Lichtabsorption. Cherenkov-Vavilov-Effekt

1. Querlichtwellen und Arten der Lichtpolarisation

1.1. Lineare Polarisation

1.2. Teilweise polarisiertes Licht. Grad der Polarisierung

1.3. Elliptische und zirkulare Polarisation

2. Gesetz von Malus

3. Polarisation des Lichts bei Reflexion. Brewsters Gesetz

4. Elemente der Kristalloptik. Doppelbrechung

5. Anisotropie ist die Ursache der Doppelbrechung

6. Dichroismus

7. Prisma Nicolas

8. Künstliche Doppelbrechung

9. Drehung der Polarisationsebene. Polarimetrie

10. Anwendung der Polarisation: LCD-Monitor

11. Interferenz von polarisiertem Licht

12. Das Phänomen der Lichtstreuung. Zerstreuung der Materie. Normale und abnormale Streuung

13. Theorie der Lorentz-Dispersion. Beziehung zwischen Lichtabsorption und anomaler Dispersion

14. Lichtabsorption. Bouguersches Gesetz

15. Cherenkov-Vavilov-Effekt

1. Querlichtwellen und Arten der Lichtpolarisation

Eine Konsequenz aus Maxwells Theorie ist die Transversalität von Lichtwellen: Die Intensitätsvektoren des elektrischen und magnetischen Feldes der Welle stehen senkrecht aufeinander und schwingen senkrecht zum Vektor der W(Abb. 19.1). Bei der Betrachtung der Polarisation werden normalerweise alle Überlegungen mit der Schwingungsebene des elektrischen Feldstärkevektors - dem Lichtvektor - in Verbindung gebracht, da die chemischen, physiologischen und anderen Wirkungen von Licht auf eine Substanz hauptsächlich auf elektrischen Schwingungen beruhen.

Eine elektromagnetische Welle von einem separaten Elementaremitter (Atom, Molekül) ist immer polarisiert. Im Licht, das von gewöhnlichen Quellen ausgestrahlt wird, gibt es Schwingungen, die in verschiedenen Richtungen senkrecht zum Strahl auftreten. In solchen Lichtwellen, die von verschiedenen Elementaremittern (Atome) ausgehen, Vektorenhaben unterschiedliche Orientierungen, und alle diese Orientierungen sind gleich wahrscheinlich, was auf die große Anzahl von atomaren Emittern zurückzuführen ist. Dieses Licht heißt natürlich, oder unpolarisiert(Abb.19.2) .

1.1. Lineare Polarisation

Licht wird als linear (oder eben) polarisiert bezeichnet, wenn die Oszillationen der Lichtstärke des elektrischen Feldes in einer Ebene (der OXY-Ebene in Abb. 19.1) auftreten. Ebenes polarisiertes Licht kann aus natürlichem Licht unter Verwendung von Vorrichtungen erhalten werden, die sog Polarisatoren(Abb.19.3). Diese Geräte übertragen frei Vibrationen parallel zur Ebene, die als bezeichnet wird die Hauptebene des Polarisators, und stoppt Vibrationen senkrecht zu dieser Ebene vollständig. Die Wirkungsweise eines Polaroids lässt sich an einem mechanischen Modell veranschaulichen (Abb. 19.4): Eine elastische Transversalwelle, die sich entlang der Schnur ausbreitet, passiert ungehindert, wenn der Spalt in der Barriere gleich orientiert ist wie die Schwingungsebene. Wenn die Schwingungsebene senkrecht zum Spalt steht, gibt es keine Schwingungen hinter der Barriere. Dasselbe gilt für die elektromagnetische Welle (Abb. 19.5). Mit einem Polarisator (Polaroid) aus einem natürlichen Lichtstrahl können Sie einen Teil auswählen, in dem Vektorfluktuationen https://pandia.ru/text/78/081/images/image007_14.png" width="577" height="345">
Die Ebene, in der der Lichtvektor oszilliert (d. h. der Vektor des elektrischen Felds https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17" height="23 src=" >) und die Senkrechte eine Ebene dazu (siehe Abb. 19.1).

Natürliches Licht kann man sich als Überlagerung von zwei vorstellen inkohärent Wellen gleicher Intensität, linear polarisiert in zueinander senkrechten Ebenen (Abb. 19.6). Von hier aus erhalten wir, dass natürliches Licht beim Passieren eines idealen Polaroids um die Hälfte gedämpft wird:

1.2. Teilweise polarisiertes Licht. Grad der Polarisierung

Wenn natürliches Licht ein nicht ideales Polaroid passiert, wird das Licht teilweise polarisiert, dh der Lichtvektor schwingt in alle möglichen Richtungen, aber es gibt eine vorherrschende Schwingungsrichtung. Teilweise polarisiertes Licht kann als Überlagerung natürlicher und linear polarisierter Strahlen (Abb. 19.7, a) oder als Überlagerung zweier inkohärenter, linear polarisierter Strahlen unterschiedlicher Intensität in senkrecht zueinander stehenden Ebenen (Abb. 19.7, b) dargestellt werden.

Stellen wir einen idealen Polaroid-Analysator in den Weg von teilweise polarisiertem Licht. Wenn seine Hauptebene parallel zur Schwingungsebene der polarisierten Komponente ist (Abb. 19.7, a), passiert sie den Analysator. Die halbe Intensität des unpolarisierten natürlichen Lichts wird ebenfalls durchgelassen (19.1). Am Ausgang des Analysators ist die Lichtintensität maximal und gleich:

.

Wenn wir die Hauptebene des Analysators in einem Winkel von 900 drehen, erhalten wir die minimale Intensität am Ausgang, da die polarisierte Komponente nicht passieren wird:

Grad der Polarisierung R teilpolarisiertes Licht wird genannt

, (19.2)

Der Polarisationsgrad gibt also den Anteil des polarisierten Anteils an der gesamten Lichtintensität an.

1.3. Elliptische und zirkulare Polarisation

Stellen Sie sich zwei kohärente, ebene polarisierte Lichtwellen vor, die sich entlang der Achse ausbreiten x, deren Schwingungsebenen senkrecht zueinander stehen. Lassen Sie Schwingungen in einer Welle entlang der Achse auftreten j, in der zweiten - entlang der Achse z(Abb.19.8). Die Projektionen der Lichtvektoren dieser Wellen auf die entsprechenden Achsen ändern sich nach dem Gesetz:

(19.3)

Die Werte https://pandia.ru/text/78/081/images/image018_7.png" width="27 height=29" height="29"> sind die Koordinaten des Endes des resultierenden Lichtvektors . Ohne die Variable t, wir bekommen:

. (19.4)

Im Allgemeinen ist dies die Gleichung einer Ellipse. Also zwei kohärent ebene polarisierte Lichtwellen, deren Schwingungsebenen senkrecht zueinander stehen, ergeben bei Überlagerung eine Welle, in der Lichtvektor (Vektor ) ändert sich mit der Zeit, so dass sein Ende eine Ellipse beschreibt. Dieses Licht heißt elliptisch polarisiert.

https://pandia.ru/text/78/081/images/image021_6.png" width="59" height="19"> degeneriert die Ellipse zu einer geraden Linie und es wird linear polarisiertes Licht erhalten..png" width ="17" height="23 src="> unterscheiden rechts und links elliptische und zirkulare Polarisation. In Abb. 19.8 ist die Polarisation links (das Ende des Vektors dreht sich in Strahlrichtung gesehen im Uhrzeigersinn), in 19.9 und 19.10 rechts.

2. Gesetz von Malus

Stellen wir zwei Polarisatoren auf den Weg des natürlichen Strahls, deren Hauptebenen einen Winkel φ bilden (Abb. 19.11). Wenn sich der Polarisator um die Richtung des natürlichen Strahls dreht, bleibt die Intensität des übertragenen linear polarisierten Lichts gleich, nur die Ausrichtung der Schwingungsebene des Lichts, das das Gerät verlässt, ändert sich.

Lassen E 0 – Schwingungsamplitude der auf den Analysator einfallenden Welle. Zerlegen wir diese Schwingung in zwei zueinander senkrechte, in derselben Phase auftretende Schwingungen mit Amplituden: https://pandia.ru/text/78/081/images/image025_5.png" width="28" height="25 src= " > – senkrecht dazu (Abb.19.11).

; (19.5)

https://pandia.ru/text/78/081/images/image028_6.png" width="13" height="19 src=">~, also aus (19.5) erhalten wir:

oder für Intensität ich durch die Analysatorwelle gelaufen:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image032_7.png" width="618" height="385">
ich0 – Intensität der auf den Analysator einfallenden linear polarisierten Welle, φ ist der Winkel zwischen der Hauptebene des Analysators und der Schwingungsebene der auf den Analysator einfallenden Welle.

Oder: φ ist der Winkel zwischen den Hauptebenen des Polarisators und Analysators. Die Beziehung (19.6) wird aufgerufen Malus-Gesetz.

Bei natürlichem Licht sind alle Werte von φ gleich wahrscheinlich. Daher ist der Lichtanteil, der durch den Polarisator geht, gleich dem Mittelwert , also ½ (siehe (19.1)):

Die Intensität des aus dem zweiten Polarisator (Analysator) austretenden Lichts ist gleich:

. (19.7)

Wenn der Analysator gedreht wird (Abb.19..png" width="43" height="20 src="> at Relative indices" href="/text/category/otnositelmznie_pokazateli/" rel="bookmark"> relativer Brechungsindex von zwei Medien Der schottische Physiker D. Brewster, der das Phänomen der Lichtpolarisation untersuchte, stellte 1815 eine Beziehung zwischen dem relativen Brechungsindex eines Dielektrikums her https://pandia.ru/text/78/081/images/image041_5.png" width="20" height="25"> (Brewster-Winkel), bei dem der reflektierte Strahl vollständig polarisiert ist:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image043_6.png" width="123" height="52 src=">. (19.8)

Wenn Licht im Brewster-Winkel auf eine Grenzfläche zwischen zwei Dielektrika fällt, definiert durch Beziehung (19.8), dann ist der reflektierte Strahl vollständig linear polarisiert, und der gebrochene Strahl wird teilweise, aber maximal im Vergleich zu anderen Einfallswinkeln polarisiert (Abb. 19.13). In diesem Fall stehen der reflektierte und der gebrochene Strahl senkrecht aufeinander.

Schreiben wir das Brechungsgesetz auf:

. (19.9)

Aus (19.8) folgt:

Vergleiche mit (19.9) und erhalte

https://pandia.ru/text/78/081/images/image047_5.png" width="100" height="32 src=">,

woraus folgt, dass der gebrochene Strahl senkrecht zum reflektierten steht (Abb. 19.13).

Um zu erklären, warum der beim Einfall im Brewster-Winkel reflektierte Strahl linear polarisiert ist, berücksichtigen wir, dass das reflektierte Licht das Ergebnis der Emission von Sekundärwellen durch Ladungen (Elektronen) im zweiten Medium ist, die unter dem oszillieren Wirkung des elektrischen Feldes der einfallenden Welle. Diese Schwingungen treten in Richtung der einfallenden Wellenschwingungen auf.

Zerlegen wir die Vektorschwingungen im zweiten Medium in zwei zueinander senkrechte Schwingungen: In Abb. 19.13 sind Schwingungen in der Einfallsebene durch Pfeile (↔), senkrecht - durch Punkte ( ∙ ). Bei im Brewster-Winkel einfallendem Licht steht der reflektierte Strahl senkrecht zum gebrochenen und damit parallel zu den Schwingungen der ersten Komponente (↔). Aus der elektromagnetischen Theorie von Maxwell ist bekannt, dass eine oszillierende elektrische Ladung keine elektromagnetischen Wellen entlang ihrer Bewegungsrichtung ausstrahlt. Daher strahlt ein Emitter vom Typ (↔), der in einem Dielektrikum schwingt, nicht entlang des reflektierten Strahls. Somit breitet sich in Richtung des reflektierten Strahls das Licht aus, das von Emittern des Typs gesendet wird ( ∙ ), deren Schwingungsrichtungen senkrecht zur Einfallsebene stehen.

4. Elemente der Kristalloptik. Doppelbrechung

Beim Durchgang durch einige Kristalle wird der Lichtstrahl in zwei Strahlen geteilt (Abb. 19.14 und 19.15). Dieses Phänomen, genannt Doppelbrechung, wurde 1670 von Erasmus Bartholomäus für isländischen Spat (eine Art von Calciumcarbonat, CaCO3) beobachtet. Bei der Doppelbrechung erfüllt einer der Strahlen das übliche Brechungsgesetz und liegt in der gleichen Ebene wie der einfallende Strahl und die Normale. Dieser Strahl heißt gewöhnliche und ist in den Zeichnungen durch den Buchstaben "o" gekennzeichnet. Für einen anderen Strahl genannt außerordentlich(es wird normalerweise mit dem Buchstaben "e" bezeichnet), bleibt das Verhältnis bei Änderung des Einfallswinkels nicht konstant. Auch bei senkrechtem Einfall weicht ein außerordentlicher Strahl im Allgemeinen von seiner ursprünglichen Richtung ab (Abb. 19.15). Außerdem liegt der außerordentliche Strahl in der Regel nicht in der gleichen Ebene wie der einfallende Strahl und die Normale zur brechenden Fläche.
Das Phänomen der Doppelbrechung wird bei allen transparenten Kristallen beobachtet, mit Ausnahme derjenigen, die zum kubischen System gehören.

Die sogenannten einachsigen Kristalle haben eine Richtung, in der sich die ordentlichen und außerordentlichen Strahlen ohne Trennung und mit gleicher Geschwindigkeit ausbreiten. Diese Richtung heißt optische Achse des Kristalls. Es ist zu beachten, dass die optische Achse keine Gerade ist, die durch einen Punkt des Kristalls verläuft, sondern eine bestimmte Richtung im Kristall. Jede gerade Linie parallel zu dieser Richtung ist die optische Achse des Kristalls.

Jede Ebene, die durch die optische Achse verläuft, wird genannt Hauptabschnitt oder Hauptebene Kristall. Verwenden Sie normalerweise den Hauptabschnitt, der durch den Lichtstrahl verläuft.

Beide Strahlen, ordentlicher und außerordentlicher, sind vollständig in zueinander senkrechten Richtungen polarisiert (siehe Abb. 19.15). Die Schwingungsebene eines gewöhnlichen Strahls steht senkrecht auf dem Hauptquerschnitt des Kristalls. Bei einem außerordentlichen Strahl treten die Vektorschwingungen in einer Ebene auf, die mit dem Hauptabschnitt zusammenfällt.

5. Anisotropie ist die Ursache der Doppelbrechung

Doppelbrechung wird durch die Anisotropie von Kristallen erklärt. In Kristallen eines nichtkubischen Systems zeigt sich die Richtungsabhängigkeit des elektrischen Feldvektors insbesondere durch die Permittivität ε..png" width="20 height=28" height="28"> und entsprechend In anderen Richtungen hat ε Zwischenwerte.

Soweit

, (19.10)

dann aus Anisotropie ε es folgt demelektromagnetische Wellen mit unterschiedlichen Vektoroszillationsrichtungen https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17" height="23 src=">.

Bei einem gewöhnlichen Strahl treten die Schwingungen des Lichtvektors senkrecht zum Hauptquerschnitt des Kristalls auf (in Abb. 19.15 und 19.16 sind diese Schwingungen durch Punkte auf dem entsprechenden Strahl dargestellt). Daher gilt für jede Richtung eines gewöhnlichen Strahls (in Abb.3..png" width="82" height="53">. (19.11)

Geschwindigkeit darstellen gewöhnliche Balken in Form von Segmenten, die in verschiedene Richtungen angeordnet sind, erhalten wir eine sphärische Oberfläche. Stellen Sie sich vor, dass ein Punkt am Punkt 0 des Kristalls platziert wird. Dann ist die von uns konstruierte Kugel die Wellenfläche gewöhnlicher Strahlen im Kristall.

Schwankungen bei außerordentlich Balken werden im Hauptabschnitt hergestellt. Daher bilden für verschiedene Strahlen die Richtungen der Vektorschwingungen (in Abb. 19.16 sind diese Richtungen durch doppelseitige Pfeile dargestellt) unterschiedliche Winkel mit der optischen Achse. Für Strahl 1 ist der Winkel π/2, so dass die Geschwindigkeit ist

für Strahl 2 ist der Winkel Null und die Geschwindigkeit ist

Für Strahl 3 hat die Geschwindigkeit einen Zwischenwert:

Somit ist die Wellenoberfläche außerordentlicher Strahlen ein Rotationsellipsoid. An den Schnittpunkten mit der optischen Achse des Kristalls berühren sich Kugel und Ellipsoid - in dieser Richtung sind die Geschwindigkeiten beider Strahlen gleich.

Je nachdem, welche der Geschwindigkeiten oder https://pandia.ru/text/78/081/images/image060_3.png" width="60" height="25"> ().

Für negative Kristalle (Abb. 19.17)

Mit den Wellenflächen in Abb. 19.17 lässt sich eine Wellenfront für ordentliche und außerordentliche Strahlen in einem Kristall mit senkrechtem Einfall des Strahls auf die Kristallfläche konstruieren (Abb. 19.18). Es wird das Prinzip von Huygens verwendet: Die Punkte des Kristalls, auf die die Welle trifft, sind selbst die Quellen der Wellen. Die neue Position der Wellenfront ist die Einhüllende der Fronten der Sekundärwellen. Die Strahlrichtung ergibt sich aus dem Kontaktpunkt zwischen der Front der Sekundärwelle und der Einhüllenden.

6. Dichroismus

Es gibt doppelbrechende Kristalle, bei denen einer der Strahlen, beispielsweise der gewöhnliche, in einem bestimmten Wellenlängenbereich viel stärker absorbiert wird als der andere. Die Abhängigkeit der Lichtabsorption von seiner Polarisation wird als Dichroismus bezeichnet. Es war das Phänomen des Dichroismus, das es in der Praxis ermöglichte, linear polarisiertes Licht einfach zu erhalten und weithin zu verwenden.

Turmalinkristall hat einen sehr starken Dichroismus in sichtbaren Strahlen. Darin wird ein gewöhnlicher Strahl auf einer Länge von 1 mm fast vollständig absorbiert. Dichroitische Polarisatoren, die auf einer einkristallinen Turmalinplatte basieren, haben keine breite Anwendung gefunden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeiten, die damit verbunden sind, Kristalle der erforderlichen Größe zu erhalten.

Eine andere Art von dichroitischen Polarisatoren erwies sich als beliebter - die sogenannten Filmpolaroids, die in den 1920er Jahren erfunden wurden. Dies sind anisotrope Polymerfilme, die mit anisotropen Molekülen oder Mikrokristallen imprägniert sind. Wird ein Polymerfilm, der aus sehr langen, linear gestreckten Polymermakromolekülen in erhitztem und erweichtem Zustand besteht, mechanisch gestreckt, so orientieren die Polymermoleküle ihre Längsachsen entlang der Streckrichtung und der Film wird dadurch anisotrop. Wenn in diesem Fall eine Substanz in dem Polymer gelöst ist, deren Moleküle eine anisotrope Form haben und einen hohen Dichroismus aufweisen, beispielsweise nadelförmige Mikrokristalle von Herapatit (ein Salz von Jod und Chinin), dann eine geordnete, orientierte Matrix aus Polymermolekülen orientiert auch Verunreinigungsmoleküle. In diesen Kristallen wird einer der Strahlen auf einem Weg von etwa 0,1 mm absorbiert.

Auf diese Weise werden Polaroids hoher Qualität und ausreichender Größe hergestellt, die für einen weiten Spektralbereich ausgelegt sind (beispielsweise für den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich). Sie sind billig genug für die Massenproduktion, und viele praktische Anwendungen der Lichtpolarisation sind ihnen zu verdanken.

7. Prisma Nicolas

Doppelbrechung wird beim Entwurf des Nicol-Prismas (Abb. 19.19) verwendet - einer Vorrichtung zum Erhalten von linear polarisiertem Licht mit hohem Polarisationsgrad. Es ist aus zwei identischen isländischen Holmprismen zusammengeklebt. Die Zwischenschicht zwischen ihnen ist kanadischer Balsam, ein farbloses Harz mit hoher Transparenz. Der Wert des Brechungsindex von kanadischem Balsam () liegt zwischen den Werten der Brechungsindizes von Holm für gewöhnliche () und außerordentliche () Strahlen:

.

Natürliches unpolarisiertes Licht, das auf die Vorderseite des Prismas fällt, wird in zwei linear polarisierte Strahlen aufgeteilt - gewöhnlich und außergewöhnlich. Ein stärker gebrochener ordentlicher Strahl fällt unter einem Winkel größer als der Winkel der Totalreflexion auf die Balsamschicht, wird von der Balsamschicht vollständig reflektiert und tritt nicht in das zweite Prisma ein, sondern wird an der geschwärzten Seitenfläche absorbiert das Prisma. Der zweite Strahl, der außergewöhnliche, kann an dieser Grenzfläche keine Totalreflexion erfahren, da er von einem weniger dichten zu einem optisch dichteren Medium übergeht (DIV_ADBLOCK36">

8. Künstliche Doppelbrechung

Doppelbrechung kann in transparenten isotropen Körpern sowie in Kristallen des kubischen Systems unter dem Einfluss verschiedener Einflüsse auftreten: einem starken gleichmäßigen elektrischen (Kerr-Effekt) oder magnetischen Feld sowie mechanischen Verformungen von Körpern. Als Maß für die entstehende optische Anisotropie kann die Differenz der Brechungsindizes des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls dienen. Erfahrungsgemäß ist dieser Unterschied proportional zum Quadrat der Feldstärke (elektrisch oder magnetisch):

;

,

oder mechanische Beanspruchung σ an einem bestimmten Punkt des Körpers (d. h. die Kraft pro Flächeneinheit):

. (19.12)

Legen Sie eine Glasplatte auf Q zwischen gekreuzte Polarisatoren R und R"(Abb.19.20). Solange das Glas nicht verformt ist, lässt ein solches System kein Licht durch. Wenn das Glas einer Verformung (z. B. einseitigem Druck) ausgesetzt wird, beginnt Licht durch das System zu dringen, und das in den durchgelassenen Strahlen beobachtete Muster wird mit farbigen Streifen durchzogen. Jedes dieser Bänder entspricht gleich verformten Stellen auf der Platte. Folglich kann man durch die Art der Anordnung der Streifen die Spannungsverteilung innerhalb der Platte beurteilen.

Basierend auf künstlicher Doppelbrechungein optisches Verfahren zur Untersuchung von Spannungen wird entwickelt. Aus einem transparenten isotropen Material (z. B. Zelluloid oder Plexiglas) hergestellt, wird ein Modell eines Teils oder einer Struktur zwischen gekreuzten Polarisatoren platziert. Das Modell wird ähnlichen Belastungen ausgesetzt wie das Produkt selbst. Das dabei im weißen Durchlicht beobachtete Bild ermöglicht die Bestimmung der Spannungsverteilung sowie die Beurteilung ihrer Größe (Abb. 19.21, a). Das Auftreten von optischer Anisotropie bei transparenten Körpern unter Belastung wird genannt Photoelastizität.

Das Untersuchungsobjekt kann jedes transparente Plastiklineal, Geschirr usw. sein (Abb. 19.21, b und c). Bei Betrachtung in gekreuzten Polaroids können schöne Farbmuster beobachtet werden. Diese Muster neigen dazu, sich in der Nähe von Ecken und Kanten, Nähten und Löchern zu verdicken, wo Restspannungen vorhanden sind.

9. Drehung der Polarisationsebene. Polarimetrie

Unter den Phänomenen, die bei der Wechselwirkung von Licht mit Materie auftreten, nimmt das Phänomen, das D. Arago 1811 bei der Untersuchung der Doppelbrechung in Quarz entdeckte, sowohl im Prinzip als auch in der Praxis einen wichtigen Platz ein: wenn polarisiertes Licht bestimmte Substanzen durchdringt, Drehung der Polarisationsebene(Abb.19.22).

Substanzen, die die Polarisationsebene des Lichts drehen können, werden als optisch aktiv bezeichnet.. Dazu gehören kristalline Körper (Quarz, Zinnober usw.), reine Flüssigkeiten (Terpentin, Nikotin usw.) und Lösungen bestimmter Substanzen (wässrige Lösungen von Zucker, Glukose, Weinsäure usw.). Die Messung der Drehung der Polarisationsebene ist in einer Reihe von Industriegebieten zu einer beliebten Analysetechnik geworden.

Kristalline Substanzen wie Quarz drehen die Polarisationsebene am stärksten, wenn sich Licht entlang der optischen Achse des Kristalls ausbreitet. Der Drehwinkel ist proportional zum Weg l vom Strahl im Kristall passiert:

. (19.13)

Der Koeffizient wird aufgerufen Rotationskonstante.

Für Lösungen entdeckte J. Biot (1831) folgende Muster: Der Drehwinkel der Polarisationsebene ist proportional zum Weg l Strahl in Lösung und Konzentration Mit Wirkstoff in Lösung:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image082_4.png" width="27" height="24 src="> – spezifische Drehung. Sie charakterisiert die Art des Stoffes, hängt von der Art des Stoffes und der Temperatur ab. Die spezifische Drehung ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Wellenlänge: ~Wenn also polarisiertes Licht durch eine Lösung einer optisch aktiven Substanz geleitet wird, drehen sich die Polarisationsebenen von Wellen unterschiedlicher Länge um unterschiedliche Winkel. Je nach Position des Analysators treten Strahlen unterschiedlicher Farbe durch ihn hindurch. Dieses Phänomen wird Rotationsdispersion genannt.

Bei 20°C und λ=589 nm beträgt die spezifische Drehung von Zucker: . Quarzrotationskonstante für gelbe Strahlen (λ = 589 nm): α = 21,7 Grad/mm und für violette (λ = 404,7 nm) α = 48,9 Grad/mm.

Studien haben gezeigt, dass die Erklärung des Phänomens der Drehung der Polarisationsebene von Licht in natürlich aktiven Substanzen erhalten werden kann, indem man das allgemeine Problem der Wechselwirkung einer elektromagnetischen Lichtwelle mit Molekülen oder Atomen von Substanzen betrachtet, wenn auch nur die endlichen Größen von Molekülen und deren Struktur berücksichtigt werden. Diese Aufgabe ist sehr schwierig. O. Fresnel (1817) präsentierte einmal eine Beschreibung dieses Phänomens, indem er es auf eine spezielle Art der Doppelbrechung zurückführte. Fresnels Argumentation basiert auf der Hypothese, dass die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit in Wirkstoffen für entlang des linken und des rechten Kreises polarisierte Wellen unterschiedlich ist. Stellen wir uns eine planpolarisierte Welle als Überlagerung zweier rechts- und linkskreisförmig polarisierter Wellen mit gleichen Amplituden und Perioden vor. Wenn beide Vektoren und https://pandia.ru/text/78/081/images/image088_3.png" align="left" width="298" height="290">Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeiten beider Wellen nicht übereinstimmen dasselbe, dann, wenn es durch die Substanz geht, einer der Vektoren, oder https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17 height=23" height="23"> , dreht sich relativ zur ursprünglichen Ebene R(Abb. 19.23, 6).

Der Unterschied der Lichtgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Zirkularpolarisationsrichtungen ist auf die Asymmetrie der Moleküle (Abb. 19.24, a) bzw. die asymmetrische Anordnung der Atome im Kristall (Abb. 19.24, b) zurückzuführen. Die rechts gezeigten Moleküle (Kristalle) sind Spiegelbilder der links gezeigten Moleküle (Kristalle). Sie haben weder ein Symmetriezentrum noch eine Symmetrieebene, und sie lassen sich durch keine Drehungen und Verschiebungen räumlich miteinander verbinden. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von reinen optischen Isomeren sind genau gleich. Aber die "linken" und "rechten" Isomere drehen die Polarisationsebene in entgegengesetzte Richtungen. Die spezifischen Rotationswerte für beide Modifikationen unterscheiden sich nur im Vorzeichen.

Außerdem sind die physiologischen und biochemischen Wirkungen optischer Isomere oft sehr unterschiedlich. So werden Proteine ​​in der belebten Natur aus den linken optischen Isomeren von Aminosäuren aufgebaut (19 von 20 lebenswichtigen Aminosäuren sind optisch aktiv). Künstlich aus den richtigen Aminosäuren synthetisierte Proteine ​​werden vom Körper nicht aufgenommen; und das „linke“ Nikotin ist um ein Vielfaches giftiger als das „rechte“. Das erstaunliche Phänomen der vorherrschenden Rolle nur einer der Formen optischer Isomere in biologischen Prozessen kann von grundlegender Bedeutung für die Aufklärung der Wege der Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde sein.

10. Anwendung der Polarisation: LCD-Monitor

Ein LCD-Bildschirm (Liquid Crystal Display) ist eine Anordnung kleiner Segmente, die als Pixel bezeichnet werden und zur Anzeige von Informationen manipuliert werden können.

Jedes Pixel der LCD-Matrix besteht aus einer Molekülschicht zwischen zwei transparenten Elektroden und zwei Polarisationsfiltern, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen (Abb. 19.25). Ohne Spannung ordnen sich die Kristalle spiralförmig an (Abb. 19.26). Diese Struktur dreht die Polarisationsebene des Lichts um 90°, sodass das Licht den zweiten Polarisationsfilter praktisch verlustfrei passiert (Abb. 19.27, a).

Legt man an die Elektroden eine Spannung an, richten sich die Moleküle tendenziell in Richtung des elektrischen Feldes aus, was die helikale Struktur verzerrt. In diesem Fall wirken die elastischen Kräfte dem entgegen, und wenn die Spannung abgeschaltet wird, kehren die Moleküle in ihre ursprüngliche Position zurück.

Bei ausreichender Feldstärke werden fast alle Moleküle parallel zueinander, was zur Opazität der Struktur führt (Abb. 19.27, a). Durch Variieren der Spannung können Sie den Grad der Transparenz steuern.

Bei Farbdisplays wird es komplizierter. Hier wird das Pixel aus drei unabhängigen Zellen gebildet, die sich jeweils über der blauen, roten oder grünen Filterfläche befinden. Dadurch wird die Pixelanzahl im Vergleich zu einem monochromen Panel um das Dreifache erhöht. In einer Farbanzeige werden die Luminanzabstufungen jedes Pixels, die die Triade bilden, verwendet, um die Farben zu "mischen".

11. Interferenz von polarisiertem Licht

Bei senkrechtem Einfall eines Strahlenbündels auf eine Kristallplatte die optische Achse j parallel zur brechenden Fläche verlaufen die ordentlichen und außerordentlichen Strahlen in die gleiche Richtung, aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Lassen Sie eine solche Platte mit einer Dicke auf d ein ebener polarisierter Strahl fällt mit der Amplitude des elektrischen Vektors ein E 0, deren Polarisationsebene einen Winkel φ mit der Ebene des Hauptschnitts der Platte ОО´ bildet. Dann erscheinen beide Strahlen, ordentlicher (o) und außerordentlicher (e) (Abb. 19.28), in der Platte und sind kohärent. Im Moment ihres Auftretens in der Platte ist die Phasendifferenz zwischen ihnen gleich Null, wird aber größer, wenn die Strahlen in die Platte eindringen. Lassen Sie uns diese Phasendifferenz berechnen.

Die optische Wegdifferenz Δ ist gleich der Differenz der optischen Weglängen der ordentlichen und außerordentlichen Strahlen:

Daher ist die Phasendifferenz zwischen beiden Strahlen gleich

https://pandia.ru/text/78/081/images/image096_1.png" width="16" height="20 src="> - Vakuumwellenlänge.

ist in der Kristalloptik von großer Bedeutung.
Die bei unterschiedlichen Gangunterschieden erhaltenen Farben sind in der Michel-Levy-Tabelle (Abb. 19.31) dargestellt.

12. Das Phänomen der Lichtstreuung. Zerstreuung der Materie. Normale und abnormale Streuung

Jeder beobachtete das Phänomen der Lichtstreuung, wenn er den Regenbogen bewunderte (Abb. 19.32). Sein Aussehen ist auf die totale interne Reflexion von Strahlen in Wassertröpfchen zurückzuführen die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge..png" width="68" height="25">.

Die Lichtstreuung ist die Abhängigkeit des Brechungsindex eines Stoffes von der Frequenz (oder Wellenlänge).l ) Licht- oder Phasengeschwindigkeit https://pandia.ru/text/78/081/images/image109_3.png" width="68" height="25">.

Newton untersuchte erstmals um 1672 experimentell die Lichtstreuung. Die Folge der Streuung ist die Zerlegung in ein Spektrum weißen Lichts beim Durchgang durch ein Prisma (Abb. 19.33). Nach dem Durchgang des Lichts durch ein Prisma entsteht ein Spektrum, in dem die Linien jeder Frequenz (Wellenlänge) einen ganz bestimmten Platz einnehmen. Rote Strahlen, die eine längere Wellenlänge haben, werden weniger abgelenkt als violette; daher ist das Dispersionsspektrum invers zum Beugungsspektrum, wo rote Strahlen stärker abgelenkt werden. Wert

namens Zerstreuung der Materie zeigt, wie schnell sich der Brechungsindex mit der Wellenlänge ändert. Es gibt zwei Arten von Dispersion: normal(D<0), при которой показатель преломления монотонно увеличивается с ростом частоты; и anomal(D>0), bei der der Brechungsindex mit zunehmender Frequenz abnimmt. Für alle transparenten farblosen Substanzen im sichtbaren Teil des Spektrums ist die Dispersion normal (Abschnitte 1-2 und 3-4 in Abb. 19.34). Wenn ein Stoff Licht in einem bestimmten Bereich von Wellenlängen (Frequenzen) absorbiert, stellt sich die Dispersion im Absorptionsbereich als anomal heraus (Abschnitt 2-3 von Abb. 19.34).

13. Theorie der Lorentz-Dispersion. Beziehung zwischen Lichtabsorption und anomaler Dispersion

Aus der elektromagnetischen Theorie von Maxwell ist bekannt, dass die Phasengeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen gleich ist

wo c- Lichtgeschwindigkeit im Vakuum; e – Dielektrizitätskonstante des Mediums; m – magnetische Permeabilität des Mediums. Für die meisten transparenten Medien m=1, also

; https://pandia.ru/text/78/081/images/image116_3.png" width="63" height="27">. (19.19)

Aus der letzten Beziehung ergeben sich jedoch einige Widersprüche: 1) n – variabel und e – konstant für eine gegebene Substanz; 2) Werte n stimmen nicht mit den experimentellen Werten überein; z.B. für Wasser n≈ 1.33, ein e=81.

Schwierigkeiten bei der Erklärung der Dispersion vom Standpunkt der Maxwellschen elektromagnetischen Theorie werden durch die Elektronentheorie von Lorentz beseitigt. In der Theorie von Lorentz wird die Streuung von Licht als Ergebnis der Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Materie betrachtet. Die Bewegung von Elektronen in einem Atom gehorcht den Gesetzen der Quantenmechanik. Insbesondere das Konzept der Flugbahn eines Elektrons in einem Atom verliert jegliche Bedeutung. Wie Lorentz gezeigt hat, reicht es jedoch für ein qualitatives Verständnis vieler optischer Phänomene aus, sich auf die Hypothese der Existenz quasi-elastisch gebundener Elektronen im Inneren von Atomen und Molekülen zu beschränken. Wenn solche Elektronen aus der Gleichgewichtsposition genommen werden, beginnen sie zu schwingen und verlieren allmählich die Energie der Schwingungen an die Strahlung elektromagnetischer Wellen. Dadurch werden die Schwingungen gedämpft. Der Dämpfung kann Rechnung getragen werden, indem eine zur Geschwindigkeit proportionale „Reibungskraft“ eingebracht wird.

Eine elektromagnetische Welle, bei der sich der elektrische Feldstärkevektor nach dem Gesetz ändert:

, (19.20)

Beim Durchgang durch die Substanz wirkt auf jedes Elektron eine Kraft:

, (19.21)

wo E 0 ist die Amplitude der elektrischen Feldstärke der Welle.

Basierend auf dem zweiten Newtonschen Gesetz können wir die Differentialgleichung für Elektronenschwingungen schreiben:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image120_3.png" width="76" height="48">. Unter dem Einfluss von Kraft (19.21) führt das Elektron erzwungene Schwingungen aus:

, (19.23)

Amplitude SONDERN und Phase j bestimmt werden durch die Formeln:

; https://pandia.ru/text/78/081/images/image108_3.png" width="15" height="16">, anders als die Geschwindigkeit von Wellen im Vakuum..png" width="15" height=" 16"> von ω.

Zur Vereinfachung der Berechnungen vernachlässigen wir zunächst die Strahlungsdämpfung (β=0), dann erhalten wir aus (19.24)

; https://pandia.ru/text/78/081/images/image126_3.png" width="195" height="56">.

Unter Berücksichtigung von (19.20):

.

Als Ergebnis der Verschiebung von Elektronen aus Gleichgewichtspositionen erhält das Molekül ein elektrisches Dipolmoment:

. (19.26)

Dabei wird davon ausgegangen, dass jedes Atom (oder Molekül) eines Stoffes als ein System aus mehreren harmonischen Oszillatoren – geladenen Teilchen mit unterschiedlichen effektiven Ladungen – betrachtet werden kann q Ich und Massen m i, dessen natürliche ungedämpfte Schwingungsfrequenz gleich https://pandia.ru/text/78/081/images/image130_3.png" width="297" height="65 src=">. (19.27)

Die Permittivität eines Stoffes hängt mit der dielektrischen Suszeptibilität zusammen:

und die Größe des Polarisationsvektors ist:

dann ab (19.19), (19.27-19.29):

https://pandia.ru/text/78/081/images/image129_3.png" width="29" height="25">, Summe in (19..png" width="29" height="25" >.png" width="29" height="25">.png" width="29" height="25">. Dieses Verhalten der Funktion liegt daran, dass wir die Dämpfung vernachlässigt haben: Wir setzen β=0 Wenn β von Null verschieden ist, bleibt die Funktion (19.30) für alle Werte von ω endlich Abb. 19.35 zeigt das Verhalten der Funktion (19.30) ohne Dämpfung (gestrichelte Linie) und Abhängigkeit n 2=f(ω) unter Berücksichtigung der Dämpfung (durchgezogene Kurve). Gehen

von Frequenzen zu Wellenlängen erhalten wir die in Abb. 19.34 gezeigte Kurve.

Daher findet in den Frequenzbereichen nahe den Elektroneneigenfrequenzen eine anomale Dispersion statt, während sie in den anderen Bereichen normal ist. Bereiche mit anomaler Dispersion sind Resonanzbereiche. Bei Resonanz aufgrund der Antriebskraft (19.21) ist die Amplitude der erzwungenen Schwingungen maximal, während die maximale Energiezufuhr zum System gewährleistet ist, wird die Lichtwelle absorbiert. Somit sind die Bereiche mit anomaler Dispersion aufgrund ihrer Resonanznatur Absorptionsbereiche. In Abb. 19.36 zeigt die gepunktete Kurve den Verlauf des Lichtabsorptionsgrades eines Stoffes.

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts untersuchte er die anomale Dispersion in Natriumdampf. Er schlug eine Methode zur quantitativen Bestimmung der anomalen Dispersion vor, die Hook-Methode. Das Verfahren erhielt seinen Namen aufgrund der charakteristischen Krümmung der Interferenzstreifen (Abb. 19.37), die die Änderung des Brechungsindex in der Nähe der doppelten Absorptionsbande von Natriumdampf widerspiegelt. Haken werden aufgrund des Unterschieds im Weg der Strahlen erhalten, die den Natriumdampf im Interferometer passiert haben.

Die elementare Theorie der Lorentz-Dispersion ermöglichte es, die normale und anomale Dispersion sowie die Selektivität der Lichtabsorption bei verschiedenen Frequenzen, dh die Tatsache des Vorhandenseins von Absorptionsbanden, zu erklären. Der Unterschied in den Intensitäten der Banden lässt sich jedoch nicht im Rahmen der klassischen Theorie erklären. Die Absorption von Licht hat im Wesentlichen Quantencharakter.

14. Lichtabsorption. Bouguersches Gesetz

Aus Experimenten ist bekannt, dass beim Durchgang von Licht durch einen Stoff dessen Intensität abnimmt. Die Absorption von Licht ist das Phänomen einer Abnahme der Energie einer Lichtwelle bei ihrer Ausbreitung in einem Stoff, die durch Umwandlung der Wellenenergie in die innere Energie des Stoffes oder in die Energie der Sekundärstrahlung auftritt mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung und Ausbreitungsrichtung. Die Absorption von Licht kann eine Erwärmung einer Substanz, eine Anregung und Ionisierung von Atomen oder Molekülen, photochemische Reaktionen und andere Prozesse in einer Substanz verursachen.

Bereits im 18. Jahrhundert etablierten Bouguer experimentell und Lambert theoretisch das Gesetz der Lichtabsorption. Wenn Licht durch eine dünne Schicht eines absorbierenden Mediums in die Richtung geht x Abnahme der Lichtintensität di proportional zur Intensität ich und die Dicke der durchgelassenen Schicht dx(Abb.19.38):

. (19.31)

Das „–“-Zeichen zeigt an, dass die Intensität abnimmt. Der Proportionalitätskoeffizient in (19.31) heißt natürliche Absorptionsrate (Absorptionskoeffizient) Umgebung. Sie hängt von der chemischen Natur und dem Zustand des absorbierenden Mediums und von der Wellenlänge des Lichts ab. Lassen Sie uns diesen Ausdruck transformieren und integrieren:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image144_3.png" width="124" height="67">;

.

Hier ich 0 und ich sind die Strahlungsintensitäten am Ein- und Ausgang der mittleren Schicht mit Dicke d. Nach Umformungen erhalten wir:

;

https://pandia.ru/text/78/081/images/image149_3.png" width="48" height="48">.png" width="59" height="23">, (19.33)

wo Mit die Konzentration der Lösung ist und c ein Proportionalitätsfaktor ist, der nicht von der Konzentration abhängt. In konzentrierten Lösungen wird das Gesetz von Beer aufgrund des Einflusses der Wechselwirkung zwischen eng beieinander liegenden Molekülen der absorbierenden Substanz verletzt. Aus (19.32) und (19.33) erhalten wir Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image153_3.png" width="53" height="52 src="> wird aufgerufen Durchlässigkeit und wird oft in Prozent ausgedrückt:

.

Optische Dichte wird durch den natürlichen (oder dezimalen) Logarithmus der Übertragung bestimmt:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image157_3.png" align="left" width="220" height="228">Der Absorptionskoeffizient hängt von der Lichtwellenlänge λ (oder Frequenz ω) ab Für einen Stoff in einem Zustand, in dem sich Atome oder Moleküle praktisch nicht beeinflussen (Gase und Metalldämpfe bei niedrigem Druck), ist der Absorptionskoeffizient für die meisten Wellenlängen nahe Null und zeigt nur für sehr enge Spektralbereiche scharfe Maxima (in Abb. Das Spektrum von Natriumdampf ist in Abb. 19.39 dargestellt Diese Maxima entsprechen nach der Elementarelektronentheorie von Lorentz den Resonanzfrequenzen der Schwingungen von Elektronen in Atomen, bei mehratomigen Molekülen findet man auch entsprechende Frequenzen zu Schwingungen von Atomen innerhalb von Molekülen Da die Massen von Atomen viel größer sind als die Masse eines Elektrons, sind molekulare Frequenzen viel weniger atomar - sie fallen in den infraroten Bereich des Spektrums.

Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase ergeben bei hohen Drücken breite Absorptionsbanden (Abb. 19.40 zeigt das Spektrum einer Phenollösung). Mit zunehmendem Gasdruck dehnen sich die zunächst sehr schmalen Absorptionsmaxima immer weiter aus und bei hohen Drücken nähert sich das Absorptionsspektrum von Gasen den Absorptionsspektren von Flüssigkeiten an. Diese Tatsache weist darauf hin, dass die Aufweitung der Absorptionsbanden das Ergebnis der Wechselwirkung von Atomen (oder Molekülen) untereinander ist.

Metalle sind praktisch lichtundurchlässig. Dies ist auf das Vorhandensein freier Elektronen in Metallen zurückzuführen. Unter der Wirkung des elektrischen Feldes einer Lichtwelle beginnen sich freie Elektronen zu bewegen - im Metall entstehen schnell Wechselströme, begleitet von der Freisetzung von Lenz-Joule-Wärme. Dadurch nimmt die Energie der Lichtwelle schnell ab und wird zur inneren Energie des Metalls.

15. Cherenkov-Vavilov-Effekt

1934 entdeckte er unter Anleitung eine besondere Art des flüssigen Leuchtens unter der Einwirkung geladener Teilchen, wie Elektronen.

Ein geladenes Teilchen, das sich gleichmäßig bewegt, strahlt nicht – aber nur, wenn seine Geschwindigkeit kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium. Beim

https://pandia.ru/text/78/081/images/image159_3.png" align="left" width="316" height="218 src="> Strahlungseigenschaften:

1) es breitet sich entlang der Mantellinien eines Kegels mit einer Spitze an der Stelle aus, an der sich das Teilchen befindet (Abb. 19.41);

2) Der Winkel zwischen der Teilchengeschwindigkeit und der Strahlungsrichtung wird durch die Beziehung bestimmt:

durch Polarisierung

http://www. /beobachten? v=gbu9tIykgDM

Drehung der Polarisationsebene

http://www. /beobachten? v=GeUqERAz3YY

durch Streuung

http://www. /beobachten? v=efjJXc_ME4E

Doktor der technischen Wissenschaften A. GOLUBEV.

Zwei völlig identische Platten aus leicht abgedunkeltem Glas oder biegsamem Kunststoff sind zusammen fast durchsichtig. Aber es lohnt sich, jeden um 90° zu drehen, da vor dem Auge eine solide Schwärze erscheint. Das mag wie ein Wunder erscheinen, schließlich ist jede Platte an jeder Ecke durchsichtig. Bei genauerem Hinsehen fällt jedoch auf, dass bei bestimmten Drehwinkeln die Blendung durch Wasser, Glas und polierte Oberflächen verschwindet. Dasselbe lässt sich beim Betrachten des Bildschirms eines Computer-LCD-Monitors durch die Platte beobachten: Beim Drehen ändert sich die Helligkeit des Bildschirms und erlischt an bestimmten Positionen vollständig. Der „Täter“ all dieser (und vieler anderer) merkwürdiger Phänomene ist polarisiertes Licht. Polarisation ist eine Eigenschaft, die elektromagnetische Wellen, einschließlich sichtbarem Licht, haben können. Die Polarisation von Licht hat viele interessante Anwendungen und verdient es, ausführlicher diskutiert zu werden.

Wissenschaft und Leben // Illustrationen

Mechanisches Modell der linearen Polarisation einer Lichtwelle. Die Lücke im Zaun lässt Schwingungen des Seils nur in der vertikalen Ebene zu.

In einem anisotropen Kristall wird ein Lichtstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt, die in zueinander senkrechten (orthogonalen) Richtungen polarisiert sind.

Gewöhnliche und außerordentliche Strahlen sind räumlich kombiniert, die Amplituden von Lichtwellen sind gleich. Wenn sie hinzugefügt werden, entsteht eine polarisierte Welle.

So passiert Licht ein System aus zwei Polaroids: a - wenn sie parallel sind; b - gekreuzt; c - in einem beliebigen Winkel angeordnet.

Zwei gleiche Kräfte, die am Punkt A in zueinander senkrechten Richtungen aufgebracht werden, bewirken, dass sich das Pendel entlang einer kreisförmigen, geradlinigen oder elliptischen Bahn bewegt (eine gerade Linie ist eine „entartete“ Ellipse, und ein Kreis ist ihr Sonderfall).

Wissenschaft und Leben // Illustrationen

Fizpraktikum. Reis. ein.

Fizpraktikum. Reis. 2.

Fizpraktikum. Reis. 3.

Fizpraktikum. Reis. 4.

Fizpraktikum. Reis. 5.

Fizpraktikum. Reis. 6.

Fizpraktikum. Reis. 7.

Fizpraktikum. Reis. acht.

Fizpraktikum. Reis. neun.

In der Natur gibt es viele Schwingungsprozesse. Eine davon sind harmonische Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder, die ein elektromagnetisches Wechselfeld bilden, das sich in Form von elektromagnetischen Wellen im Raum ausbreitet. Diese Wellen sind transversal – die Vektoren e und n der Stärken der elektrischen und magnetischen Felder stehen senkrecht zueinander und oszillieren quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle.

Elektromagnetische Wellen werden gemäß den Wellenlängen, die das Spektrum bilden, bedingt in Bereiche eingeteilt. Sein größter Teil wird von Radiowellen mit einer Wellenlänge von 0,1 mm bis zu Hunderten von Kilometern eingenommen. Ein kleiner, aber sehr wichtiger Teil des Spektrums ist der optische Bereich. Es ist in drei Bereiche unterteilt - den sichtbaren Teil des Spektrums, der ein Intervall von etwa 0,4 Mikrometer (violettes Licht) bis 0,7 Mikrometer (rotes Licht) einnimmt, Ultraviolett (UV) und Infrarot (IR), unsichtbar für das Auge. Daher sind Polarisationsphänomene nur im sichtbaren Bereich einer direkten Beobachtung zugänglich.

Wenn die Schwingungen des elektrischen Feldstärkevektors e einer Lichtwelle zufällig im Raum rotieren, nennt man die Welle unpolarisiert und das Licht natürliches Licht. Treten diese Schwingungen nur in einer Richtung auf, ist die Welle linear polarisiert. Eine unpolarisierte Welle wird mithilfe von Polarisatoren in eine linear polarisierte umgewandelt – Geräte, die Schwingungen nur in eine Richtung übertragen.

Versuchen wir, diesen Vorgang deutlicher darzustellen. Stellen wir uns einen gewöhnlichen Holzzaun vor, in eines der Bretter ist ein schmaler vertikaler Schlitz geschnitten. Lassen Sie uns ein Seil durch diese Lücke führen; Wir befestigen sein Ende hinter dem Zaun und fangen an, das Seil zu schütteln, wodurch es gezwungen wird, in verschiedenen Winkeln zur Vertikalen zu schwingen. Frage: Wie schwingt das Seil hinter der Lücke?

Die Antwort liegt auf der Hand: Hinter der Lücke beginnt das Seil nur noch in vertikaler Richtung zu schwingen. Die Amplitude dieser Schwingungen hängt von der Richtung der Verschiebungen ab, die in den Schlitz eintreten. Vertikale Vibrationen passieren den Schlitz vollständig und geben die maximale Amplitude, horizontale Vibrationen - der Schlitz wird überhaupt nicht verfehlt. Und alle anderen „geneigten“ können in horizontale und vertikale Komponenten zerlegt werden, und die Amplitude hängt von der Größe der vertikalen Komponente ab. Hinter dem Schlitz bleiben aber in jedem Fall nur vertikale Schwingungen! Das heißt, die Lücke im Zaun ist ein Modell eines Polarisators, der nicht polarisierte Schwingungen (Wellen) in linear polarisierte umwandelt.

Kommen wir zurück zur Welt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, aus natürlichem, unpolarisiertem Licht linear polarisiertes Licht zu gewinnen. Die am häufigsten verwendeten Polymerfilme mit langen Molekülen, die in eine Richtung ausgerichtet sind (denken Sie an den Zaun mit einem Schlitz!), Prismen und Platten mit Doppelbrechung oder optischer Anisotropie (Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften in verschiedenen Richtungen).

Optische Anisotropie wird in vielen Kristallen beobachtet - Turmalin, isländischer Spat, Quarz. Das eigentliche Phänomen der Doppelbrechung liegt in der Tatsache, dass ein auf einen Kristall fallender Lichtstrahl darin zweigeteilt wird. In diesem Fall ist der Brechungsindex des Kristalls für einen dieser Strahlen bei jedem Einfallswinkel des Eingangsstrahls konstant und für den anderen vom Einfallswinkel abhängig (dh der Kristall ist dafür anisotrop). Dieser Umstand beeindruckte die Entdecker so sehr, dass der erste Strahl als gewöhnlich und der zweite als außergewöhnlich bezeichnet wurde. Und es ist sehr wichtig, dass diese Strahlen in zueinander senkrechten Ebenen linear polarisiert sind.

Beachten Sie, dass es in solchen Kristallen eine Richtung gibt, entlang der keine Doppelbrechung auftritt. Diese Richtung wird als optische Achse des Kristalls bezeichnet, und der Kristall selbst wird als einachsig bezeichnet. Die optische Achse ist genau die Richtung, alle entlang ihr verlaufenden Linien haben die Eigenschaft der optischen Achse. Es sind auch biaxiale Kristalle bekannt - Glimmer, Gips und andere. Sie unterliegen auch einer Doppelbrechung, aber beide Strahlen erweisen sich als außergewöhnlich. In zweiachsigen Kristallen werden komplexere Phänomene beobachtet, auf die wir nicht eingehen werden.

In einigen einachsigen Kristallen wurde ein weiteres merkwürdiges Phänomen entdeckt: gewöhnliche und außerordentliche Strahlen erfahren eine signifikant unterschiedliche Absorption (dieses Phänomen wurde als Dichroismus bezeichnet). So wird beim Turmalin der gewöhnliche Strahl bereits auf einer Wegstrecke von etwa einem Millimeter fast vollständig absorbiert, und der außergewöhnliche Strahl durchläuft fast verlustfrei den gesamten Kristall.

Doppelbrechende Kristalle werden verwendet, um linear polarisiertes Licht auf zwei Arten zu erzeugen. Die erste verwendet Kristalle ohne Dichroismus; daraus werden Prismen hergestellt, die sich aus zwei dreieckigen Prismen mit gleicher oder senkrechter Ausrichtung der optischen Achsen zusammensetzen. Bei ihnen lenkt entweder ein Strahl zur Seite ab, sodass nur noch ein linear polarisierter Strahl aus dem Prisma austritt, oder es treten beide Strahlen um einen großen Winkel getrennt aus. Bei der zweiten Methode werden stark dichroitische Kristalle verwendet, in denen einer der Strahlen absorbiert wird, oder dünne Filme - Polaroids in Form von großflächigen Blättern.

Nehmen wir zwei Polaroids, setzen sie zusammen und schauen durch sie hindurch auf eine natürliche Lichtquelle. Wenn die Transmissionsachsen beider Polaroids (dh die Richtungen, in die sie das Licht polarisieren) zusammenfallen, sieht das Auge das Licht mit maximaler Helligkeit; stehen sie senkrecht, wird das Licht fast vollständig ausgelöscht.

Das Licht von der Quelle, das durch das erste Polaroid geht, wird entlang seiner Transmissionsachse linear polarisiert und geht im ersten Fall frei durch das zweite Polaroid und im zweiten Fall nicht (erinnern Sie sich an das Beispiel mit einer Lücke im Zaun). Im ersten Fall spricht man von parallelen Polaroids, im zweiten von gekreuzten Polaroids. In Zwischenfällen, wenn der Winkel zwischen den Transmissionsachsen der Polaroids von 0 oder 90° abweicht, erhalten wir auch Zwischenhelligkeitswerte.

Gehen wir weiter. In jedem Polarisator wird das einfallende Licht in zwei räumlich getrennte und linear polarisierte Strahlen in zueinander senkrechten Ebenen aufgeteilt - gewöhnlich und außergewöhnlich. Und was passiert, wenn der ordentliche und der außerordentliche Strahl nicht räumlich getrennt sind und einer von ihnen nicht erlischt?

Die Abbildung zeigt eine Schaltung, die diesen Fall implementiert. Licht einer bestimmten Wellenlänge, das einen Polarisator P passiert und linear polarisiert wird, fällt unter einem Winkel von 90º auf eine Platte P, die aus einem einachsigen Kristall parallel zu seiner optischen Achse geschnitten ist ZZ. In der Platte breiten sich zwei Wellen – gewöhnliche und außergewöhnliche – in derselben Richtung aus, aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (da sie unterschiedliche Brechungsindizes haben). Die außerordentliche Welle ist entlang der optischen Achse des Kristalls polarisiert, während die ordentliche Welle in der senkrechten Richtung polarisiert ist. Nehmen wir an, dass der Winkel a zwischen der Polarisationsrichtung des auf die Platte einfallenden Lichts (der Transmissionsachse des Polarisators P) und der optischen Achse der Platte 45° beträgt und die Amplituden der Schwingungen der ordentlichen und außerordentlichen Wellen Oh oh und Ein e sind gleich. Dies ist der Fall bei der Addition zweier senkrecht zueinander stehender Schwingungen mit gleichen Amplituden. Mal sehen, was als Ergebnis passiert.

Zur Verdeutlichung wenden wir uns einer mechanischen Analogie zu. Es gibt ein Pendel, an dem ein Rohr befestigt ist, aus dem ein dünner Tintenstrahl fließt. Das Pendel schwingt in einer genau festgelegten Richtung, und die Tinte zeichnet eine gerade Linie auf ein Blatt Papier. Jetzt werden wir es (ohne anzuhalten) in die Richtung senkrecht zur Schwingungsebene schieben, so dass der Bereich seiner Schwingungen in der neuen Richtung derselbe ist wie in der ursprünglichen. Wir haben also zwei orthogonale Schwingungen mit gleichen Amplituden. Was die Tinte zeichnet, hängt davon ab, wo auf der Flugbahn AOB Es gab ein Pendel, als wir es drückten.

Angenommen, wir haben ihn in dem Moment gestoßen, als er sich in der äußersten linken Position befand, an der Spitze SONDERN. Dann wirken zwei Kräfte auf das Pendel: eine in Richtung der Anfangsbewegung (in Richtung des Punktes O), die andere in senkrechter Richtung ALS. Da diese Kräfte gleich sind (die Amplituden der senkrechten Schwingungen sind gleich), wird das Pendel diagonal gehen ANZEIGE. Seine Bahn wird eine gerade Linie sein, die in einem Winkel von 45° zu den Richtungen beider Schwingungen verläuft.

Wenn Sie das Pendel drücken, wenn es sich in der äußerst rechten Position befindet, bei Punkt B, dann ist aus ähnlichen Überlegungen klar, dass seine Flugbahn ebenfalls gerade, aber um 90 ° gedreht sein wird. Wenn Sie das Pendel am Mittelpunkt O drücken, beschreibt das Ende des Pendels einen Kreis, und wenn an einem beliebigen Punkt - eine Ellipse; außerdem hängt seine Form von dem genauen Punkt ab, an dem das Pendel gedrückt wurde. Daher sind der Kreis und die Linie Sonderfälle der elliptischen Bewegung (die Linie ist eine "entartete" Ellipse).

Der resultierende geradlinige Pendelausschlag ist ein lineares Polarisationsmodell. Beschreibt ihre Bahn einen Kreis, so heißt die Schwingung zirkular polarisiert oder zirkular polarisiert. Je nach Drehrichtung rechts- oder linksdrehend spricht man von rechts- bzw. linkszirkularer Polarisation. Bewegt sich das Pendel schließlich auf einer Ellipse, spricht man von einer elliptisch polarisierten Schwingung, wobei man auch zwischen rechts- und linkselliptischer Polarisation unterscheidet.

Das Beispiel mit einem Pendel zeigt anschaulich, welche Art von Polarisation eine Schwingung erhält, die auftritt, wenn zwei senkrecht aufeinander stehende linear polarisierte Schwingungen addiert werden. Es stellt sich die Frage: Was ist das Analogon zum Setzen der zweiten (senkrechten) Schwingung an verschiedenen Punkten der Pendelbahn für Lichtwellen?

Sie sind die Phasendifferenz φ der ordentlichen und außerordentlichen Welle. Der Stoß des Pendels an der Stelle SONDERN entspricht an diesem Punkt einer Phasendifferenz von Null BEIM - Die Phasendifferenz beträgt 180 o, am Punkt O - 90 o, wenn das Pendel diesen Punkt von links nach rechts (von A nach B) durchläuft, oder 270 o, wenn es von rechts nach links (von B zu einer). Folglich hängt beim Addieren von Lichtwellen mit orthogonalen linearen Polarisationen und gleichen Amplituden die Polarisation der resultierenden Welle von der Phasendifferenz der addierten Wellen ab.

Die Tabelle zeigt, dass bei einer Phasendifferenz von 0 o und 180 o die elliptische Polarisation in eine lineare, bei einer Differenz von 90 o und 270 o in eine zirkulare Polarisation mit unterschiedlichen Drehrichtungen des resultierenden Vektors übergeht. Und eine elliptische Polarisation kann durch Addieren zweier orthogonaler linear polarisierter Wellen und mit einer Phasendifferenz von 90 o oder 270 o erhalten werden, wenn diese Wellen unterschiedliche Amplituden haben. Außerdem lässt sich zirkular polarisiertes Licht ganz ohne Addition zweier linear polarisierter Wellen gewinnen, beispielsweise mit dem Zeeman-Effekt – der Aufspaltung von Spektrallinien in einem Magnetfeld. Unpolarisiertes Licht mit der Frequenz v, das durch ein Magnetfeld geht, das in Richtung der Lichtausbreitung angelegt wird, wird in zwei Komponenten mit links- und rechtszirkularer Polarisation und Frequenzen symmetrisch in Bezug auf ν (ν - ∆ν) und (ν + ∆ν) aufgeteilt. .

Ein weit verbreitetes Verfahren zur Erzielung verschiedener Polarisationsarten und deren Transformation ist die Verwendung sogenannter Phasenplatten aus einem doppelbrechenden Material mit Brechungsindizes nein und n e . Plattendicke d wird so gewählt, dass an seinem Ausgang die Phasendifferenz zwischen der ordentlichen und der außerordentlichen Komponente der Welle 90 oder 180 o beträgt. Eine Phasendifferenz von 90° entspricht einer optischen Wegdifferenz d(n o - n e), gleich λ/4, und die Phasendifferenz 180 etwa – λ/2, wobei λ die Wellenlänge des Lichts ist. Diese Aufzeichnungen werden Viertelwelle und Halbwelle genannt. Es ist praktisch unmöglich, eine Platte mit einer Dicke von einem Viertel oder einer halben Wellenlänge herzustellen, so dass das gleiche Ergebnis mit dickeren Platten erhalten wird, was einen Gangunterschied von (kλ + λ/4) und (kλ + λ/2) ergibt, wobei k ist eine ganze Zahl. Eine Viertelwellenplatte wandelt linear polarisiertes Licht in elliptisch polarisiertes Licht um; Wenn die Platte eine Halbwelle ist, wird an ihrem Ausgang auch linear polarisiertes Licht erhalten, jedoch mit der Polarisationsrichtung senkrecht zur einfallenden. Eine Phasendifferenz von 45° ergibt eine zirkulare Polarisation.

Wenn wir eine doppelbrechende Platte beliebiger Dicke zwischen parallele oder gekreuzte Polaroids legen und durch dieses System auf weißes Licht blicken, sehen wir, dass das Gesichtsfeld farbig geworden ist. Ist die Dicke der Platte nicht gleich, erscheinen mehrfarbige Bereiche, da die Phasendifferenz von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Wenn eines der Polaroids (egal welches) um 90 o gedreht wird, ändern sich die Farben zu weiteren: Rot - zu Grün, Gelb - zu Violett (insgesamt geben sie weißes Licht).

Es wurde vorgeschlagen, polarisiertes Licht zu verwenden, um den Fahrer vor dem blendenden Licht der Scheinwerfer eines entgegenkommenden Autos zu schützen. Bringt man Filmpolaroids mit einem Abstrahlwinkel von 45° beispielsweise auf der Windschutzscheibe und den Scheinwerfern eines Autos rechts von der Senkrechten auf, sieht der Fahrer deutlich die Straße und entgegenkommende Autos, die von den eigenen Scheinwerfern beleuchtet werden. Aber für entgegenkommende Autos werden die Polaroids der Scheinwerfer mit dem Polaroid der Windschutzscheibe dieses Autos gekreuzt, und die Scheinwerfer entgegenkommender Autos gehen aus.

Zwei gekreuzte Polaroids bilden die Grundlage vieler nützlicher Geräte. Licht geht nicht durch gekreuzte Polaroids hindurch, aber wenn Sie ein optisches Element dazwischen platzieren, das die Polarisationsebene dreht, können Sie den Weg für Licht öffnen. So sind elektrooptische Hochgeschwindigkeits-Lichtmodulatoren aufgebaut. Zwischen den gekreuzten Polaroids wird beispielsweise ein doppelbrechender Kristall platziert, an den eine elektrische Spannung angelegt wird. In einem Kristall wird das Licht infolge der Wechselwirkung zweier orthogonaler linear polarisierter Wellen elliptisch polarisiert mit einer Komponente in der Transmissionsebene des zweiten Polaroids (linearer elektrooptischer Effekt oder Pockels-Effekt). Wenn eine Wechselspannung angelegt wird, ändert sich die Form der Ellipse periodisch und folglich der Wert der Komponente, die durch das zweite Polaroid hindurchgeht. Auf diese Weise erfolgt eine Modulation - eine Änderung der Lichtintensität mit einer Frequenz der angelegten Spannung, die sehr hoch sein kann - bis zu 1 Gigahertz (10 9 Hz). Es stellt sich ein Verschluss heraus, der das Licht eine Milliarde Mal pro Sekunde unterbricht. Ego wird in vielen technischen Geräten verwendet - in elektronischen Entfernungsmessern, optischen Kommunikationskanälen, Lasertechnologie.

Bekannt sind sogenannte photochrome Brillen, die sich bei grellem Sonnenlicht verdunkeln, aber nicht in der Lage sind, die Augen bei einem sehr schnellen und hellen Blitz (zB beim Elektroschweißen) zu schützen - der Verdunklungsprozess ist relativ langsam. Polarisierte Gläser, die auf dem Pockels-Effekt basieren, haben eine fast sofortige "Reaktion" (weniger als 50 μs). Das Licht eines hellen Blitzes tritt in Miniatur-Fotodetektoren (Fotodioden) ein, die ein elektrisches Signal liefern, unter dessen Einfluss die Gläser undurchsichtig werden.

Im Stereokino werden polarisierte Gläser verwendet, die die Illusion von Dreidimensionalität vermitteln. Die Illusion basiert auf der Erstellung eines Stereopaars – zwei Bilder, die aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen wurden, die den Blickwinkeln des rechten und linken Auges entsprechen. Sie werden so betrachtet, dass jedes Auge nur das für es bestimmte Bild sieht. Das Bild für das linke Auge wird durch ein Polaroid mit vertikaler Transmissionsachse und für das rechte Auge mit horizontaler Achse auf die Leinwand projiziert und genau auf der Leinwand ausgerichtet. Der Betrachter blickt durch eine Polaroidbrille, bei der die Achse des linken Polaroids vertikal und die des rechten horizontal ist; jedes Auge sieht nur „sein“ Bild, es entsteht ein Stereoeffekt.

Beim stereoskopischen Fernsehen wird die Methode des schnell abwechselnden Dimmens von Brillen verwendet, synchronisiert mit dem Bildwechsel auf dem Bildschirm. Durch die Trägheit des Sehens entsteht ein dreidimensionales Bild.

Polaroids werden häufig verwendet, um Blendung von Glas und polierten Oberflächen, von Wasser (das von ihnen reflektierte Licht ist stark polarisiert) zu dämpfen. Polarisierte und helle Bildschirme von Flüssigkristallmonitoren.

Polarisationsmethoden werden in der Mineralogie, Kristallographie, Geologie, Biologie, Astrophysik, Meteorologie und bei der Untersuchung atmosphärischer Phänomene verwendet.

Literatur

Zhevandrov N.D. Polarisation des Lichts. -M.: Nauka, 1969.

Zhevandrov N.D. Anisotropie und Optik. -M.: Nauka, 1974.

Zhevandrov N.D. Anwendung von polarisiertem Licht. -M.: Nauka, 1978.

Shercliff W. Polarisiertes Licht / Per. aus dem Englischen. -M.: Mir, 1965.

Fizpraktikum

POLARISIERTE WELT

Das Magazin hat bereits über die Eigenschaften von polarisiertem Licht, selbstgebauten Polariskopen und transparenten Objekten geschrieben, die in allen Farben des Regenbogens zu schimmern beginnen (siehe Science and Life, Nr. ). Betrachten wir die gleiche Frage anhand neuer technischer Geräte.

Jedes Gerät mit einem LCD-Farbbildschirm (Flüssigkristall) – Monitor, Laptop, Fernseher, DVD-Player, Taschencomputer, Smartphone, Kommunikator, Telefon, elektronischer Bilderrahmen, MP3-Player, Digitalkamera – kann als Polarisator verwendet werden (ein Gerät, das erzeugt polarisiertes Licht ).

Tatsache ist, dass das eigentliche Funktionsprinzip des LCD-Monitors auf der Verarbeitung von polarisiertem Licht basiert (1). Eine genauere Beschreibung der Arbeit finden Sie unter http://master-tv.com/, und für unsere körperliche Praxis ist es wichtig, dass wir die Leinwand mit weißem Licht beleuchten, indem wir beispielsweise ein weißes Quadrat zeichnen oder fotografieren B. ein weißes Blatt Papier, erhalten wir linear polarisiertes Licht, an dem wir weitere Experimente durchführen werden.

Interessanterweise sehen wir bei starker Vergrößerung auf dem weißen Bildschirm keinen einzigen weißen Punkt (2) - die gesamte Farbvielfalt wird durch eine Kombination von Rot-, Grün- und Blautönen erzielt.

Vielleicht verwenden unsere Augen durch einen glücklichen Zufall auch drei Arten von Zapfen, die auf rote, grüne und blaue Farben reagieren, sodass wir diese Mischung mit dem richtigen Verhältnis der Grundfarben als Weiß wahrnehmen.

Für den zweiten Teil des Polariskops - den Analysator - eignen sich polarisierte Polaroidbrillen, die in Angelgeschäften (Reduzierung der Blendung durch die Wasseroberfläche) oder in Autohäusern (Entfernung der Blendung durch Glasoberflächen) erhältlich sind. Die Echtheit einer solchen Brille lässt sich ganz einfach überprüfen: Durch Verdrehen der Gläser gegeneinander lässt sich das Licht fast vollständig blockieren (3).

Und schließlich können Sie aus einem LCD-Display einer beschädigten elektronischen Uhr oder anderen Produkten mit Schwarzweißbildschirmen einen Analysator machen (4). Mit Hilfe dieser einfachen Geräte können Sie viele interessante Dinge sehen, und wenn Sie den Analysator vor das Kameraobjektiv halten, können Sie gute Aufnahmen speichern (5).

Ein Objekt aus absolut durchsichtigem Kunststoff – ein Lineal (8), eine Schachtel für CDs (9) oder die „Null“-Scheibe selbst (siehe Foto auf der ersten Umschlagseite) – zwischen dem LCD-Bildschirm und dem Analysator platziert, erfasst a Regenbogenfarbe. Eine geometrische Figur aus Zellophan, die aus einer Zigarettenschachtel entnommen und auf ein Blatt aus demselben Zellophan gelegt wird, wird gefärbt (6). Und wenn Sie den Analysator um 90 Grad drehen, ändern sich alle Farben in zusätzliche - Rot wird Grün, Gelb - Lila, Orange - Blau (7).

Der Grund für dieses Phänomen ist, dass das für natürliches Licht transparente Material tatsächlich inhomogen oder, was dasselbe ist, anisotrop ist. Seine physikalischen Eigenschaften, einschließlich der Brechungsindizes verschiedener Teile des Objekts, sind nicht gleich. Der darin enthaltene Lichtstrahl wird in zwei geteilt, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten und in zueinander senkrechten Ebenen polarisiert sind. Die Intensität des polarisierten Lichts, das Ergebnis der Addition zweier Lichtwellen, ändert sich nicht. Aber der Analysator wird daraus zwei eben polarisierte Wellen herausschneiden, die in der gleichen Ebene schwingen und sich gegenseitig stören (siehe "Wissenschaft und Leben" Nr. 1, 2008). Die geringste Änderung der Dicke der Platte oder Spannungen in ihrer Dicke führen zum Auftreten eines Unterschieds im Wellenweg und zum Auftreten von Farbe.

Bei polarisiertem Licht ist es sehr praktisch, die Verteilung mechanischer Spannungen in den Details von Maschinen und Mechanismen sowie Gebäudestrukturen zu untersuchen. Ein flaches Modell eines Teils (Balken, Stütze, Hebel) wird aus transparentem Kunststoff hergestellt und mit einer Last beaufschlagt, die ein echtes simuliert. Mehrfarbige Streifen, die in polarisiertem Licht erscheinen, zeigen die Schwachstellen des Teils an (spitze Ecke, starke Biegung usw.) - in ihnen konzentrieren sich Spannungen. Durch die Veränderung der Form des Teils erreichen sie ihre größte Festigkeit.

Es ist nicht schwierig, eine solche Studie selbst durchzuführen. Aus organischem Glas (vorzugsweise homogen) können Sie beispielsweise ein Modell eines Hakens (eines Hakens zum Heben einer Last) schneiden, es vor den Bildschirm hängen, es mit Gewichten unterschiedlicher Gewichte an Drahtschlaufen belasten und beobachten, wie die Spannungsverteilung ändert sich darin.

Bisher haben wir von Medien gesprochen, deren Brechungsindex für unterschiedliche Polarisationsrichtungen des einfallenden Lichtstrahls unterschiedlich ist. Von großer Bedeutung für praktische Anwendungen sind andere Medien, bei denen sich je nach Polarisation des Lichts nicht nur der Brechungsindex, sondern auch der Absorptionskoeffizient ändert. Wie im Fall der Doppelbrechung ist es leicht zu verstehen, dass die Absorption nur in anisotropen Medien von der Richtung erzwungener Ladungsschwingungen abhängen kann. Das erste, alte, heute berühmte Beispiel ist Turmalin, das andere ein Polaroid. Polaroid besteht aus einer dünnen Schicht kleiner Herapatit-Kristalle (Salz aus Jod und Chinin), die mit ihren Achsen parallel zueinander aufgereiht sind. Diese Kristalle absorbieren Licht, wenn sie in eine Richtung schwingen, und absorbieren fast kein Licht, wenn sie in die andere Richtung schwingen.

Richten wir einen Lichtstrahl, der in einem Winkel zur Polaroidachse polarisiert ist. Welche Intensität hat der Strahl, der durch das Polaroid geht? Lassen Sie uns unseren Lichtstrahl in zwei Komponenten zerlegen: eine mit einer Polarisation senkrecht zu der, die ohne Dämpfung durchgeht (sie ist proportional zu ), und die zweite - eine Längskomponente proportional zu . Nur ein Teil proportional zu ; wird durch das Polaroid gehen. Komponente proportional zu absorbiert werden. Die Amplitude des durch das Polaroid durchgelassenen Lichts ist kleiner als die Amplitude des einfallenden Lichts und ergibt sich daraus durch Multiplikation mit . Die Lichtintensität ist proportional zum Quadrat. Wenn also das einfallende Licht in einem Winkel zur Polaroidachse polarisiert ist, ist der vom Polarisator durchgelassene Intensitätsanteil gleich der Gesamtintensität. Der von einem Polaroid absorbierte Intensitätsanteil ist natürlich .

Ein interessantes Paradox tritt im folgenden Experiment auf. Es ist bekannt, dass zwei Polaroids mit senkrecht zueinander stehenden Achsen kein Licht durchlassen. Bringt man aber zwischen solche Polaroids ein drittes Polaroid, dessen Achse in einem Winkel zu den Achsen der anderen beiden ausgerichtet ist, wird ein Teil des Lichts unser System passieren. Wie wir wissen, absorbiert Polaroid nur Licht, es kann kein Licht erzeugen. Indem wir jedoch das dritte Polaroid in einem Winkel platzieren, erhöhen wir die Menge des durchgelassenen Lichts. Dieses Phänomen können Sie als Übung selbst analysieren.

Eines der interessantesten Polarisationsphänomene, das nicht in komplexen Kristallen und irgendwelchen speziellen Materialien auftritt, sondern in einem einfachen und sehr bekannten Fall, ist die Reflexion von der Oberfläche. Es scheint unglaublich, aber wenn es von Glas reflektiert wird, kann Licht polarisiert werden, und diese Tatsache ist physikalisch sehr einfach zu erklären. Brewster zeigte experimentell, dass von einer Oberfläche reflektiertes Licht vollständig polarisiert ist, wenn die im Medium reflektierten und gebrochenen Strahlen einen rechten Winkel bilden. Dieser Fall ist in Abb. 33.4.

Abbildung 33.4. Reflexion von linear polarisiertem Licht im Brewster-Winkel.

Die Polarisationsrichtung ist durch gepunktete Pfeile angegeben: runde Punkte stehen für eine Polarisation senkrecht zur Blattebene.

Wenn der einfallende Strahl in der Einfallsebene polarisiert ist, wird überhaupt kein Strahl reflektiert. Ein reflektierter Strahl tritt nur auf, wenn der einfallende Strahl senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist. Der Grund für dieses Phänomen ist leicht zu verstehen. In einem reflektierenden Medium ist Licht senkrecht zur Strahlrichtung polarisiert, und wir wissen, dass es die Bewegung von Ladungen in einem reflektierenden Medium ist, die einen von ihm ausgehenden Strahl erzeugt, der als reflektiert bezeichnet wird. Das Auftreten dieses sogenannten reflektierten Strahls ist nicht einfach darauf zurückzuführen, dass der einfallende Strahl reflektiert wird; wir wissen jetzt schon, dass der einfallende Strahl die Bewegung von Ladungen im Medium anregt, was wiederum den reflektierten Strahl erzeugt.

Aus ABB. 33.4 ist klar, dass nur Erschütterungen senkrecht zur Blattebene Strahlung in Richtung des reflektierten Strahls aussenden, und daher der reflektierte Strahl senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist. Wenn der einfallende Strahl in der Einfallsebene polarisiert ist, wird überhaupt kein Strahl reflektiert.

Dieses Phänomen lässt sich leicht demonstrieren, wenn ein linear polarisierter Strahl von einer flachen Glasplatte reflektiert wird. Wenn man die Platte in verschiedenen Winkeln zur Richtung des einfallenden polarisierten Strahls dreht, kann man eine scharfe Intensitätsabnahme bei einem Winkelwert gleich dem Brewster-Winkel feststellen. Dieser Intensitätsabfall wird nur beobachtet, wenn die Polarisationsebene mit der Einfallsebene zusammenfällt. Wenn die Polarisationsebene senkrecht zur Feuerebene ist, wird keine merkliche Abnahme der Intensität des reflektierten Lichts beobachtet.

Die Felder der Welle stehen senkrecht aufeinander und schwingen senkrecht zum Wellengeschwindigkeitsvektor (senkrecht zum Strahl). Um die Gesetze der Lichtpolarisation zu beschreiben, reicht es daher aus, das Verhalten nur eines der Vektoren zu kennen. In der Regel wird die gesamte Argumentation in Bezug auf durchgeführt Lichtvektor- der Vektor der elektrischen Feldstärke (dieser Name rührt daher, dass bei der Einwirkung von Licht auf einen Stoff die elektrische Komponente des Wellenfeldes, die auf die Elektronen in den Atomen des Stoffes einwirkt, von vorrangiger Bedeutung ist).

Licht ist die gesamte elektromagnetische Strahlung vieler Atome. Atome senden dagegen unabhängig voneinander Lichtwellen aus, daher ist die vom Körper als Ganzes ausgesandte Lichtwelle durch allerlei gleichwahrscheinliche Schwingungen des Lichtvektors gekennzeichnet (Abb. 272, a; der Strahl steht senkrecht zur Bildebene). In diesem Fall erklärt sich die gleichmäßige Verteilung der Vektoren durch eine große Anzahl von Atomemittern und die Gleichheit der Amplitudenwerte der Vektoren durch die (im Durchschnitt) gleiche Strahlungsintensität jedes der Atome. Hell mit allen möglichen gleichwahrscheinlichen Orientierungen des Vektors (und damit ) heißt natürlich.

Hell, in der die Schwingungsrichtungen des Lichtvektors irgendwie geordnet sind, heißt polarisiert. Wenn also durch äußere Einflüsse eine vorherrschende (aber nicht ausschließliche!) Richtung der Vektorschwingungen auftritt (Abb. 272, b), dann haben wir es zu tun teilweise polarisiertes Licht. Hell, in dem der Vektor (und damit) oszilliert nur in einer Richtung, senkrecht zum Strahl (Abb. 272, in), wird genannt eben polarisiert (linear polarisiert).

Die durch die Schwingungsrichtung des Lichtvektors einer planar polarisierten Welle verlaufende Ebene und die Ausbreitungsrichtung dieser Welle wird genannt Ebene der Polarisation. Ebene polarisiertes Licht ist der Grenzfall elliptisch polarisiertes Licht- Licht, bei dem sich der Vektor (Vektor ) mit der Zeit so ändert, dass sein Ende eine Ellipse beschreibt, die in einer Ebene senkrecht zum Strahl liegt. Entartet die Polarisationsellipse (s. § 145) zu einer Geraden (bei Phasendifferenz gleich Null oder ), so handelt es sich um das oben betrachtete eben polarisierte Licht, wenn es zu einem Kreis (bei ( = ± /2 und der Amplituden der kombinierten Wellen gleich sind), dann haben wir etwas zu tun zirkular polarisiertes (zirkular polarisiertes) Licht. Grad der Polarisierung heißt Menge

wobei und die maximalen und minimalen Lichtintensitäten sind, die zwei zueinander senkrechten Komponenten des Vektors entsprechen. Für natürliches Licht = und R= 0, für Ebene polarisiert = 0 und R = 1.

Natürliches Licht kann mit Hilfe der sog. in linear polarisiertes Licht umgewandelt werden Polarisatoren, Vibrationen nur in einer bestimmten Richtung übertragen (z. B. Vibrationen parallel zur Ebene des Polarisators übertragen und Vibrationen senkrecht zu dieser Ebene vollständig blockieren). Als Polarisatoren können Medien verwendet werden, die bezüglich der Schwingungen des Vektors anisotrop sind, beispielsweise Kristalle (ihre Anisotropie ist bekannt, siehe §70). Von den natürlichen Kristallen, die seit langem als Polarisator verwendet werden, sollte Turmalin erwähnt werden.

Betrachten Sie klassische Experimente mit Turmalin (Abb. 273). Richten wir das natürliche Licht senkrecht auf die Turmalinplatte T 1 Schnitt parallel zum sogenannten Optische Achse 00 (siehe §192).

Drehen des Kristalls T 1 um die Richtung des Strahls herum beobachten wir keine Änderungen in der Intensität des Lichts, das durch den Turmalin übertragen wird. Wenn eine zweite Platte aus Turmalin in den Strahlengang gelegt wird T 2 und drehen Sie es um die Richtung des Strahls, dann variiert die Intensität des Lichts, das durch die Platten tritt, abhängig vom Winkel zwischen den optischen Achsen der Kristalle entlang Malus-Gesetz(E. Malus (1775-1812) - französischer Physiker):

(190.1)

wo bzw. sind die Intensität des auf den zweiten Kristall einfallenden und aus ihm austretenden Lichts. Folglich ändert sich die Intensität des durch die Platten übertragenen Lichts von einem Minimum (vollständige Auslöschung des Lichts) bei = /2 (die optischen Achsen der Platten stehen senkrecht) bis zu einem Maximum bei = 0 (die optischen Achsen der Platten stehen parallel). . Wie jedoch aus Abb. 274, Amplitude der leichten Schwingungen, die durch die Platte gehen T 2 , wird kleiner sein als die Amplitude der darauf einfallenden Lichtschwingungen:

Da die Lichtintensität proportional zum Quadrat der Amplitude ist, erhält man den Ausdruck (190.1).

Die Ergebnisse von Experimenten mit Turmalinkristallen lassen sich recht einfach erklären, basierend auf den oben genannten Bedingungen für die Lichtübertragung durch einen Polarisator. Die erste Turmalinplatte überträgt Schwingungen nur in einer bestimmten Richtung (in Abb. 273 ist diese Richtung durch den Pfeil AB gekennzeichnet), d.h. sie wandelt natürliches Licht in linear polarisiertes Licht um. Die zweite Turmalinplatte lässt je nach Ausrichtung von polarisiertem Licht mehr oder weniger davon durch, was der Komponente parallel zur Achse des zweiten Turmalins entspricht. Auf Abb. 273 Beide Platten sind so angeordnet, dass die von ihnen übertragenen Schwingungsrichtungen AB und A"B" senkrecht aufeinander stehen. In diesem Fall T 1 leitet Vibrationen entlang AB gerichtet, und T 2 löscht sie vollständig aus, d.h. Licht dringt nicht durch die zweite Turmalinplatte.

Teller T 1 , der natürliches Licht in linear polarisiertes umwandelt, ist Polarisator. Teller T 2 , die zur Analyse des Polarisationsgrades von Licht dient, bezeichnet Analysator. Beide Datensätze sind genau gleich (sie können vertauscht werden).

Leiten wir natürliches Licht durch zwei Polarisatoren, deren Ebenen einen Winkel bilden, so tritt aus dem ersten linear polarisiertes Licht aus, dessen Intensität aus dem zweiten nach (190.1) Licht mit Intensität austritt . Daher ist die Intensität des Lichts, das durch zwei Polarisatoren geht

woher (Polarisatoren sind parallel) und = 0 (Polarisatoren sind gekreuzt).

Richtung der Wellenausbreitung;

Kreisförmig Polarisation - rechts oder links, abhängig von der Drehrichtung des Induktionsvektors;

Elliptisch Polarisation - ein Fall zwischen zirkularer und linearer Polarisation.

Inkohärente Strahlung darf nicht polarisiert sein oder auf eine der oben genannten Arten vollständig oder teilweise polarisiert sein. Dabei wird der Begriff der Polarisation statistisch verstanden.

Bei der theoretischen Betrachtung der Polarisation wird angenommen, dass sich die Welle horizontal ausbreitet. Dann können wir von vertikaler und horizontaler linearer Polarisation der Welle sprechen.

Linear Kreisförmig Elliptisch

Phänomentheorie

Eine elektromagnetische Welle kann (sowohl theoretisch als auch praktisch) in zwei polarisierte Komponenten zerlegt werden, beispielsweise vertikal und horizontal polarisiert. Andere Aufweitungen sind möglich, beispielsweise in ein anderes Paar senkrecht zueinander stehender Richtungen oder in zwei Komponenten mit links- und rechtszirkularer Polarisation. Beim Versuch, eine linear polarisierte Welle in zirkulare Polarisationen zu expandieren (oder umgekehrt), erscheinen zwei Halbintensitätskomponenten.

Sowohl aus quantenmechanischer als auch aus klassischer Sicht kann die Polarisation durch einen zweidimensionalen komplexen Vektor ( Jones-Vektor). Photonenpolarisation ist eine Implementierung des q-Bits.

Antennenstrahlung ist normalerweise linear polarisiert.

Indem man die Polarisation des Lichts bei der Reflexion von der Oberfläche ändert, kann man die Oberflächenstruktur, die optischen Konstanten und die Probendicke beurteilen.

Ist das Streulicht polarisiert, so kann durch Verwendung eines Polarisationsfilters mit anderer Polarisation der Lichtdurchgang begrenzt werden. Die Intensität des durch Polarisatoren hindurchtretenden Lichts gehorcht dem Malus-Gesetz. LCDs arbeiten nach diesem Prinzip.

Einige Lebewesen, wie zum Beispiel Bienen, sind in der Lage, die lineare Polarisation des Lichts zu unterscheiden, was ihnen zusätzliche Möglichkeiten zur Orientierung im Raum bietet. Es wurde festgestellt, dass einige Tiere, wie beispielsweise die Pfauenfangschreckenkrebse, in der Lage sind, zirkular polarisiertes Licht, d. h. Licht mit zirkularer Polarisation, zu unterscheiden.

Entdeckungsgeschichte

Der Entdeckung polarisierter Lichtwellen ging die Arbeit vieler Wissenschaftler voraus. 1669 berichtete der dänische Wissenschaftler E. Bartholin über seine Experimente mit Kristallen aus Kalkspat (CaCO3), meist in Form eines regelmäßigen Rhomboeders, die von aus Island zurückkehrenden Seeleuten mitgebracht wurden. Er war überrascht, als er feststellte, dass sich ein Lichtstrahl, der durch einen Kristall geht, in zwei Strahlen aufspaltet (jetzt gewöhnlich und außergewöhnlich genannt). Bartholin untersuchte das von ihm entdeckte Phänomen der Doppelbrechung gründlich, konnte aber keine Erklärung geben. Zwanzig Jahre nach den Experimenten von E. Bartholin erregte seine Entdeckung die Aufmerksamkeit des niederländischen Wissenschaftlers H. Huygens. Er selbst begann, die Eigenschaften von Islandspat-Kristallen zu untersuchen und lieferte anhand seiner Wellentheorie des Lichts eine Erklärung für das Phänomen der Doppelbrechung. Gleichzeitig führte er das wichtige Konzept der optischen Achse eines Kristalls ein, um die herum es keine Anisotropie der Eigenschaften des Kristalls gibt, d. H. Ihre Richtungsabhängigkeit (natürlich haben nicht alle Kristalle eine solche Achse ). In seinen Experimenten ging Huygens weiter als Bartholin, indem er beide Strahlen, die aus einem isländischen Spatkristall austraten, durch einen zweiten ähnlichen Kristall leitete. Es stellte sich heraus, dass, wenn die optischen Achsen beider Kristalle parallel sind, eine weitere Zerlegung dieser Strahlen nicht mehr auftritt. Wenn das zweite Rhomboeder um 180 Grad um die Ausbreitungsrichtung eines ordentlichen Strahls gedreht wird, dann erfährt der außerordentliche Strahl beim Durchgang durch den zweiten Kristall eine Verschiebung in die entgegengesetzte Richtung zur Verschiebung im ersten Kristall, und beide Strahlen werden kommen aus einem solchen System zu einem Strahl verbunden. Es wurde auch festgestellt, dass sich die Intensität der ordentlichen und außerordentlichen Strahlen in Abhängigkeit vom Winkel zwischen den optischen Achsen der Kristalle ändert. Diese Studien brachten Huygens der Entdeckung des Phänomens der Polarisation des Lichts nahe, aber er konnte keinen entscheidenden Schritt tun, da Lichtwellen in seiner Theorie als longitudinal angenommen wurden. Zur Erklärung der Experimente von H. Huygens brachte I. Newton, der an der Korpuskulartheorie des Lichts festhielt, die Idee der fehlenden Achsensymmetrie eines Lichtstrahls auf und machte damit einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Polarisation des Lichts . 1808 bemerkte der französische Physiker E. Malus, als er durch ein Stück isländischen Holms auf die Fenster des Luxemburger Palastes in Paris blickte, die in den Strahlen der untergehenden Sonne glänzten, zu seiner Überraschung, dass dies nur an einer bestimmten Position des Kristalls der Fall war ein Bild war sichtbar. Basierend auf diesem und anderen Experimenten und basierend auf Newtons Korpuskulartheorie des Lichts schlug er vor, dass Korpuskeln im Sonnenlicht zufällig orientiert sind, aber nachdem sie von einer Oberfläche reflektiert oder durch einen anisotropen Kristall hindurchgetreten sind, nehmen sie eine bestimmte Orientierung an. Solch ein „geordnetes“ Licht nannte er polarisiert.

Stokes-Parameter

Darstellung der Polarisation in Form von Stokes-Parametern auf der Poincaré-Sphäre

Im Allgemeinen hat eine ebene monochromatische Welle eine rechts- oder linkselliptische Polarisation. Die volle Charakteristik der Ellipse wird durch drei Parameter gegeben, zum Beispiel die halben Längen der Seiten des Rechtecks, in das die Polarisationsellipse eingeschrieben ist EIN 1 , EIN 2 und der Phasendifferenz φ oder den Halbachsen der Ellipse a , b und Winkel ψ zwischen den Achsen x und die Hauptachse der Ellipse. Es ist bequem, eine elliptisch polarisierte Welle basierend auf den Stokes-Parametern zu beschreiben:

, ,

Nur drei von ihnen sind unabhängig, weil die Identität wahr ist:

Wenn wir einen Hilfswinkel χ einführen, definiert durch den Ausdruck (das Vorzeichen entspricht der rechten, und - der linken Polarisation), dann können wir die folgenden Ausdrücke für die Stokes-Parameter erhalten:

Anhand dieser Formeln lässt sich die Polarisation einer Lichtwelle geometrisch eindeutig charakterisieren. Dabei werden die Stokes-Parameter , , als kartesische Koordinaten eines auf der Oberfläche einer Kugel liegenden Punktes mit Radius interpretiert. Die Winkel und haben die Bedeutung der sphärischen Winkelkoordinaten dieses Punktes. Eine solche geometrische Darstellung wurde von Poincare vorgeschlagen, daher wird diese Kugel als Poincaré-Kugel bezeichnet.

Neben , werden auch die normalisierten Stokes-Parameter , , verwendet. Für polarisiertes Licht .

siehe auch

Literatur

• Akhmanov S.A., Nikitin S.Yu. - Physikalische Optik, 2. Auflage, M. - 2004.
• Born M., Wolf E. - Grundlagen der Optik, 2. Auflage, überarbeitet, übers. aus dem Englischen, m. - 1973

Anmerkungen

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Sehen Sie, was "Polarisation des Lichts" in anderen Wörterbüchern ist:

Phys. optische Eigenschaft. Strahlung, die die transversale Anisotropie von Lichtwellen beschreibt, d. h. Antivalenzdek. Richtungen in einer Ebene senkrecht zum Lichtstrahl. Die ersten Hinweise auf die Queranisotropie eines Lichtstrahls wurden erhalten ... Physikalische Enzyklopädie

Moderne Enzyklopädie

Polarisation des Lichts- POLARISATION DES LICHTS, Ordnung in der Ausrichtung des Intensitätsvektors der elektrischen E- und magnetischen H-Felder einer Lichtwelle in einer Ebene senkrecht zur Lichtausbreitung. Es gibt eine lineare Polarisation des Lichts, wenn E konstant bleibt ... ... Illustriertes enzyklopädisches Wörterbuch

Licht polarisation- Polarisation Eine Eigenschaft des Lichts, die durch die räumlich-zeitliche Ordnung der Ausrichtung der magnetischen und elektrischen Vektoren gekennzeichnet ist. Anmerkungen 1. Je nach Art der Ordnung unterscheiden sie: lineare Polarisation, elliptisch ... ... Handbuch für technische Übersetzer

- (lat. von Polus). Die Eigenschaft von Lichtstrahlen, die, wenn sie reflektiert oder gebrochen werden, ihre Fähigkeit verlieren, wieder in bekannte Richtungen reflektiert oder gebrochen zu werden. Wörterbuch der in der russischen Sprache enthaltenen Fremdwörter. Chudinov A.N.,… … Wörterbuch der Fremdwörter der russischen Sprache

Ordnung in der Orientierung der Intensitätsvektoren elektrischer E- und magnetischer H-Felder einer Lichtwelle in einer Ebene senkrecht zum Lichtstrahl. Unterscheiden Sie die lineare Polarisation des Lichts, wenn E eine konstante Richtung beibehält (durch die Ebene ... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch