Os fenômenos de interferência e difração da luz confirmam sua natureza ondulatória. No início do século XIX, T. Jung e O. Fresnel, tendo criado a teoria ondulatória da luz, consideravam as ondas de luz longitudinais, ou seja, semelhantes às ondas sonoras. Para fazer isso, eles tiveram que introduzir algum tipo de ambiente hipotético chamado éter, em que ocorreu a propagação de ondas de luz longitudinais. Naquela época, parecia incrível que a luz fosse ondas transversais, pois, por analogia com as ondas mecânicas, seria preciso supor que o éter é um corpo sólido (ondas mecânicas transversais não podem se propagar em meio gasoso ou líquido). No entanto, já naquela época havia fatos que contradiziam a longitudinalidade das ondas de luz.

Na Idade Média, os marinheiros trouxeram pedras transparentes incomuns da Islândia, que mais tarde foram chamadas de mastro islandês. Sua singularidade reside no fato de que, se um pedaço de longarina islandesa for colocado em qualquer inscrição, através dela a inscrição será vista bifurcada.

Em 1669, o cientista dinamarquês Bartholin relatou resultados interessantes de seus experimentos com cristais de spar islandês. Ao passar por tal cristal, o feixe se divide em dois (Fig. 2.6.1). Esses raios são nomeados feixe comum e raio extraordinário, e o próprio fenômeno birrefringência.

Um raio comum obedece à lei ordinária da refração, e um raio extraordinário não obedece a esta lei. Os raios se dividiram em dois, mesmo quando normalmente incidiam sobre um cristal de mastro islandês. Se o cristal é girado em relação à direção do feixe original, então ambos os feixes que passaram pelo cristal são girados. Bartholin também descobriu que existe uma certa direção no cristal ao longo da qual o feixe incidente não se divide. No entanto, ele não conseguiu explicar esses fenômenos.

Alguns anos depois, esta descoberta de Bartholin atraiu a atenção de Huygens, que introduziu o conceito eixo óptico do cristal(Bartolin realmente descobriu).

O eixo óptico do cristal chamada de direção selecionada no cristal, ao longo da qual os raios ordinários e extraordinários se propagam sem se separar.

Em 1809, o engenheiro francês E. Malus realizou um experimento com cristais de turmalina (cristais transparentes esverdeados). Neste experimento, a luz passou sucessivamente através de duas placas de turmalina idênticas. Se a segunda placa for girada em relação à primeira, a intensidade da luz que passa pela segunda placa muda do valor máximo para zero (Fig. 2.6.2). Dependência da intensidade da luz EU do canto j entre os eixos ópticos de ambas as placas tem a forma:

(Lei de Malus ), (2.6.1)

Onde EU 0 é a intensidade da luz incidente.

Arroz. 2.6.3 uma. Arroz. 2.6.3 b.

Nem a birrefringência nem a lei de Malus podem ser explicadas no âmbito da teoria das ondas longitudinais de luz. Para ondas longitudinais, a direção de propagação do feixe é o eixo de simetria. Em uma onda longitudinal, todas as direções em um plano perpendicular ao feixe são iguais.

Para entender como uma onda transversal se comporta, considere uma onda viajando ao longo de uma corda em um plano vertical. Se uma caixa com uma ranhura vertical for colocada no caminho desta onda (Fig. 2.6.3 uma), então a onda passa livremente pelo slot. Se o slot na caixa estiver localizado horizontalmente, a onda não passará mais por ele (Fig. 2.6.3 b). Essa onda também é chamada plano polarizado, Porque vibrações nele ocorrem em um plano (vertical).

Experimentos com cristais de espato e turmalina islandesa permitiram provar que a onda de luz é transversal. T. Jung (1816) foi o primeiro a sugerir que as ondas de luz são transversais. Fresnel, independentemente de Jung, também apresentou o conceito de ondas de luz transversais, o fundamentou com numerosos experimentos e criou a teoria da birrefringência da luz nos cristais.

Em meados dos anos 60 do século XIX, Maxwell chegou à conclusão de que a luz é uma onda eletromagnética. Essa conclusão foi feita com base na coincidência da velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas, obtida da teoria de Maxwell, com o valor conhecido da velocidade da luz. Quando Maxwell concluiu que as ondas eletromagnéticas existiam, a natureza transversal das ondas de luz já havia sido comprovada experimentalmente. Portanto, Maxwell acreditava que a transversalidade das ondas eletromagnéticas é outra prova importante da natureza eletromagnética da luz.

Na teoria eletromagnética da luz, as dificuldades associadas à necessidade de introduzir um meio especial de propagação de ondas, o éter, que deveria ser considerado um corpo sólido, também desapareceram.

Em uma onda eletromagnética, os vetores e são perpendiculares entre si e estão em um plano perpendicular à direção de propagação da onda. Admite-se que o plano em que o vetor oscila é chamado plano de vibração, e o plano em que ocorrem as oscilações do vetor, plano de polarização. Como em todos os processos de interação da luz com a matéria o papel principal é desempenhado pelo vetor de força do campo elétrico, ele é chamado vetor de luz. Se, durante a propagação de uma onda eletromagnética, o vetor de luz mantém sua orientação, tal onda é chamada de polarizado linearmente ou plano polarizado.

A luz linearmente polarizada é emitida por lasers. No entanto, a luz emitida por fontes comuns (como luz solar, lâmpadas incandescentes, etc.) não é polarizada. Isso se deve ao fato de que os átomos emitem luz em trens separados, independentemente um do outro. Como resultado, o vetor na onda de luz resultante muda aleatoriamente sua orientação no tempo, de modo que, em média, todas as direções das oscilações são iguais.

Uma onda de luz na qual a direção de oscilação do vetor de luz muda caoticamente no tempo é chamada de natural ou luz não polarizada.

A luz natural, passando por um cristal de espato ou turmalina islandesa, é polarizada. O fenômeno da dupla refração da luz é explicado pelo fato de que em muitas substâncias cristalinas os índices de refração para duas ondas polarizadas perpendicularmente são diferentes. Portanto, o cristal bifurca os raios que passam por ele (Fig. 2.6.1). Dois feixes na saída do cristal são polarizados linearmente em direções mutuamente perpendiculares. Cristais em que ocorre birrefringência são chamados anisotrópico.

A luz pode se tornar polarizada quando refletida ou espalhada. Em particular, a luz azul do céu é parcial ou completamente polarizada. A polarização da luz refletida foi observada pela primeira vez por Malus quando ele olhou através de um cristal de verga islandesa para o reflexo do sol poente nas janelas do Palácio de Luxemburgo em Paris. Malus descobriu que a luz refletida é polarizada até certo ponto. O grau de polarização do feixe refletido depende do ângulo de incidência: na incidência normal, a luz refletida não é completamente polarizada, e quando incide em um ângulo chamado ângulo de polarização total ou ângulo de Brewster, o feixe refletido é 100% polarizado. Quando refletidos no ângulo de Brewster, os raios refletidos e refratados são perpendiculares entre si (Fig. 2.5.4). O feixe refletido é plano-polarizado paralelo à superfície.

Porque , e , então o ângulo de Brewster é encontrado pela fórmula .

A luz polarizada é amplamente utilizada em muitas áreas da tecnologia (por exemplo, para controle suave da luz, no estudo de tensões elásticas, etc.). O olho humano não distingue a polarização da luz, mas os olhos de alguns insetos, como as abelhas, a percebem.

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Hoje, na lição, vamos nos familiarizar com o fenômeno da polarização da luz. Vamos estudar as propriedades da luz polarizada. Vamos nos familiarizar com a prova experimental da transversalidade das ondas de luz.

Os fenômenos de interferência e difração não deixam dúvidas de que a luz que se propaga tem as propriedades das ondas. Mas que tipo de ondas - longitudinais ou transversais?

Por muito tempo, os fundadores da óptica ondulatória, Jung e Fresnel, consideraram as ondas de luz longitudinais, ou seja, semelhantes às ondas sonoras. Naquela época, as ondas de luz eram consideradas ondas elásticas no éter que preenchem o espaço e penetram em todos os corpos. Tais ondas, ao que parece, não poderiam ser transversais, pois as ondas transversais só podem existir em um corpo sólido. Mas como os corpos podem se mover no éter sólido sem encontrar resistência? Afinal, o éter não deve impedir o movimento dos corpos. Caso contrário, a lei da inércia não seria válida.

No entanto, gradualmente, mais e mais fatos experimentais foram acumulados, que não podiam ser interpretados de forma alguma, considerando as ondas de luz como longitudinais.

Experiências com turmalina

E agora, consideraremos em detalhes apenas um dos experimentos, muito simples e extremamente eficaz. Este é um experimento com cristais de turmalina (cristais verdes transparentes).

Se um feixe de luz de uma lâmpada elétrica ou do sol for direcionado normalmente para essa placa, a rotação da placa em torno do feixe não causará nenhuma alteração na intensidade da luz que passou por ela (Fig. 1. ). Você pode pensar que a luz foi apenas parcialmente absorvida pela turmalina e adquiriu uma cor esverdeada. Nada mais aconteceu. Mas isso não. A onda de luz adquiriu novas propriedades.

Essas novas propriedades são reveladas se o feixe for forçado a passar por um segundo, exatamente o mesmo cristal de turmalina (Fig. 2(a)), paralelo ao primeiro. Com os eixos dos cristais dirigidos de forma idêntica, novamente, nada de interessante acontece: o feixe de luz é simplesmente mais enfraquecido devido à absorção no segundo cristal. Mas se o segundo cristal for girado, deixando o primeiro imóvel, um fenômeno surpreendente será revelado - a extinção da luz. À medida que o ângulo entre os eixos aumenta, a intensidade da luz diminui. E quando os eixos são perpendiculares entre si, a luz não passa. É completamente absorvido pelo segundo cristal.

Uma onda de luz que oscila em todas as direções perpendiculares à direção de propagação é chamada de natural.

A luz na qual as direções de oscilação do vetor de luz são ordenadas de alguma forma é chamada polarizado.

Polarização da luz- esta é uma das propriedades fundamentais da radiação óptica (luz), consistindo na desigualdade de diferentes direções em um plano perpendicular ao feixe de luz (a direção de propagação da onda de luz).

Polarizadores- dispositivos que permitem obter luz polarizada.

Analisadores- dispositivos com os quais você pode analisar se a luz é polarizada ou não.

Esquema de operação do polarizador e analisador

Ondas de luz transversais

Dos experimentos descritos acima, dois fatos seguem:

em primeiro lugar que a onda de luz proveniente da fonte de luz é completamente simétrica em relação à direção de propagação (durante a rotação do cristal em torno do feixe no primeiro experimento, a intensidade não mudou).

Em segundo lugar que a onda que emerge do primeiro cristal não tenha simetria axial (dependendo da rotação do segundo cristal em relação ao feixe, obtém-se esta ou aquela intensidade da luz transmitida).

Intensidade da luz que sai do primeiro polarizador:

Intensidade da luz que passa pelo segundo polarizador:

Intensidade da luz que passa por dois polarizadores:

Vamos concluir: 1. A luz é uma onda transversal. Mas em um feixe de ondas incidente de uma fonte convencional, há oscilações de todas as direções possíveis, perpendiculares à direção de propagação da onda.

2. O cristal de turmalina tem a capacidade de transmitir ondas de luz com vibrações em um plano específico.

Modelo de polarização linear de uma onda de luz

Polaroids

Não apenas os cristais de turmalina são capazes de polarizar a luz. A mesma propriedade, por exemplo, tem as chamadas polaróides. Polaroidé um filme fino (0,1 mm) de cristais de herapatita depositados em uma placa de celulóide ou vidro. Com uma polaroid, você pode fazer os mesmos experimentos que com um cristal de turmalina. A vantagem das polaroids é que você pode criar grandes superfícies que polarizam a luz.

A desvantagem das Polaroids é a tonalidade roxa que elas dão à luz branca.

A difração e a interferência da luz confirmam a natureza ondulatória da luz. Mas as ondas podem ser longitudinais e transversais. Considere a seguinte experiência.

Polarização da luz

Passemos um feixe de luz através de uma placa retangular de turmalina, cuja face é paralela ao eixo do cristal. Não houve alterações visíveis. A luz se extinguiu apenas parcialmente na placa e adquiriu uma cor esverdeada.

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Agora depois de colocarmos outro prato após o primeiro. Se os eixos de ambas as placas estiverem alinhados, nada acontecerá. Mas se o segundo cristal começar a girar, a luz será extinta. Quando os eixos são perpendiculares, não haverá luz alguma. Será completamente absorvido pela segunda placa.

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Vamos tirar duas conclusões:

1. A onda de luz é simétrica em relação à direção de propagação.

2. Após passar pelo primeiro cristal, a onda deixa de ter simetria axial.

Isso não pode ser explicado do ponto de vista das ondas longitudinais. Portanto, a luz é uma onda transversal. O cristal de turmalina é uma polaroide. Ele transmite ondas de luz, cujas oscilações ocorrem em um plano. Essa propriedade é bem ilustrada na figura a seguir.

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Ondas de luz transversais e teoria eletromagnética da luz

A luz que é produzida após passar por uma polaróide é chamada de luz polarizada plana. Na luz polarizada, as vibrações ocorrem apenas em uma direção - a direção transversal.

A teoria eletromagnética da luz tem origem no trabalho de Maxwell. Na segunda metade do século 19, Maxwell provou teoricamente a existência de ondas eletromagnéticas que podem se propagar mesmo no vácuo.

E ele sugeriu que a luz também é uma onda eletromagnética. A teoria eletromagnética da luz baseia-se no fato de que a velocidade da luz e a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas são as mesmas.

No final do século 19, foi finalmente estabelecido que as ondas de luz surgem do movimento de partículas carregadas nos átomos. Com o reconhecimento dessa teoria, desapareceu a necessidade de um éter luminífero, no qual as ondas de luz se propagam. ondas de luz Estas não são ondas mecânicas, mas eletromagnéticas.

As oscilações de uma onda de luz consistem em oscilações de dois vetores: o vetor de intensidade e o vetor de indução magnética. A direção das oscilações do vetor de intensidade do campo elétrico é considerada a direção das oscilações nas ondas de luz.

onda transversal- uma onda que se propaga em uma direção perpendicular ao plano em que as partículas do meio oscilam (no caso de uma onda elástica) ou em que se encontram os vetores dos campos elétrico e magnético (no caso de uma onda eletromagnética).

As ondas transversais incluem, por exemplo, ondas em cordas ou membranas elásticas, quando o deslocamento de partículas nelas ocorre estritamente perpendicular à direção de propagação da onda, bem como ondas eletromagnéticas planas homogêneas em um dielétrico ou ímã isotrópico; neste caso, as oscilações transversais são realizadas pelos vetores dos campos elétrico e magnético.

A onda transversal tem polarização, ou seja, seu vetor de amplitude está orientado de uma certa maneira no plano transversal. Em particular, as polarizações lineares, circulares e elípticas são distinguidas dependendo da forma da curva que o final do vetor de amplitude descreve. O conceito de onda transversal, assim como de onda longitudinal, é de certa forma condicional e está associado à forma como é descrito. A "transversidade" e a "longitudinalidade" da onda são determinadas por quais quantidades são realmente observadas. Assim, uma onda eletromagnética plana pode ser descrita por um vetor hertziano longitudinal. Em vários casos, a divisão das ondas em longitudinais e transversais geralmente perde seu significado. Assim, em uma onda harmônica na superfície de águas profundas, as partículas do meio fazem movimentos circulares em um plano vertical passando pelo vetor de onda , ou seja, as oscilações das partículas têm componentes longitudinais e transversais.

Em 1809, o engenheiro francês E. Malus descobriu uma lei com o seu nome. Nos experimentos de Malus, a luz passou sequencialmente por duas placas idênticas de turmalina (uma substância cristalina transparente de cor esverdeada). As placas podem girar uma em relação à outra em um ângulo φ

A intensidade da luz transmitida acabou sendo diretamente proporcional ao cos2 φ:

O fenômeno de Brewster é usado para criar polarizadores de luz, e o fenômeno de reflexão interna total é usado para localizar espacialmente uma onda de luz dentro de uma fibra óptica. O índice de refração do material da fibra óptica excede o índice de refração do ambiente (ar), de modo que o feixe de luz dentro da fibra sofre reflexão interna total na interface entre a fibra e o meio e não pode ir além da fibra. Com a ajuda de uma fibra óptica, é possível enviar um feixe de luz de um ponto do espaço a outro ao longo de uma trajetória curvilínea arbitrária.

Atualmente, foram criadas tecnologias para a fabricação de fibras de quartzo com diâmetro de , que praticamente não apresentam defeitos internos e externos, e sua resistência não é inferior à do aço. Ao mesmo tempo, foi possível reduzir as perdas de radiação eletromagnética na fibra para um valor inferior a , e também reduzir significativamente a dispersão. Isso tornou possível em 1988. colocou em operação uma linha de comunicação de fibra óptica que ligava a América à Europa ao longo do fundo do Oceano Atlântico. Os FOCLs modernos são capazes de fornecer taxas de transferência de informações acima de .

Em uma alta intensidade de uma onda eletromagnética, as características ópticas do meio, incluindo o índice de refração, deixam de ser constantes e se tornam funções da radiação eletromagnética. O princípio da superposição para campos eletromagnéticos deixa de valer, e o meio é chamado de não linear. Na física clássica, o modelo é usado para descrever efeitos ópticos não lineares oscilador anarmônico. Neste modelo, a energia potencial de um elétron atômico é escrita como uma série em potências de deslocamento x do elétron em relação à sua posição de equilíbrio.