор сахара, углеводы, гормоны, белки и аминокислоты. Вращательная способность оптически активных веществ определяется методами поляриметрии с помощью приборов, называемых поляриметрами. В них между поляризатором и анализатором, оптические оси которых изначально установили параллельно, помещают раствор оптически активного вещества. По затемнению поля зрения судим о том, что вещество повернуло плоскость колебаний на некоторый угол

,

где - удельная постоянная вращения раствора, концентрация вещества, - толщина слоя. Угол определяют поворотом анализатора на такой же угол до достижения равномерной освещенности (как было в начале эксперимента). зависит от длины волны . Метод поляриметрии используется в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях.

Поляризационный микроскоп

Поляризационный микроскоп применяют для гистологических исследованиях. Если для исследования биологических объектов взять обычный оптический микроскоп, то они наблюдаются неясно, затемнено. Структура трудно различается. Поэтому микроскоп усовершенствуют, устанавливая в него две призмы Николя: одну перед конденсором (поляризатор), другую между объективом и окуляром (анализатор), предметный столик делают вращающимся. Сначала на предметный столик помещают изотропный препарат, поляризатор и анализатор устанавливают на затемнение. Затем при такой установке поляризатора и анализатора помещают анизотропный препарат. В нем происходит повторное двойное преломление света и свет не будет полностью гасится. Анизотропные структуры становятся светлыми на общем фоне темного поля.

Размещено на Allbest.ru