Pada tahun 1669, ilmuwan Denmark Erasmus Bartholin menemukan bahwa jika Anda melihat objek apa pun melalui kristal spar Islandia, maka pada posisi kristal dan objek tertentu, dua gambar objek terlihat sekaligus. Fenomena ini disebut fenomena pembiasan ganda.

Penjelasan tentang sifat dari fenomena ini diberikan pada tahun 1690 oleh Christian Huygens dalam karyanya Treatise on Light.

Dalam tafsir modern, penjelasan tentang hakikat fenomena tersebut adalah sebagai berikut.

Cahaya yang memasuki zat birefringen dibagi menjadi dua berkas terpolarisasi bidang dalam bidang yang saling tegak lurus.

Secara umum, sinar-sinar ini merambat secara berbeda dalam arah yang berbeda.

Namun, dalam zat birefringent apa pun, ada satu atau dua arah di mana kedua sinar merambat dengan kecepatan yang sama.

Arah ini disebut sumbu optik.
Tergantung pada jumlah sumbu, zat birefringent dibagi menjadi uniaksial dan biaksial. Kami hanya akan mempertimbangkan bahan birefringent uniaksial.

Penting untuk dicatat bahwa arah osilasi vektor E balok terpolarisasi bidang yang timbul di dalam zat birefringent selalu berorientasi dengan cara tertentu. Salah satunya memiliki osilasi vektor E tegak lurus terhadap bidang di mana sinar datang dan sumbu optik terletak (bidang ini biasa disebut bagian utama). Yang kedua sejajar dengan bagian utama.

Kecepatan rambat sinar ini bergantung pada sudut antara vektor E dan sumbu optik.

Dalam balok dengan vektor E, tegak lurus dengan bagian utama, sudut antara E dan sumbu optik tidak bergantung pada sudut datang berkas. Pada sembarang sudut datang, vektor E tegak lurus sumbu optik.

Ini berarti bahwa pada setiap sudut datang, ia memiliki kecepatan yang sama.

Karena kecepatan cahaya dalam suatu zat terkait dengan indeks bias zat ini, indeks bias zat birefringent untuk berkas ini juga tidak bergantung pada sudut datang. Dengan kata lain, berkas ini berperilaku seperti dalam media isotropik biasa.

Oleh karena itu disebut biasa. Vektor Berikutnya E balok biasa akan dilambangkan E o.

Balok kedua disebut luar biasa, karena untuk itu sudut antara arah osilasi vektor Dia(selanjutnya vektor E sinar luar biasa akan dilambangkan Dia) dan sumbu optik bergantung pada sudut datang (lihat gambar). Oleh karena itu, pada sudut datang yang berbeda, ia merambat pada kecepatan yang berbeda dan memiliki indeks bias yang berbeda, yang secara umum tidak biasa.

Biarkan cahaya terpolarisasi bidang jatuh pada pelat bidang-paralel dari zat birefringent.

Dalam hal ini, bidang bagian utama tegak lurus dengan permukaan pelat.

Di dalam pelat, sinar datang dibagi menjadi dua balok terpolarisasi bidang, salah satunya terpolarisasi tegak lurus terhadap sumbu optik (balok biasa), dan yang kedua sejajar (balok luar biasa).

Secara alami, balok-balok ini akan sefasa di pintu masuk pelat.

Di dalam pelat, indeks bias sinar ini memiliki nilai yang berbeda ( n o dan n e).

Ini berarti bahwa jika sinar biasa dan sinar luar biasa melewati jarak yang sama di dalam pelat (misalnya, d- ketebalan pelat), maka mereka tidak akan lagi sefasa. Mereka akan memiliki perbedaan fase Dj sama dengan k o ( n o d – n e d). Di Sini k o adalah bilangan gelombang untuk vakum.

Jika beda fasa sinar-sinar yang keluar dari pelat adalah kelipatan 2p, orientasi bidang osilasi vektor E Tidak akan berubah. Cahaya di belakang pelat akan terpolarisasi dengan cara yang sama seperti di depannya.

Jika beda fase adalah kelipatan dari bilangan ganjil p, bidang osilasi vektor E di belakang pelat akan berputar 90°, tetapi cahaya akan tetap terpolarisasi bidang.

Jika beda fasa ternyata sama dengan p/2, maka cahaya di belakang pelat akan terpolarisasi membentuk lingkaran. Pelat dengan ketebalan ini disebut gelombang seperempat.

Melewati cahaya terpolarisasi sirkular melalui pelat seperempat gelombang kedua menambahkan perbedaan fase tambahan p/2. Hal ini akan menyebabkan transformasi cahaya terpolarisasi sirkular menjadi cahaya terpolarisasi bidang, yang bidang polarisasinya berotasi 90° dibandingkan dengan datangnya cahaya pada pelat pertama*.

Permukaan gelombang sinar biasa dan sinar luar biasa memiliki bentuk yang berbeda.

Dalam sinar biasa, ini, tentu saja, adalah bola - sinar biasa merambat ke segala arah dengan kecepatan yang sama.

Luar biasa, permukaan gelombang adalah ellipsoid - kecepatannya berbeda untuk arah yang berbeda.

Karena gelombang cahaya biasa dan luar biasa merambat pada kecepatan yang sama sepanjang sumbu optik, permukaan gelombangnya bersentuhan pada titik perpotongan dengan sumbu optik.

Pertimbangkan insiden gelombang cahaya alami pada permukaan pelat birefringent kristal.

Biarkan sumbu optik pelat sejajar dengan permukaan pelat.

Seberkas cahaya alami mengenai tempat itu TETAPI, menggairahkan dua gelombang cahaya sekunder - biasa dan luar biasa.

Bagian depan mereka memiliki bentuk yang ditunjukkan pada gambar.

Sinar gelombang sekunder tereksitasi antara titik TETAPI dan PADA, tegak lurus terhadap permukaan gelombang dari gelombang biasa dan gelombang luar biasa, yang dapat dibangun dengan menggambar dari titik PADA garis singgung setiap permukaan gelombang yang dibentuk oleh sinar biasa dan sinar luar biasa yang melalui titik TETAPI.

Dapat dilihat dari konstruksi yang ditunjukkan pada gambar bahwa gelombang biasa dan gelombang luar biasa merambat di dalam kristal dalam arah yang berbeda. Sejumlah metode untuk memperoleh perangkat polarisasi didasarkan pada properti ini - dengan memotong salah satu sinar (biasa atau luar biasa), seseorang dapat memperoleh cahaya terpolarisasi bidang.

Sebagai kesimpulan, kami mencatat bahwa zat kristal seperti kuarsa dan spar Islandia adalah birefringent.

Selain itu, zat dengan molekul asimetris yang diorientasikan secara teratur sepanjang segala arah dapat bersifat birefringent. Ini bisa berupa cairan dan benda amorf di mana orientasi molekul terjadi karena pengaruh eksternal (tekanan mekanis, medan listrik atau magnet eksternal).

Mekanika kuantum

Krisis fisika klasik

Pada akhir abad kesembilan belas. dalam fisika ada situasi yang menarik. Para ilmuwan percaya bahwa bangunan ramping fisika klasik hampir selesai. Tampaknya masih menjelaskan beberapa efek kecil ... dan pengembangan fisika akan selesai.

Namun, pada pergantian abad kesembilan belas dan kedua puluh. beberapa penemuan dibuat yang tidak dapat dijelaskan dari sudut pandang fisika klasik. Penemuan-penemuan ini memunculkan krisis fisika klasik, yang, pada gilirannya, merevolusi sains dan memunculkan fisika kuantum.

radiasi termal

Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu zat karena energi internalnya.

Radiasi termal dipancarkan oleh semua benda yang suhunya berbeda dari nol mutlak.

Radiasi termal adalah superposisi gelombang elektromagnetik, yang panjangnya terletak dalam rentang yang luas. Spektrum radiasi termal terus menerus.

Komposisi spektral radiasi termal tergantung pada suhu - semakin tinggi suhu tubuh, semakin besar proporsi radiasi gelombang pendek di dalamnya.

Anda tahu betul bahwa tubuh pijar bisa bersinar. Ini berarti bahwa radiasi termal dari benda semacam itu mengandung gelombang yang terlihat.

Warna cahaya akan tergantung pada suhu. Misalnya, tubuh bisa panas putih panas. Mendinginkan, tubuh akan berubah warna menjadi merah, kemudian berhenti bersinar sama sekali, meskipun masih cukup panas.

Tubuh akan berhenti bersinar, tetapi akan memancarkan energi - Anda bisa merasakan panas yang datang darinya. Ini berarti bahwa tubuh memancarkan dalam kisaran inframerah.

Tubuh yang lebih dingin kebanyakan memancar dalam kisaran yang tidak dirasakan oleh indera kita, jadi kita tidak merasakannya.

pembiasan ganda

Untuk mendapatkan cahaya terpolarisasi, fenomena birefringence juga digunakan.

“Dari Islandia, sebuah pulau yang terletak di Laut Utara, pada garis lintang 66 °,” tulis Huygens pada tahun 1678, “sebuah batu (batang Islandia) dibawa, sangat luar biasa dalam bentuk dan kualitas lainnya, tetapi terutama dalam bentuknya. sifat bias yang aneh".

Jika sepotong tiang Islandia diletakkan pada prasasti apa pun, maka melaluinya kita akan melihat prasasti ganda (Gbr. 133).

Beras. 133. Pembiasan ganda.

Bifurkasi gambar terjadi karena fakta bahwa setiap sinar yang datang pada permukaan kristal sesuai dengan dua sinar yang dibiaskan. pada gambar. 134 menunjukkan kasus ketika sinar datang tegak lurus dengan permukaan kristal; kemudian sinar o, yang disebut biasa, melewati kristal yang tidak dibiaskan, dan sinar O, yang disebut luar biasa, berjalan sepanjang garis putus-putus yang ditunjukkan pada gambar. 134.

Beras. 134. Jalur sinar dalam birefringence.

Nama-nama sinar sudah jelas: sinar biasa berperilaku seperti yang kita harapkan berdasarkan hukum pembiasan yang diketahui. Sinar luar biasa, seolah-olah, melanggar hukum-hukum ini: ia jatuh sepanjang garis normal ke permukaan, tetapi mengalami pembiasan. Kedua sinar keluar dari kristal sebagai bidang terpolarisasi, dan mereka terpolarisasi dalam bidang yang saling tegak lurus. Ini dapat dengan mudah diverifikasi dengan eksperimen yang sangat sederhana. Mari kita ambil beberapa penganalisis (misalnya, kaki) dan melihat melalui gambar bercabang yang diberikan oleh kristal. Pada posisi kaki tertentu, kita hanya akan melihat satu gambar, yang kedua akan dibatalkan. Ketika kaki berputar 90° di sekitar garis pandang, gambar kedua ini akan muncul, tetapi yang pertama akan hilang. Jadi, kami benar-benar yakin bahwa kedua gambar terpolarisasi dan persis seperti yang baru saja ditunjukkan.

Sangat mengherankan bahwa pada tahun 1808 Malus secara tidak sengaja melakukan eksperimen serupa dan menemukan polarisasi cahaya ketika dipantulkan dari kaca. Melihat melalui sepotong tiang Islandia pada pantulan matahari terbenam di jendela Istana Luksemburg di Paris, dia terkejut menemukan bahwa dua gambar yang dihasilkan dari pembiasan ganda memiliki kecerahan yang berbeda. Memutar kristal, Malus melihat bahwa gambar-gambar itu secara bergantian menjadi lebih cerah, lalu memudar. Malus pada awalnya berpikir bahwa fluktuasi sinar matahari di atmosfer mempengaruhi di sini, tetapi dengan awal malam dia mengulangi percobaan dengan cahaya lilin yang dipantulkan dari permukaan air, dan kemudian kaca. Namun, dalam kedua kasus, efeknya dikonfirmasi. Malus memiliki istilah "polarisasi" cahaya.

Sekarang mari kita beralih ke analisis yang lebih rinci tentang fenomena pembiasan ganda. Jika kita mengubah sudut datang berkas pada permukaan kristal, maka sifat baru yang luar biasa dari berkas luar biasa akan terungkap. Ternyata indeks biasnya tidak konstan, tetapi tergantung pada sudut datang. Karena arah sinar bias dalam kristal juga bergantung pada sudut datang, sifat ini juga dapat dirumuskan sebagai berikut: indeks bias sinar luar biasa bergantung pada arahnya dalam kristal. Melewati, akhirnya, dari indeks bias ke kecepatan rambat, kita dapat mengatakan bahwa kecepatan sinar luar biasa dalam kristal tergantung pada arah rambatnya.

Dalam formulasi akhir ini, sifat optik kristal bertepatan dengan sifat lainnya: konstanta dielektrik, konduktivitas termal, dan elastisitas kristal juga tidak sama dalam arah yang berbeda. Korespondensi antara anisotropi sifat optik dan listrik kristal menjadi cukup jelas jika kita ingat bahwa kecepatan cahaya berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari konstanta dielektrik medium. Oleh karena itu, sebenarnya, kecepatan rambat gelombang cahaya tidak bergantung pada arah rambat, tetapi pada arah medan listrik gelombang cahaya. Bahkan jika dua gelombang cahaya terpolarisasi dalam bidang yang saling tegak lurus merambat dalam arah yang sama dalam kristal, kecepatannya akan berbeda (dengan pengecualian beberapa kasus khusus). Contoh dari dua gelombang tersebut adalah sinar luar biasa dan sinar biasa.

Jika, dari suatu titik yang terletak di permukaan spar Islandia, kita menggambar vektor-vektor jari-jari di dalam kristal, yang besarnya sebanding dengan kecepatan cahaya dalam arah yang sesuai, maka ujung-ujungnya akan terletak di permukaan ellipsoid dari revolusi. Ini setara dengan fakta bahwa permukaan gelombang osilasi cahaya yang merambat dari suatu titik memiliki bentuk elips, berbeda dengan bentuk bola ketika merambat dalam tubuh amorf. Sepanjang waktu, tentu saja, kita berbicara tentang sinar yang luar biasa. Sinar biasa jelas membentuk permukaan gelombang bola. Jadi, dalam kristal kita memiliki dua jenis permukaan gelombang: ellipsoid dan bola. Elipsoid dan bola ini bersentuhan pada titik-titik yang terletak pada garis lurus, yang disebut sumbu optik kristal.

Jelas bahwa cahaya merambat ke arah sumbu optik dengan kecepatan yang sepenuhnya independen dari keadaan polarisasi. Di spar Islandia, hanya ada satu arah sumbu optik - kristal uniaksial.

Menggunakan metode grafis sederhana berdasarkan prinsip Huygens, kami membangun gelombang bias dari sinar biasa dan luar biasa. Satu gelombang akan menyinggung serangkaian bola dasar, yang lain akan menyinggung serangkaian ellipsoid. Kita melihat bahwa suatu sudut terbentuk di antara dua gelombang bidang ini, yang sesuai dengan pembentukan sudut antara sinar-sinar yang dibiaskan, yaitu birefringence.

Beras. 5. Konstruksi Huygens dalam kristal.

Berbeda dengan medium isotropik dalam kristal, sinar (luar biasa) tidak lagi normal terhadap permukaan gelombang. pada gambar. 5 o menunjukkan sinar biasa, e luar biasa dan n normal.

Namun, ada juga arah dalam kristal spar Islandia, di mana sinar biasa dan sinar luar biasa bergerak dengan kecepatan yang sama, tanpa berpisah. Arah ini disebut sumbu optik kristal. Jelas bahwa titik-titik kontak ellipsoid dengan bola terletak pada sumbu optik. Pada bidang yang tegak lurus terhadap sumbu optik, terdapat arah-arah dimana perbedaan kecepatan antara sinar-sinar biasa dan sinar-sinar luar biasa maksimum. Sinar biasa dan luar biasa menuju ke arah yang sama, tetapi sinar luar biasa menyalip yang biasa.

Setiap bidang yang melewati sumbu optik disebut bagian utama atau bidang utama kristal.

Selain spar Islandia, kristal uniaksial termasuk, misalnya, kuarsa dan turmalin. Ada kristal di mana fenomena pembiasan mematuhi hukum yang bahkan lebih kompleks. Secara khusus, bagi mereka ada dua arah di mana kedua balok bergerak dengan kecepatan yang sama, oleh karena itu kristal semacam itu disebut biaksial (misalnya, gipsum). Dalam kristal biaksial, kedua berkas sinarnya luar biasa, yaitu, kecepatan rambat kedua berkas bergantung pada arahnya.

Turmalin memiliki kemampuan luar biasa untuk menyerap salah satu sinar yang dihasilkan oleh birefringence, karena itu kristal turmalin berfungsi sebagai polarizer, sekaligus memberikan sinar terpolarisasi tunggal.

Kembali pada tahun 1850, Herapat menemukan bahwa kristal kina iodida sulfat yang dibuat secara artifisial memiliki sifat yang sama dengan turmalin.

Beras. 6. Penggunaan polaroid.

Namun, kristal individu terlalu kecil dan cepat rusak di udara. Hanya pada tahun-tahun terakhir ini mereka belajar bagaimana membuat film seluloid dalam skala industri, di mana sejumlah besar kristal kina iodida sulfat yang berorientasi identik diperkenalkan. Film ini disebut polaroid.

Polaroid sepenuhnya mempolarisasi cahaya, tidak hanya melewati garis normal ke permukaannya, tetapi mempertahankan sifatnya untuk sinar yang membentuk sudut hingga 30° dengan normal. Dengan demikian, polaroid dapat mempolarisasi kerucut sinar cahaya yang cukup lebar.

Polaroid telah menemukan aplikasi yang luas di berbagai bidang. Mari kita tunjukkan aplikasi Polaroid yang paling aneh dalam bisnis otomotif.

Pelat polaroid dipasang di kaca depan mobil (Gbr. 6) dan di lampu depan mobil. Pelat polaroid di kaca depan adalah penganalisis, pelat di lampu depan adalah polarizer. Bidang polarisasi lempeng membentuk sudut 45° dengan cakrawala dan sejajar satu sama lain. Pengemudi, melihat jalan melalui polaroid, melihat cahaya yang dipantulkan dari lampu depannya, yaitu, melihat jalan yang diterangi olehnya, karena bidang polarisasi yang sesuai adalah paralel, tetapi tidak melihat cahaya dari lampu depan mobil yang melaju. , yang juga dilengkapi dengan pelat polaroid. Dalam kasus terakhir, seperti yang dapat dengan mudah dilihat dari Gambar. 6, bidang polarisasi akan saling tegak lurus. Dengan demikian, pengemudi terlindungi dari efek menyilaukan lampu depan mobil yang melaju.

Kacamata terbuat dari polaroid, di mana silau cahaya yang dipantulkan dari permukaan mengkilap menjadi tidak terlihat. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa silau biasanya sebagian atau seluruhnya terpolarisasi. Kacamata polaroid sangat disarankan untuk digunakan di museum dan galeri seni (permukaan lukisan yang dicat dengan cat minyak sering memberikan silau yang menyulitkan untuk melihat lukisan dan mendistorsi corak warna).

Salah satu polarizer yang paling umum adalah yang disebut prisma Nicol, atau hanya Nicol.

Beras. 7. Bagian prisma Nicol.

Prisma Nicol adalah kristal spar Islandia yang digergaji secara diagonal dan direkatkan dengan balsam Kanada (Gbr. 7). Dalam prisma Nicol, salah satu sinar yang dihasilkan dari pembiasan ganda dihilangkan dengan cara yang sangat cerdik. Sinar biasa, yang dibiaskan lebih kuat, jatuh di perbatasan dengan balsam Kanada pada sudut datang yang lebih besar daripada sinar luar biasa. Karena balsam Kanada memiliki indeks bias yang lebih rendah daripada spar Islandia, pemantulan internal total terjadi dan sinar mengenai permukaan samping. Wajah samping ditutupi dengan cat hitam dan menyerap sinar yang jatuh di atasnya. Jadi, hanya satu berkas terpolarisasi bidang (luar biasa) yang keluar dari prisma. Bidang polarisasi berkas ini disebut bidang Nicol utama.

Dua nicols yang terletak satu di belakang yang lain, dengan bidang utama yang saling tegak lurus, jelas, tidak membiarkan cahaya masuk sama sekali. Jika bidang utama sejajar, maka jumlah maksimum cahaya akan melewati nicols. Timbul pertanyaan berapa banyak cahaya yang akan dilewatkan oleh kombinasi nicols seperti itu pada suatu posisi menengah, ketika sudut a antara bidang-bidang utama lebih besar dari nol, tetapi kurang dari 90°.

Karena setiap polarisator, seperti yang telah kami katakan, dapat dibandingkan dengan celah yang hanya mentransmisikan osilasi yang terletak pada bidangnya, prosedur untuk menghitung intensitas cahaya yang ditransmisikan melalui dua nikol menjadi jelas. Untuk tujuan ini, kami menggambarkan bidang utama nicols dalam bentuk garis lurus I u II (Gbr. 138). Kemudian osilasi yang muncul dari nicol pertama bertepatan dengan I, dan jika kita menguraikannya menjadi dua komponen (satu bertepatan dengan II dan yang kedua tegak lurus), maka komponen pertama akan lulus sepenuhnya, dan yang kedua, jelas, akan tertunda. oleh nikol. Besarnya amplitudo yang merupakan osilasi dalam arah II, seperti dapat dilihat dari gambar, sama dengan A di mana A adalah amplitudo osilasi yang keluar dari nikol pertama. Komponen ini, seperti yang baru saja kita katakan, akan berlalu sepenuhnya; akibatnya, ini akan menjadi amplitudo osilasi yang telah melewati dua nicols.

Beras. 8. Untuk perhitungan energi yang telah melewati dua nikotin.

Energi gelombang cahaya, seperti osilasi apa pun, sebanding dengan kuadrat amplitudo; oleh karena itu, akhirnya, untuk energi cahaya yang telah melewati dua nicol, kami memiliki rumus berikut - hukum Malus:

di mana saya berubah dari ke 0 saat berubah dari 0 menjadi . Jadi, dengan memutar salah satu nikotin, kita dapat melemahkan cahaya yang ditransmisikan beberapa kali dan mendapatkan cahaya dengan intensitas berapa pun.

Hukum Malus jelas berlaku untuk setiap polarizer dan analyzer. Secara khusus, intensitas cahaya yang dipantulkan berturut-turut dari dua cermin kaca mematuhi hukum yang sama.

Jika prisma Nicol berfungsi untuk memperoleh satu berkas terpolarisasi, maka prisma Wollaston menghasilkan dua berkas terpolarisasi pada bidang yang saling tegak lurus dan disusun secara simetris terhadap sinar datang. Desain prisma Wollaston sangat cerdik dan menunjukkan dengan sangat jelas bagaimana kecepatan rambat sinar dalam kristal bergantung pada arah bidang polarisasinya.

Beras. 9. Prisma Wollaston.

Prisma Wollaston terdiri dari dua potong tiang spar Islandia yang dipotong sejajar dengan sumbu optik dan direkatkan bersama sehingga sumbu optik salah satu bagian tegak lurus terhadap sumbu optik bagian lainnya. pada gambar. 9, sumbu optik bagian kanan sejajar dengan bidang gambar, dan sumbu optik bagian kiri tegak lurus terhadapnya.

Berkas cahaya yang datang biasanya pada batas atas dibagi menjadi dua berkas: berkas biasa dengan bidang polarisasi sejajar sumbu optik, dan berkas luar biasa terpolarisasi dalam arah tegak lurus. Kedua sinar berjalan dalam arah yang sama, tetapi dengan kecepatan yang berbeda ditentukan oleh indeks bias dan . Setelah mencapai antarmuka dengan bidak kedua, kedua balok berubah peran. Bidang polarisasi balok biasa (pada potongan pertama) sudah menjadi tegak lurus terhadap sumbu optik (pada potongan kedua), oleh karena itu, balok pada potongan kedua ini akan merambat sebagai luar biasa. Sebaliknya, sinar luar biasa pada potongan pertama akan menjadi biasa pada potongan kedua, karena bidang polarisasinya sejajar dengan sumbu optik potongan ini. Jadi, satu berkas (biasa pada bagian pertama) berpindah dari media dengan indeks bias ke media dengan indeks bias, yang lain (luar biasa pada bagian pertama) - dari media ke media dengan . Spar Islandia memiliki lebih banyak. Akibatnya, sinar pertama berpindah dari media yang lebih padat ke media yang kurang padat, yang kedua - sebaliknya. Akibatnya, satu balok akan dibiaskan pada batas ke kiri, dan yang lain sama banyaknya ke kanan, dan dua balok terpolarisasi akan masuk secara simetris dari prisma.

Pada tahun 1669 Fisikawan dan matematikawan Denmark Erasmus Bartholin menerbitkan hasil eksperimen dengan kristal spar Islandia (kalsit CaCO 3), di mana "pembiasan luar biasa dan aneh" ditemukan. Inti dari fenomena fisik ini, yang disebut birefringence, diilustrasikan pada Gambar 8.

Seberkas cahaya alami yang jatuh pada kristal dibagi di dalamnya menjadi dua berkas: biasa(o) mematuhi hukum pembiasan; dan tidak biasa(e), yang , dan tergantung pada sudut datang dan pada pilihan wajah pembiasan kristal (Gbr. 8a).

Berkas cahaya luar biasa tidak mematuhi hukum pembiasan biasa dan dapat dibelokkan bahkan ketika cahaya biasanya mengenai kristal (Gbr. 8b).

Sinar biasa dan luar biasa umumnya merambat dalam kristal dalam arah yang berbeda, dengan kecepatan yang berbeda, dan terpolarisasi linier.

Mari kita pertimbangkan fenomena birefringence dari sudut pandang teori elektromagnetik dari cahaya yang merambat dalam media anisotropik.

media optik anisotropik.

Sifat optik suatu zat (permitivitas dielektrik, indeks bias n, kecepatan fase gelombang v=c/n dan lain-lain) ditentukan oleh sifat molekul dan atom, pengaturan timbal baliknya, dan sifat interaksi antara mereka dan dengan elektromagnetik. medan gelombang cahaya.

Jika sifat-sifat suatu zat tidak bergantung pada arah osilasi vektor dalam gelombang cahaya, maka mediumnya adalah isotropik optik. Zat amorf, seperti kaca biasa, dan kristal kubik biasanya isotropik.

Rabu disebut optik anisotropik, jika sifat-sifatnya bergantung pada arah rambat dan polarisasi gelombang elektromagnetik. Kristal anisotropik optik disebut "kristal birefringent".

Gelombang biasa dan luar biasa.

Kami membatasi diri untuk mempertimbangkan kristal anisotropik, sifat optik yang memiliki simetri rotasi tentang salah satu arah dalam kristal, yang disebut sumbu optik. Kristal seperti itu disebut uniaksial.

Bidang di mana sumbu optik dan vektor gelombang dari gelombang cahaya terletak disebut bagian utama dari kristal.

Osilasi vektor tegak lurus terhadap bagian utama kristal.

Dalam hal ini (Gbr. 9a), kristal berperilaku sebagai media isotropik dengan indeks bias .

Gelombang terpolarisasi linier, di mana osilasi vektor terjadi tegak lurus terhadap bagian utama (), dan kecepatan fase disebut biasa(biasa).

Misalkan ada sumber cahaya titik S dalam kristal, yang memancarkan gelombang biasa (Gbr. 9b). Osilasi vektor , ditunjukkan oleh titik-titik, terjadi tegak lurus terhadap bagian utama - bidang ZX. Ke segala arah dari sumber S, kecepatan fase adalah . Situasi tidak akan berubah jika kita mempertimbangkan setiap bidang lain yang diputar di sekitar sumbu optik O 1 O 2 . Menyisihkan ke segala arah segmen perambatan cahaya yang sama dengan jarak yang ditempuh per satuan waktu, kami memperoleh permukaan gelombang bola dari gelombang biasa dari sumber titik dengan jari-jari .

Osilasi vektor terjadi di bagian utama.

Mari kita pertimbangkan tiga kasus.

a) Vektor sejajar dengan sumbu optik (Gbr. 10 a). Kemudian

di mana l adalah panjang gelombang cahaya dalam ruang hampa.

Gelombang seperti itu merambat dalam arah sumbu optik memiliki kecepatan.

b) Vektor tegak lurus terhadap sumbu optik (Gbr. 3b). Pada kasus ini

Gelombang merambat dengan kecepatan.

c) Vektor terletak pada sudut terhadap sumbu optik (Gbr. 10 c)

Vektor terletak pada bidang bagian utama karena simetri rotasi. Tetapi karena , maka vektor tersebut tidak berhimpitan dengan arah vektor . Vektor gelombang tegak lurus terhadap vektor dan , tetapi tidak tegak lurus terhadap vektor . Gelombang tetap transversal terhadap osilasi vektor , yaitu, tetapi (lihat Gambar 10 c).

Perpindahan energi terjadi dalam arah vektor Poynting. Arah ini tidak bertepatan dengan arah vektor (arah gerak permukaan gelombang).

Ketika mengubah arah rambat gelombang terpolarisasi linier, di mana osilasi terjadi di bidang bagian utama, kecepatan fase tergantung pada arah rambat dan bervariasi dari ke (, ). Gelombang seperti ini disebut luar biasa (luar biasa).

Dalam kasus sumber cahaya titik S yang terletak di dalam kristal dan memancarkan gelombang yang luar biasa, dengan mengesampingkan jarak yang ditempuh gelombang dalam arah yang berbeda per satuan waktu, kita memperoleh permukaan gelombang elips dengan semi-sumbu dan (Gbr. 11d).

Sepanjang sumbu optik, gelombang biasa dan luar biasa merambat dengan kecepatan yang sama, sama (lihat Gambar 9b dan Gambar 10d).

Kristal uniaksial positif dan negatif.

Alih-alih permukaan gelombang untuk gelombang biasa dan luar biasa dalam kristal uniaksial (lihat Gambar 9 b) dan 10 d)) seseorang dapat membangun permukaan dengan nilai indeks bias. Tergantung pada rasio antara dan (atau dan), kristal negatif dan positif dibedakan (Gbr. 11).

Kristal uniaksial disebut:

negatif, jika (Gbr. 11 a),

positif jika (Gbr. 11 b).

demonstrasi kuliah

Eksperimen lapangan

1. Refraksi ganda.

Video demo

2. Film pendidikan: "Polarisasi cahaya", Fragmen 3 - "Polarisasi pada birefringence". Orang-orang berikut mengerjakan film tersebut: E. Osmolovskaya, I. Wasserman, dan lainnya. A A. Durasi Fragmen Zhdanova: 6 menit.

3. Tampilan demonstrasi komputer.

Model1. Ilustrasi pengoperasian record dalam setengah gelombang, seperempat gelombang, dan panjang gelombang.

Gambar 13

Konstruktor optik untuk mempelajari cahaya terpolarisasi:

1 – elips polarisasi pada masukan ke sistem; 2 – jendela parameter; 3,5-polaroid; 4 - pelat birefringent; 6 - elips polarisasi pada keluaran sistem optik.

a) pemilihan satu atau lebih gelombang cahaya di pintu masuk ke sistem optik; b) seleksi pada input gelombang yang sama untuk semua; c), f) polaroid (lepaskan, pasang, putar); d) pelat birefringent (sub-item "Tebal" - perubahan parameter , sub-item "Dalam" - pengamatan perubahan elips polarisasi di dalam pelat); f) dimulainya percobaan komputer.

Model2. kecepatan kelompok.

Gambar 14. Perambatan paket gelombang dalam media dengan hukum dispersi yang berbeda.

1 – jendela untuk memilih amplitudo masing-masing dari tiga gelombang; 2 - grafik hukum dispersi yang dipilih, di mana tanda warna yang sesuai menunjukkan frekuensi masing-masing dari tiga gelombang; 3 - jendela di mana pergerakan masing-masing dari tiga gelombang ditampilkan; 4 - jendela di mana pergerakan amplop (jumlah) dari tiga gelombang ditampilkan; 5 - label yang menunjukkan kecepatan fase komponen spektral individu dan kecepatan grup jumlah mereka.

a) - awal demonstrasi; b) – perubahan parameter komponen spektral; c) – pilihan hukum dispersi.

pada gambar 14 menunjukkan tampilan umum layar program yang dirancang untuk mempelajari propagasi simultan dalam media dispersif dari sinyal yang mengandung tiga komponen spektral. Kelompok gelombang sederhana seperti itu memungkinkan kita untuk menggambarkan konsep kecepatan kelompok dan hubungannya dengan kecepatan fase. Hukum dispersi linier digunakan. Program ini memungkinkan Anda untuk mengubah frekuensi (ditunjukkan pada grafik di jendela 2) dan amplitudo dari ketiga komponen spektral (jendela 1), serta konstanta a dan d dalam hukum dispersi (jendela 2). Parameter diubah menggunakan tombol menu "Parameter". Setelah menekan tombol "Mulai" di jendela 3 dalam mode dinamis, Anda dapat mengamati pergerakan ketiga gelombang secara terpisah, dan di jendela 4 - pergerakan seluruh kelompok gelombang secara keseluruhan, yaitu jumlah mereka. Untuk memudahkan pengamatan, tanda khusus dari warna yang sesuai (5) ditampilkan di layar, yang menunjukkan kecepatan fase komponen spektral dan tanda putih terpisah yang menunjukkan kecepatan grup.

Program ini memungkinkan Anda untuk mereproduksi di layar tampilan model kinematik dari sekelompok gelombang yang merambat dalam media dengan hukum dispersi normal dan anomali.

bahan pendidikan

Sastra utama

1. Saveliev I. V. Kursus fisika umum, buku. 3. - M.: Astrel Publishing House LLC, AST Publishing House LLC, 2004, 6.3-6.8, 7.1-7.5.

2. I. E. Irodov, Proses Gelombang. Hukum Dasar: Buku Ajar untuk Sekolah Menengah Atas. – M.: Binom. Lab Pengetahuan Dasar, 2007, 6.3-6.7, 7.1-7.5.

literatur tambahan

3. Sivukhin D.V. Mata kuliah umum fisika. v. 4. M.: FIZMATLIT, 2009, 84, 90.

4. Landsberg G.S. Optik. -M.,: FIZMATLIT, 2003, 156, 157, 159-160, 168.

5. Losev V.V. Fenomena optik. Teori dan eksperimen. Buku Teks, M., 2002, 4.2.

Sumber informasi dan referensi

6. [Sumber daya elektronik].-M.: Koleksi sumber daya elektronik MIET, 2007.- Mode akses: http://orioks.miet.ru/oroks-miet/srs.shtml

7. Program pelatihan. “Fisika Terbuka 2.6. Bagian 2":

http://www.fisika.ru/

http://www.physics.ru/courses/op25part2/design/index.htm

8. Pusat Ilmiah "FISIKA": tentu saja "Optik Gelombang pada Komputer"

http://college.ru/WaveOptics/content/chapter1/section1/paragraph1/theory.html

9. Disk atau program "Fisika dalam animasi"

http://fisika.nad.ru/

http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/optics.htm

Ketika cahaya melewati beberapa kristal, berkas cahaya terbagi menjadi dua berkas. Fenomena ini disebut pembiasan ganda. Birefringence adalah bifurkasi berkas cahaya ketika melewati media optik anisotropik, karena ketergantungan indeks bias (dan, akibatnya, kecepatan gelombang) pada polarisasi dan orientasi vektor gelombang relatif terhadap sumbu kristalografi. Jika seberkas cahaya sempit diarahkan ke kristal spar Islandia, maka dua sinar yang terpisah secara spasial akan keluar dari kristal sejajar satu sama lain dan dengan sinar datang - biasa (o) dan luar biasa (e). Berkas sinar biasa memenuhi hukum bias biasa dan terletak pada bidang yang sama dengan sinar datang dan normal terhadap antarmuka pada titik datang. Untuk sinar luar biasa, rasio tergantung pada sudut datang. Selain itu, sinar luar biasa biasanya tidak terletak pada bidang yang sama dengan sinar datang dan normal ke antarmuka. Percobaan menunjukkan bahwa sinar yang muncul dari kristal terpolarisasi bidang dalam arah yang saling tegak lurus. Fenomena birefringence diamati untuk semua kristal transparan, kecuali kristal sistem kubik. Kristal uniaksial memiliki arah di mana cahaya merambat tanpa membelah menjadi dua sinar. Arah ini disebut sumbu optik kristal. Setiap bidang yang melalui sumbu optik disebut bagian utama atau bidang utama kristal. Bidang yang melewati balok dan memotong sumbu optiknya disebut bidang utama (bagian utama) dari kristal uniaksial untuk balok ini. Bidang osilasi balok biasa tegak lurus terhadap bagian utama kristal. Osilasi vektor dalam sinar luar biasa terjadi di bidang utama kristal. Selain uniaksial, ada kristal biaksial, yang memiliki dua arah di mana cahaya tidak dibagi menjadi dua sinar. Dalam kristal biaksial, kedua sinar itu luar biasa.

Birefringence dijelaskan oleh anisotropi kristal. Dalam kristal sistem non-kubik, permitivitas tergantung pada arah. Vektor sinar biasa selalu tegak lurus terhadap sumbu optik kristal (tegak lurus dengan bagian utama). Oleh karena itu, untuk setiap arah rambat berkas biasa, kecepatan gelombang cahaya akan sama, indeks bias kristal untuk berkas biasa tidak bergantung pada arah berkas dalam kristal dan sama dengan Vektor sinar luar biasa berosilasi di bidang utama kristal, dapat membuat sudut dengan sumbu optik dari 0 hingga Oleh karena itu, kecepatan rambat cahaya sepanjang sinar luar biasa dan indeks bias kristal untuk sinar luar biasa bergantung pada arah sinar ini sehubungan dengan sumbu optik. Ketika cahaya merambat sepanjang sumbu optik, kedua berkas bertepatan, kecepatan cahaya tidak tergantung pada arah osilasi vektor (di kedua balok vektor tegak lurus terhadap sumbu optik), indeks bias sinar luar biasa bertepatan dengan indeks bias sinar biasa: Ketika cahaya merambat ke arah lain, kecepatan dan indeks biasnya di sepanjang sinar luar biasa berbeda dari nilai yang sesuai untuk sinar biasa. Perbedaan terbesar diamati pada arah tegak lurus sumbu optik. Ke arah ini di mana adalah kecepatan sinar luar biasa dalam arah ini. Indeks bias sinar luar biasa diambil sebagai nilai arah rambat tegak lurus terhadap sumbu optik kristal. Ada kristal uniaksial positif dan negatif. Untuk kristal positif > (< ), у отрицательных – < ( > ).

Dalam beberapa kristal, salah satu sinar diserap lebih kuat dari yang lain. Fenomena ini disebut dikroisme .

Menggunakan prinsip Huygens, seseorang dapat secara grafis memplot permukaan gelombang sinar biasa dan luar biasa. Gambar tersebut menunjukkan permukaan gelombang sinar yang berpusat di titik 2 untuk momen ketika muka gelombang dari gelombang datang mencapai titik 1 . Sepanjang sumbu optik, kedua berkas merambat pada kecepatan yang sama. Permukaan gelombang untuk sinar biasa yang memancar dari suatu titik 2 , sebuah bola (di bagian pesawat - lingkaran), untuk luar biasa - ellipsoid (di bagian pesawat - elips). Amplop semua gelombang sekunder yang pusatnya berada di antara titik-titik 1 dan 2 , adalah pesawat. Bagian depan gelombang biasa adalah garis singgung dari suatu titik 1 ke lingkaran; muka gelombang luar biasa adalah garis singgung dari suatu titik 1 ke elips. Untuk sinar biasa, arah rambat energi gelombang cahaya bertepatan dengan normal ke permukaan gelombang; sinar biasa tegak lurus permukaan gelombang. Untuk sinar luar biasa, arah rambat energi tidak bertepatan dengan normal ke permukaan gelombang; sinar luar biasa melewati titik di mana muka gelombang menyentuh elips.

Fenomena pembiasan ganda. Sifat sinar biasa dan sinar luar biasa.

Hampir semua dielektrik transparan bersifat anisotropik optik, yaitu, sifat cahaya yang melewatinya bergantung pada arahnya. Sifat fisik anisotropi dikaitkan dengan fitur struktural molekul dielektrik atau fitur kisi kristal, di simpul yang ada atom atau ion.

Karena anisotropi kristal, ketika cahaya melewatinya, terjadi fenomena yang disebut birefringence

Birefringence disebabkan oleh kecepatan rambat gelombang cahaya yang tidak sama dalam arah yang berbeda. Pada titik datangnya cahaya alami, terbentuk dua gelombang cahaya. Satu merambat dalam kristal ke segala arah dengan kecepatan yang sama - ini adalah sinar biasa (depan gelombang bola). Di sisi lain, kecepatan di sepanjang arah sumbu optik kristal sama dengan kecepatan pada gelombang pertama, dan lebih banyak lagi di sepanjang arah yang tegak lurus terhadap sumbu optik. Ini adalah sinar yang luar biasa (depan gelombang memiliki bentuk ellipsoidal).

Kami akan fokus pada apa yang disebut kristal uniaksial. Dalam kristal uniaksial, salah satu sinar yang dibiaskan mematuhi hukum pembiasan biasa. Itu disebut biasa. Sinar lain disebut luar biasa, tidak mematuhi hukum pembiasan biasa. Bahkan dengan insiden normal berkas cahaya pada permukaan kristal, sinar yang luar biasa dapat menyimpang dari normal. Sebagai aturan, sinar luar biasa tidak terletak pada bidang datang. Jika Anda melihat benda-benda di sekitarnya melalui kristal seperti itu, maka setiap benda akan terbelah menjadi dua. Ketika kristal berputar di sekitar arah sinar datang, sinar biasa tetap tidak bergerak, dan sinar luar biasa akan bergerak di sekitarnya dalam lingkaran.

Kristal uniaksial termasuk, misalnya, kristal kalsit atau spar Islandia (). Dalam kristal uniaksial, ada arah yang lebih disukai di mana gelombang biasa dan luar biasa merambat tanpa pemisahan spasial dan pada kecepatan yang sama. Arah di mana tidak ada birefringence yang diamati disebut sumbu optik kristal. Harus diingat bahwa sumbu optik bukanlah garis lurus yang melewati beberapa titik kristal, tetapi arah tertentu dalam kristal. Setiap garis yang sejajar dengan arah ini adalah sumbu optik.

Sebuah studi tentang balok biasa dan luar biasa menunjukkan bahwa kedua balok sepenuhnya terpolarisasi bidang dalam arah yang saling tegak lurus. Osilasi dari vektor kuat medan listrik pada gelombang biasa terjadi pada arah tegak lurus bagian utama kristal untuk berkas sinar biasa. Dalam gelombang luar biasa, vektor intensitas berosilasi dalam bidang yang bertepatan dengan bagian utama untuk sinar luar biasa.

pada gambar. 5.15 menunjukkan arah osilasi dari vektor intensitas di kedua balok.

Dapat dilihat dari gambar bahwa dalam hal ini bidang osilasi sinar biasa dan sinar luar biasa saling tegak lurus. Perhatikan bahwa ini diamati untuk hampir semua orientasi sumbu optik, karena sudut antara sinar biasa dan luar biasa sangat kecil.

Pada keluaran kristal, kedua berkas berbeda satu sama lain hanya dalam arah polarisasi, sehingga nama "biasa" dan "luar biasa" hanya masuk akal di dalam kristal.

Seperti yang Anda ketahui, indeks bias Akibatnya, dari anisotropi e dapat disimpulkan bahwa gelombang elektromagnetik dengan arah osilasi vektor yang berbeda sesuai dengan nilai indeks bias yang berbeda . Oleh karena itu, kecepatan gelombang cahaya tergantung pada arah osilasi vektor cahaya. Dalam berkas biasa, osilasi vektor cahaya terjadi dalam arah tegak lurus terhadap bagian utama kristal, oleh karena itu, untuk setiap arah berkas biasa, ia membentuk sudut siku-siku dengan sumbu optik kristal dan kecepatan gelombang cahaya akan sama, sama dengan .

Kristal uniaksial dicirikan oleh indeks bias sinar biasa sama dengan , dan indeks bias sinar luar biasa yang tegak lurus terhadap sumbu optik, sama dengan . Besaran yang terakhir disebut indeks bias sinar luar biasa. Untuk spar Islandia, . Perhatikan bahwa nilai dan bergantung pada panjang gelombang.

Indeks bias, dan, akibatnya, kecepatan rambat untuk sinar biasa n Hai tidak bergantung pada arah kristal. Berkas sinar biasa merambat dalam kristal menurut hukum optik geometris biasa.

Untuk sinar luar biasa, indeks bias bervariasi dari n Hai dalam arah sumbu optik hingga n e dalam arah tegak lurus terhadapnya. Jika sebuah n e > n Hai, maka kristal disebut positif, dengan rasio terbalik n e < n Hai- negatif.

Dari sudut pandang prinsip Huygens, dengan birefringence pada setiap titik pada permukaan gelombang yang mencapai permukaan kristal, tidak satu gelombang sekunder muncul, seperti pada media biasa, tetapi secara bersamaan dua gelombang merambat dalam kristal. Kecepatan rambat gelombang biasa adalah sama ke segala arah. Kecepatan rambat gelombang luar biasa dalam arah sumbu optik bertepatan dengan kecepatan gelombang biasa, tetapi berbeda dalam arah lain.