Fenomenele de interferență și difracție a luminii confirmă natura ondulatorie a acesteia. La începutul secolului al XIX-lea, T. Jung și O. Fresnel, după ce au creat teoria ondulatorie a luminii, au considerat undele luminoase ca fiind longitudinale, adică. asemănător undelor sonore. Pentru a face acest lucru, au trebuit să introducă un fel de mediu ipotetic numit eter, în care a avut loc propagarea undelor luminoase longitudinale. La acea vreme, părea incredibil că lumina sunt unde transversale, deoarece, prin analogie cu undele mecanice, ar trebui să presupunem că eterul este un corp solid (undele mecanice transversale nu se pot propaga într-un mediu gazos sau lichid). Cu toate acestea, deja în acel moment existau fapte care contraziceau longitudinalitatea undelor luminoase.

În Evul Mediu, marinarii aduceau din Islanda pietre transparente neobișnuite, care mai târziu au fost numite spatar islandez. Neobișnuința lor constă în faptul că, dacă o bucată de spate islandeză este pusă pe orice inscripție, atunci prin ea inscripția va fi văzută bifurcată.

În 1669, omul de știință danez Bartholin a raportat rezultate interesante din experimentele sale cu cristale spate islandeze. La trecerea printr-un astfel de cristal, fasciculul se împarte în două (Fig. 2.6.1). Aceste raze sunt numite fascicul obișnuitși fascicul extraordinar, și fenomenul în sine birefringenta.

O rază obișnuită se supune legii obișnuite a refracției, iar o rază extraordinară nu se supune acestei legi. Razele s-au împărțit în două chiar și atunci când au fost în mod normal incidente pe un cristal de spate islandeză. Dacă cristalul este rotit în raport cu direcția fasciculului original, atunci ambele fascicule care au trecut prin cristal sunt rotite. Bartholin a mai descoperit că există o anumită direcție în cristal de-a lungul căreia fasciculul incident nu se desparte. Cu toate acestea, el nu a putut explica aceste fenomene.

Câțiva ani mai târziu, această descoperire a lui Bartholin a atras atenția lui Huygens, care a introdus conceptul axa optică a cristalului(Bartolin chiar a descoperit-o).

Axa optică a cristalului numită direcția selectată în cristal, de-a lungul căreia razele obișnuite și extraordinare se propagă fără a se separa.

In 1809, inginerul francez E. Malus a efectuat un experiment cu cristale de turmalina (cristale verzui transparente). În acest experiment, lumina a fost trecută succesiv prin două plăci de turmalină identice. Dacă a doua placă este rotită în raport cu prima, atunci intensitatea luminii care trece prin a doua placă se schimbă de la valoarea maximă la zero (Fig. 2.6.2). Dependenta de intensitatea luminii eu din colt jîntre axele optice ale ambelor plăci are forma:

(legea lui Malus ), (2.6.1)

Unde eu 0 este intensitatea luminii incidente.

Orez. 2.6.3 A. Orez. 2.6.3 b.

Nici dubla refracție, nici legea lui Malus nu pot fi explicate în cadrul teoriei undelor luminoase longitudinale. Pentru undele longitudinale, direcția de propagare a fasciculului este axa de simetrie. Într-o undă longitudinală, toate direcțiile dintr-un plan perpendicular pe fascicul sunt egale.

Pentru a înțelege cum se comportă o undă transversală, luați în considerare o undă care se deplasează de-a lungul unui cordon într-un plan vertical. Dacă o cutie cu fantă verticală este plasată pe calea acestui val (Fig. 2.6.3 A), apoi valul trece liber prin fantă. Dacă fanta din cutie este situată orizontal, atunci valul nu mai trece prin el (Fig. 2.6.3). b). Acest val se mai numește plan polarizat, deoarece vibrațiile în el apar într-un singur plan (vertical).

Experimentele cu cristale de spart islandez și turmalină au făcut posibilă demonstrarea faptului că unda luminoasă este transversală. T. Jung (1816) a fost primul care a sugerat că undele luminoase sunt transversale. Fresnel, independent de Jung, a prezentat și conceptul undelor luminoase transversale, l-a fundamentat cu numeroase experimente și a creat teoria birefringenței luminii în cristale.

La mijlocul anilor '60 ai secolului XIX, Maxwell a ajuns la concluzia că lumina este o undă electromagnetică. Această concluzie a fost făcută pe baza coincidenței vitezei de propagare a undelor electromagnetice, care se obține din teoria lui Maxwell, cu valoarea cunoscută a vitezei luminii. Până la momentul în care Maxwell a concluzionat că există unde electromagnetice, natura transversală a undelor luminoase fusese deja dovedită experimental. Prin urmare, Maxwell credea că transversalitatea undelor electromagnetice este o altă dovadă importantă a naturii electromagnetice a luminii.

În teoria electromagnetică a luminii au dispărut și dificultățile asociate cu necesitatea introducerii unui mediu special pentru propagarea undelor - eterul, care trebuia considerat ca un corp solid.

Într-o undă electromagnetică, vectorii și sunt perpendiculari unul pe celălalt și se află într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a undei. Se acceptă că planul în care oscilează vectorul se numește plan de vibrație, și planul în care au loc oscilațiile vectorului, planul de polarizare. Deoarece în toate procesele de interacțiune a luminii cu materia rolul principal este jucat de vectorul intensității câmpului electric, acesta se numește vector luminos. Dacă, în timpul propagării unei unde electromagnetice, vectorul luminos își păstrează orientarea, se numește o astfel de undă polarizat liniar sau plan polarizat.

Lumina polarizată liniar este emisă de lasere. Cu toate acestea, lumina emisă din surse obișnuite (cum ar fi lumina soarelui, lămpile cu incandescență etc.) nu este polarizată. Acest lucru se datorează faptului că atomii emit lumină în trenuri separate, independent unul de celălalt. Ca urmare, vectorul din unda luminoasă rezultată își schimbă aleatoriu orientarea în timp, astfel încât, în medie, toate direcțiile oscilațiilor sunt egale.

Se numește undă luminoasă în care direcția de oscilație a vectorului luminos se modifică haotic în timp natural sau lumină nepolarizată.

Lumina naturală, care trece printr-un cristal de spart islandez sau turmalină, este polarizată. Fenomenul dublei refracții a luminii se explică prin faptul că în multe substanțe cristaline indicii de refracție pentru două unde polarizate reciproc perpendicular sunt diferiți. Prin urmare, cristalul bifurcă razele care trec prin el (Fig. 2.6.1). Două fascicule la ieșirea cristalului sunt polarizate liniar în direcții reciproc perpendiculare. Cristalele în care are loc birefringența se numesc anizotrop.

Lumina se poate polariza atunci când este reflectată sau împrăștiată. În special, lumina albastră a cerului este parțial sau complet polarizată. Polarizarea luminii reflectate a fost observată pentru prima dată de Malus când a privit printr-un cristal de spate islandeză reflectarea soarelui care apune în ferestrele Palatului Luxemburg din Paris. Malus a descoperit că lumina reflectată este polarizată într-o oarecare măsură. Gradul de polarizare a fasciculului reflectat depinde de unghiul de incidență: la incidență normală, lumina reflectată nu este complet polarizată, iar când incidentă la un unghi numit unghi de polarizare completă sau unghi Brewster, fasciculul reflectat este de 100% polarizat. Când sunt reflectate la unghiul Brewster, razele reflectate și refractate sunt perpendiculare între ele (Fig. 2.5.4). Fasciculul reflectat este polarizat plan paralel cu suprafața.

pentru că , și , atunci unghiul Brewster este găsit prin formula .

Lumina polarizată este utilizată pe scară largă în multe domenii ale tehnologiei (de exemplu, pentru controlul lin al luminii, în studiul tensiunilor elastice etc.). Ochiul uman nu distinge polarizarea luminii, dar ochii unor insecte, precum albinele, o percep.

| | | | | | 7 |

Astăzi, în lecție, ne vom familiariza cu fenomenul de polarizare a luminii. Să studiem proprietățile luminii polarizate. Să facem cunoștință cu dovada experimentală a transversalității undelor luminoase.

Fenomenele de interferență și difracție nu lasă nicio îndoială că propagarea luminii are proprietățile undelor. Dar ce fel de valuri - longitudinale sau transversale?

Pentru o lungă perioadă de timp, fondatorii opticii undelor, Jung și Fresnel, au considerat undele luminoase ca fiind longitudinale, adică similare undelor sonore. La acea vreme, undele luminoase erau considerate unde elastice în eterul care umple spațiul și pătrunde în toate corpurile. Se pare că astfel de unde nu ar putea fi transversale, deoarece undele transversale pot exista doar într-un corp solid. Dar cum se pot mișca corpurile în eter solid fără a întâmpina rezistență? La urma urmei, eterul nu ar trebui să împiedice mișcarea corpurilor. Altfel, legea inerției nu s-ar ține.

Totuși, treptat s-au acumulat tot mai multe fapte experimentale, care nu au putut fi interpretate în niciun fel, considerând undele luminoase ca fiind longitudinale.

Experimente cu turmalina

Și acum, vom lua în considerare în detaliu doar unul dintre experimente, foarte simplu și extrem de eficient. Acesta este un experiment cu cristale de turmalina (cristale verzi transparente).

Dacă un fascicul de lumină de la o lampă electrică sau soarele este îndreptat în mod normal către o astfel de placă, atunci rotația plăcii în jurul fasciculului nu va provoca nicio modificare a intensității luminii care a trecut prin ea (Fig. 1. ). Ai putea crede că lumina a fost absorbită doar parțial de turmalină și a căpătat o culoare verzuie. Nu sa întâmplat nimic altceva. Dar nu este. Unda de lumină a dobândit noi proprietăți.

Aceste noi proprietăți sunt relevate dacă fasciculul este forțat să treacă printr-un al doilea, exact același cristal de turmalină (Fig. 2(a)), paralel cu primul. Cu axele cristalelor direcționate identic, din nou, nu se întâmplă nimic interesant: fasciculul de lumină este pur și simplu slăbit și mai mult din cauza absorbției în al doilea cristal. Dar dacă al doilea cristal este rotit, lăsând primul nemișcat, atunci va fi dezvăluit un fenomen uimitor - stingerea luminii. Pe măsură ce unghiul dintre axe crește, intensitatea luminii scade. Și când axele sunt perpendiculare între ele, lumina nu trece deloc. Este complet absorbit de al doilea cristal.

Se numește undă luminoasă care oscilează în toate direcțiile perpendiculare pe direcția de propagare natural.

Se numește lumină în care direcțiile de oscilație ale vectorului luminos sunt cumva ordonate polarizat.

Polarizarea luminii- aceasta este una dintre proprietățile fundamentale ale radiației optice (luminii), constând în inegalitatea diferitelor direcții într-un plan perpendicular pe fasciculul luminos (direcția de propagare a undei luminoase).

Polarizatoare- dispozitive care fac posibila obtinerea de lumina polarizata.

Analizoare- aparate cu care poți analiza dacă lumina este polarizată sau nu.

Schema de funcționare a polarizatorului și analizorului

Unde luminoase transversale

Din experimentele descrise mai sus, rezultă două fapte:

În primul rând că unda luminoasă care vine de la sursa de lumină este complet simetrică față de direcția de propagare (în timpul rotației cristalului în jurul fasciculului în primul experiment, intensitatea nu s-a modificat).

În al doilea rând ca unda care iese din primul cristal nu are simetrie axiala (in functie de rotatia celui de-al doilea cristal fata de fascicul se obtine una sau alta intensitate a luminii transmise).

Intensitatea luminii care iese din primul polarizator:

Intensitatea luminii trecute prin al doilea polarizator:

Intensitatea luminii care trece prin doi polarizatori:

Să conchidem: 1. Lumina este o undă transversală. Dar într-un fascicul de unde incident de la o sursă convențională, există oscilații din toate direcțiile posibile, perpendiculare pe direcția de propagare a undei.

2. Cristalul de turmalină are capacitatea de a transmite unde luminoase cu vibrații situate într-un anumit plan.

Model de polarizare liniară a undei luminoase

Polaroiduri

Nu numai cristalele de turmalina sunt capabile sa polarizeze lumina. Aceeași proprietate, de exemplu, au așa-numitele polaroid. polaroid este o peliculă subțire (0,1 mm) de cristale de herapatită depuse pe o placă de celuloid sau sticlă. Cu un polaroid, puteți face aceleași experimente ca și cu un cristal de turmalină. Avantajul polaroidelor este că poți crea suprafețe mari care polarizează lumina.

Dezavantajul Polaroid-urilor este nuanța violet pe care o dau luminii albe.

Difracția și interferența luminii confirmă natura ondulatorie a luminii. Dar undele pot fi longitudinale și transversale. Luați în considerare următoarea experiență.

Polarizarea luminii

Să trecem un fascicul de lumină printr-o placă de turmalină dreptunghiulară, una dintre fețele căreia este paralelă cu axa cristalului. Nu au existat modificări vizibile. Lumina s-a stins doar parțial în farfurie și a căpătat o culoare verzuie.

imagine

Acum dupa ce punem o alta farfurie dupa prima. Dacă axele ambelor plăci sunt aliniate, nu se va întâmpla nimic. Dar dacă al doilea cristal începe să se rotească, atunci lumina se va stinge. Când axele sunt perpendiculare, nu va exista deloc lumină. Acesta va fi complet absorbit de a doua placă.

imagine

Să tragem două concluzii:

1. Unda de lumină este simetrică în raport cu direcția de propagare.

2. După trecerea prin primul cristal, unda încetează să mai aibă simetrie axială.

Acest lucru nu poate fi explicat din punctul de vedere al undelor longitudinale. Prin urmare, lumina este o undă transversală. Cristalul de turmalina este un polaroid. Transmite unde luminoase, ale căror oscilații apar într-un singur plan. Această proprietate este bine ilustrată în figura următoare.

imagine

Unde luminoase transversale și teoria electromagnetică a luminii

Lumina care este produsă după trecerea printr-un polaroid se numește lumină polarizată plană. În lumina polarizată, vibrațiile apar doar într-o singură direcție - direcția transversală.

Teoria electromagnetică a luminii își are originea în lucrarea lui Maxwell. În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, Maxwell a demonstrat teoretic existența undelor electromagnetice care se pot propaga chiar și în vid.

Și a sugerat că lumina este și o undă electromagnetică. Teoria electromagnetică a luminii se bazează pe faptul că viteza luminii și viteza de propagare a undelor electromagnetice sunt aceleași.

Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, s-a stabilit în cele din urmă că undele de lumină apar din mișcarea particulelor încărcate în atomi. Odată cu recunoașterea acestei teorii, nevoia unui eter luminifer, în care se propagă undele luminoase, a dispărut. unde luminoase Acestea nu sunt unde mecanice, ci electromagnetice.

Oscilațiile unei unde luminoase constau în oscilații a doi vectori: vectorul intensitate și vectorul de inducție magnetică. Direcția oscilațiilor vectorului intensității câmpului electric este considerată a fi direcția oscilațiilor undelor luminoase.

val transversal- o unda care se propaga intr-o directie perpendiculara pe planul in care oscileaza particulele mediului (in cazul unei unde elastice) sau in care se afla vectorii campurilor electrice si magnetice (pentru o unda electromagnetica).

Undele transversale includ, de exemplu, undele în șiruri sau membrane elastice, atunci când deplasarea particulelor în acestea are loc strict perpendicular pe direcția de propagare a undelor, precum și undele electromagnetice plane omogene într-un dielectric sau magnet izotrop; în acest caz, oscilațiile transversale sunt efectuate de vectorii câmpurilor electrice și magnetice.

Unda transversală are polarizare, adică. vectorul său de amplitudine este orientat într-un anumit fel în plan transversal. În special, polarizările liniare, circulare și eliptice se disting în funcție de forma curbei pe care o descrie capătul vectorului de amplitudine. Conceptul de undă transversală, precum și de undă longitudinală, este într-o oarecare măsură condiționat și este asociat cu modul în care este descris. „Transversitatea” și „longitudinalitatea” undei sunt determinate de mărimile care sunt de fapt observate. Astfel, o undă electromagnetică plană poate fi descrisă de un vector Hertzian longitudinal. Într-un număr de cazuri, împărțirea undelor în longitudinale și transversale își pierde în general sensul. Deci, într-o undă armonică pe suprafața apei adânci, particulele mediului fac mișcări circulare într-un plan vertical trecând prin vectorul de undă, adică. oscilațiile particulelor au atât componente longitudinale, cât și transversale.

În 1809, inginerul francez E. Malus a descoperit o lege care poartă numele lui. În experimentele lui Malus, lumina a fost trecută secvenţial prin două plăci identice de turmalină (o substanţă cristalină transparentă de culoare verzuie). Plăcile se pot roti unele față de altele printr-un unghi φ

Intensitatea luminii transmise s-a dovedit a fi direct proporțională cu cos2 φ:

Fenomenul Brewster este folosit pentru a crea polarizatoare de lumină, iar fenomenul de reflexie internă totală este folosit pentru a localiza spațial o undă de lumină în interiorul unei fibre optice. Indicele de refracție al materialului din fibră optică depășește indicele de refracție al mediului (aer), astfel încât fasciculul de lumină din interiorul fibrei experimentează o reflexie internă totală la interfața dintre fibră și mediu și nu poate depăși fibră. Cu ajutorul unei fibre optice, este posibil să trimiteți un fascicul de lumină dintr-un punct din spațiu în altul de-a lungul unei traiectorii curbilinii arbitrare.

În prezent, au fost create tehnologii pentru fabricarea fibrelor de cuarț cu diametrul de , care practic nu prezintă defecte interne și externe, iar rezistența lor nu este mai mică decât cea a oțelului. În același timp, a fost posibil să se reducă pierderile de radiație electromagnetică în fibră la o valoare mai mică de , și, de asemenea, să se reducă semnificativ dispersia. Acest lucru a făcut posibil în 1988. a pus în funcțiune o linie de comunicație prin fibră optică care lega America de Europa de-a lungul fundului Oceanului Atlantic. FOCL moderne sunt capabile să ofere rate de transfer de informații de mai sus.

La o intensitate mare a undei electromagnetice, caracteristicile optice ale mediului, inclusiv indicele de refracție, încetează să fie constante și devin funcții ale radiației electromagnetice. Principiul suprapunerii pentru câmpurile electromagnetice încetează să mai fie valabil și mediul este numit neliniară. În fizica clasică, modelul este folosit pentru a descrie efecte optice neliniare oscilator anarmonic. În acest model, energia potențială a unui electron atomic este scrisă ca o serie în puteri de deplasare x ale electronului în raport cu poziția sa de echilibru.