Absorbția luminii. efectul Cherenkov-Vavilov

1. Unde luminoase transversale și tipuri de polarizare a luminii

1.1. Polarizare liniară

1.2. Lumină parțial polarizată. Gradul de polarizare

1.3. Polarizare eliptică și circulară

2. Legea lui Malus

3. Polarizarea luminii la reflexie. legea lui Brewster

4. Elemente de optică cristalină. dubla refractie

5. Anizotropia este cauza birefringenței

6. Dicroism

7. Prisma Nicolas

8. Birefringenta artificiala

9. Rotirea planului de polarizare. Polarimetrie

10. Aplicarea polarizării: monitor LCD

11. Interferența luminii polarizate

12. Fenomenul de dispersie a luminii. dispersia materiei. Dispersie normală și anormală

13. Teoria dispersiei Lorentz. Relația dintre absorbția luminii și dispersia anormală

14. Absorbția luminii. Legea lui Bouguer

15. Efectul Cherenkov-Vavilov

1. Unde luminoase transversale și tipuri de polarizare a luminii

O consecință a teoriei lui Maxwell este transversalitatea undelor luminoase: vectorii de intensitate ai câmpurilor electrice și magnetice ale undei sunt reciproc perpendiculari și oscilează perpendicular pe vectorul viteză de propagare a undei (Fig. 19.1). Când se ia în considerare polarizarea, de obicei, toate raționamentele sunt asociate cu planul de oscilații al vectorului intensității câmpului electric - vectorul luminii, deoarece efectele chimice, fiziologice și alte tipuri de efecte ale luminii asupra unei substanțe se datorează în principal oscilațiilor electrice.

O undă electromagnetică de la un emițător elementar separat (atom, moleculă) este întotdeauna polarizată. În lumina emisă de sursele obișnuite, există oscilații care apar în diverse direcții perpendiculare pe fascicul. În astfel de unde luminoase care emană de la diverși emițători elementari (atomi), vectoriau orientări diferite și toate aceste orientări sunt la fel de probabile, care se datorează numărului mare de emițători atomici. Această lumină se numește natural, sau nepolarizat(fig.19.2) .

1.1. Polarizare liniară

Lumina se numește polarizat liniar (sau plan) dacă oscilațiile intensității luminii a câmpului electric au loc într-un singur plan (planul OXY din fig. 19.1). Lumina polarizată plană poate fi obținută din lumina naturală folosind dispozitive numite polarizatoare(fig.19.3). Aceste dispozitive transmit liber vibrații paralele cu planul, care se numește planul principal al polarizatorului, și opriți complet vibrațiile perpendiculare pe acest plan. Acțiunea unui polaroid poate fi ilustrată pe un model mecanic (Fig. 19.4): o undă transversală elastică care se propagă de-a lungul cordonului trece nestingherită dacă golul din barieră este orientat în același mod ca și planul de oscilație. Dacă planul de oscilație este perpendicular pe gol, nu vor exista oscilații în spatele barierei. Același lucru pentru unda electromagnetică (Fig. 19.5). Folosind un polarizator (polaroid) dintr-un fascicul de lumină naturală, puteți selecta o parte în care fluctuații vectoriale https://pandia.ru/text/78/081/images/image007_14.png" width="577" height="345">
Planul în care oscilează vectorul luminos (adică vectorul câmpului electric https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17" height="23 src=" >), iar perpendicularul un plan pe acesta (vezi Fig. 19.1).

Lumina naturală poate fi gândită ca o suprapunere a două incoerent unde de aceeași intensitate, polarizate liniar în planuri reciproc perpendiculare (Fig. 19.6). De aici rezultă că, trecând printr-un polaroid ideal, lumina naturală este atenuată la jumătate:

1.2. Lumină parțial polarizată. Gradul de polarizare

Când lumina naturală trece printr-un polaroid neideal, lumina devine parțial polarizată, adică vectorul luminos oscilează în toate direcțiile posibile, dar există o direcție predominantă de oscilație. Lumina parțial polarizată poate fi reprezentată ca o suprapunere a razelor naturale și liniar polarizate (Fig. 19.7, a), sau ca o suprapunere a două raze incoerente liniar polarizate de intensitate diferită în planuri reciproc perpendiculare (Fig. 19.7, b).

Să plasăm un analizor polaroid ideal pe calea luminii parțial polarizate. Dacă planul său principal este paralel cu planul de oscilații al componentei polarizate (Fig. 19.7, a), atunci va trece prin analizor. Va trece și jumătate din intensitatea luminii naturale nepolarizate (19.1). La ieșirea analizorului, intensitatea luminii va fi maximă și egală cu:

.

Rotind planul principal al analizorului la un unghi de 900, obținem intensitatea minimă la ieșire, deoarece componenta polarizată nu va trece:

Gradul de polarizare R se numește lumină parțial polarizată

, (19.2)

Gradul de polarizare indică astfel proporția componentei polarizate față de intensitatea totală a luminii.

1.3. Polarizare eliptică și circulară

Luați în considerare două unde de lumină polarizate plane coerente care se propagă de-a lungul axei X, ale căror planuri de oscilație sunt reciproc perpendiculare. Lasă oscilațiile dintr-o undă să apară de-a lungul axei y, în al doilea - de-a lungul axei z(fig.19.8). Proiecțiile vectorilor de lumină ai acestor unde pe axele corespunzătoare se modifică conform legii:

(19.3)

Valorile https://pandia.ru/text/78/081/images/image018_7.png" width="27 height=29" height="29"> sunt coordonatele sfârșitului vectorului luminos rezultat. Excluzând variabila t, primim:

. (19.4)

În general, aceasta este ecuația unei elipse. Deci doi coerent undele de lumină polarizate plane, ale căror planuri de oscilație sunt reciproc perpendiculare, atunci când sunt suprapuse unul peste altul, dau o undă în care vectorul luminos (vector ) se modifică în timp, astfel încât capătul său descrie o elipsă. Această lumină se numește polarizat eliptic.

https://pandia.ru/text/78/081/images/image021_6.png" width="59" height="19"> elipsa degenerează într-o linie dreaptă și se obține lumină polarizată plană..png" lățime ="17" height="23 src="> distinge dreapta și stânga polarizare eliptică și circulară. În Fig. 19.8, polarizarea este stânga (capătul vectorului se rotește în sensul acelor de ceasornic când este privit spre fascicul), iar în 19.9 și 19.10 este dreapta.

2. Legea lui Malus

Să punem două polarizatoare pe calea fasciculului natural, ale căror planuri principale formează un unghi φ (Fig. 19.11). Când polarizatorul se rotește în jurul direcției fasciculului natural, intensitatea luminii polarizate plan transmise rămâne aceeași, se modifică doar orientarea planului de oscilații al luminii care părăsește dispozitivul.

Lasa E 0 – amplitudinea oscilaţiilor undei incidente asupra analizorului. Să descompunăm această oscilație în două reciproc perpendiculare, care au loc în aceeași fază, cu amplitudini: https://pandia.ru/text/78/081/images/image025_5.png" width="28" height="25 src= " > – perpendicular pe acesta (Fig.19.11).

; (19.5)

https://pandia.ru/text/78/081/images/image028_6.png" width="13" height="19 src=">~, deci din (19.5) obținem:

sau pentru intensitate eu a trecut prin valul analizorului:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image032_7.png" width="618" height="385">
eu0 – intensitatea undei polarizate liniar incidente pe analizor, φ este unghiul dintre planul principal al analizorului și planul de oscilații al undei incidente pe analizor.

Sau: φ este unghiul dintre planurile principale ale polarizatorului și analizorului. Relația (19.6) se numește Legea Malus.

În lumină naturală, toate valorile lui φ sunt la fel de probabile. Prin urmare, fracția de lumină care trece prin polarizator va fi egală cu valoarea medie , adică ½ (vezi (19.1)):

Intensitatea luminii care iese din al doilea polarizator (analizator) este egala cu:

. (19.7)

Când analizorul este rotit (Fig.19..png" width="43" height="20 src="> la Relative indexes" href="/text/category/otnositelmznie_pokazateli/" rel="bookmark"> indice de refracție relativ a două medii Fizicianul scoțian D. Brewster, investigând fenomenul de polarizare a luminii, în 1815 a stabilit o relație între indicele de refracție relativ al unui dielectric https://pandia.ru/text/78/081/images/image041_5. png" width="20" height="25"> (unghi Brewster) la care fasciculul reflectat este complet polarizat:

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

Dacă lumina incide pe o interfață între doi dielectrici la unghiul Brewster, definită prin relația (19.8), atunci fasciculul reflectat este complet polarizat liniar, iar fasciculul refractat va fi polarizat parțial, dar maxim în comparație cu alte unghiuri de incidență (Fig. 19.13). În acest caz, razele reflectate și refractate sunt perpendiculare între ele.

Să scriem legea refracției:

. (19.9)

Din (19.8) rezultă:

Comparați cu (19.9) și obțineți

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

de unde rezultă că fasciculul refractat este perpendicular pe cel reflectat (Fig. 19.13).

Pentru a explica de ce fasciculul reflectat la incidența la unghiul Brewster este polarizat liniar, ținem cont de faptul că lumina reflectată este rezultatul emisiei de unde secundare de către sarcini (electroni) în al doilea mediu, care oscilează sub acţiunea câmpului electric al undei incidente. Aceste oscilații apar în direcția oscilațiilor undei incidente.

Să descompunăm oscilațiile vectoriale din al doilea mediu în două oscilații reciproc perpendiculare: în Fig. 19.13 oscilațiile în planul de incidență sunt indicate prin săgeți (↔), perpendicular - prin puncte ( ∙ ). În cazul luminii care cade la unghiul Brewster, fasciculul reflectat este perpendicular pe cel refractat, deci paralel cu oscilațiile primei componente (↔). Din teoria electromagnetică a lui Maxwell se știe că o sarcină electrică oscilantă nu radiază unde electromagnetice de-a lungul direcției mișcării sale. Prin urmare, un emițător de tip (↔) care oscilează într-un dielectric nu radiază de-a lungul fasciculului reflectat. Astfel, în direcția fasciculului reflectat, lumina se propagă, trimisă de emițători de tipul ( ∙ ), ale căror direcții de oscilație sunt perpendiculare pe planul de incidență.

4. Elemente de optică cristalină. dubla refractie

Când lumina trece prin unele cristale, fasciculul de lumină este împărțit în două fascicule (Fig. 19.14 și 19.15). Acest fenomen, numit birefringenta, a fost observată în 1670 de către Erasmus Bartholomin pentru spatul islandez (un tip de carbonat de calciu, CaCO3). În cazul refracției duble, una dintre raze îndeplinește legea obișnuită a refracției și se află în același plan cu raza incidentă și cu normala. Acest fascicul se numește comunși este indicată în desene prin litera „o”. Pentru un alt fascicul numit extraordinar(este de obicei notat cu litera „e”), raportul nu rămâne constant la schimbarea unghiului de incidență. Chiar și cu o incidență normală, o rază extraordinară, în general, se abate de la direcția inițială (Fig. 19.15). În plus, raza extraordinară nu se află, de regulă, în același plan cu raza incidentă și normala la suprafața de refracție.
Fenomenul de birefringenţă se observă pentru toate cristalele transparente, cu excepţia celor aparţinând sistemului cubic.

Așa-numitele cristale uniaxiale au o direcție de-a lungul căreia razele obișnuite și extraordinare se propagă fără separare și cu aceeași viteză. Această direcție se numește axa optică a cristalului. Trebuie avut în vedere faptul că axa optică nu este o linie dreaptă care trece printr-un punct al cristalului, ci o anumită direcție a cristalului. Orice linie dreaptă paralelă cu această direcție este axa optică a cristalului.

Orice plan care trece prin axa optică se numește secțiunea principală sau planul principal cristal. Utilizați de obicei secțiunea principală care trece prin fasciculul luminos.

Ambele fascicule, obișnuite și extraordinare, sunt complet polarizate în direcții reciproc perpendiculare (vezi Fig. 19.15). Planul de oscilație al unui fascicul obișnuit este perpendicular pe secțiunea principală a cristalului. Într-o rază extraordinară, oscilațiile vectoriale apar într-un plan care coincide cu secțiunea principală.

5. Anizotropia este cauza birefringenței

Birefringența se explică prin anizotropia cristalelor. În cristalele unui sistem necubic, dependența de direcția vectorului câmpului electric este relevată, în special, de permisivitatea ε..png" width="20 height=28" height="28"> și, în consecință În alte direcții, ε are valori intermediare.

În măsura în care

, (19.10)

apoi din anizotropie ε rezultă căunde electromagnetice cu diferite direcții de oscilație vectorială https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17" height="23 src=">.

Într-un fascicul obișnuit, oscilațiile vectorului luminos apar în direcția perpendiculară pe secțiunea principală a cristalului (în Fig. 19.15 și 19.16, aceste oscilații sunt prezentate prin puncte pe fasciculul corespunzător). Prin urmare, pentru orice direcție a unui fascicul obișnuit (în Fig.3..png" width="82" height="53">. (19.11)

Reprezentând viteza comun fascicul sub formă de segmente așezate în direcții diferite, obținem o suprafață sferică. Imaginează-ți că un punct este plasat în punctul 0 al cristalului. Atunci sfera construită de noi va fi suprafața de undă a razelor obișnuite din cristal.

fluctuatii in extraordinar grinda sunt realizate în secțiunea principală. Prin urmare, pentru diferite raze, direcțiile oscilațiilor vectoriale (în Fig. 19.16 aceste direcții sunt prezentate prin săgeți cu două fețe) formează unghiuri diferite cu axa optică. Pentru fasciculul 1, unghiul este π/2, astfel încât viteza este

pentru fasciculul 2 unghiul este zero iar viteza este

Pentru fasciculul 3, viteza are o valoare intermediară:

Astfel, suprafața de undă a razelor extraordinare este un elipsoid al revoluției. În punctele de intersecție cu axa optică a cristalului, sfera și elipsoidul sunt în contact - în această direcție, vitezele ambelor raze sunt aceleași.

În funcție de care dintre viteze, sau https://pandia.ru/text/78/081/images/image060_3.png" width="60" height="25"> ().

Pentru cristale negative (Fig. 19.17)

Folosind suprafețele de undă din Fig. 19.17, este posibil să se construiască un front de undă pentru raze obișnuite și extraordinare într-un cristal cu o incidență normală a fasciculului pe fața cristalului (Fig. 19.18). Se folosește principiul lui Huygens: punctele cristalului, pe care cade valul, sunt ele însele sursele undelor. Noua poziție a frontului de undă este învelișul fronturilor undelor secundare. Direcția fasciculului este găsită de punctul de contact dintre fața undei secundare și anvelopă.

6. dicroism

Există cristale birefringente în care una dintre raze, de exemplu, cea obișnuită, este absorbită într-un anumit interval de lungimi de undă mult mai puternic decât cealaltă. Dependența absorbției luminii de polarizarea acesteia se numește dicroism. Fenomenul dicroismului a făcut posibilă în practică obținerea cu ușurință și utilizarea pe scară largă a luminii polarizate liniar.

Cristalul de turmalina are un dicroism foarte puternic in razele vizibile. În ea, un fascicul obișnuit este aproape complet absorbit pe o lungime de 1 mm. Polarizatoarele dicroice bazate pe o placă de turmalină cu un singur cristal nu au găsit o aplicație largă, în principal din cauza dificultăților asociate cu obținerea de cristale de dimensiunea necesară.

O altă varietate de polarizatoare dicroice s-a dovedit a fi mai populară - așa-numitele polaroid de film, inventate în anii 1920. Acestea sunt filme polimerice anizotrope impregnate cu molecule anizotrope sau microcristale. Dacă o peliculă polimerică constând din macromolecule polimerice alungite, foarte lungi, liniare, în stare încălzită și înmuiată, este supusă întinderii mecanice, atunci moleculele de polimer își orientează axele lungi de-a lungul direcției de întindere și filmul devine astfel anizotrop. Dacă, în acest caz, o substanță este dizolvată în polimer, ale cărei molecule au o formă anizotropă și au dicroism ridicat, de exemplu, microcristale de herapatită în formă de ac (o sare de iod și chinină), atunci o formă ordonată, orientată. matricea de molecule de polimer orientează și moleculele de impurități. În aceste cristale, una dintre fascicule este absorbită de-a lungul unui traseu de aproximativ 0,1 mm.

În acest fel, sunt produse polaroid de înaltă calitate și de dimensiuni suficient de mari, proiectate pentru o regiune spectrală largă (de exemplu, pentru întregul interval de lungimi de undă vizibile). Ele sunt suficient de ieftine pentru producția de masă și li se datorează multe aplicații practice ale polarizării luminii.

7. Prisma Nicolas

La proiectarea prismei Nicol se folosește birefringența (Fig. 19.19) - un dispozitiv pentru obținerea luminii polarizate liniar cu un grad ridicat de polarizare. Este lipit împreună din două prisme spate islandeze identice. Stratul intermediar dintre ele este balsam canadian, o rășină incoloră cu transparență ridicată. Valoarea indicelui de refracție al balsamului canadian () se află între valorile indicilor de refracție ai spartei pentru razele obișnuite () și extraordinare ():

.

Lumina naturală nepolarizată, care cade pe fața frontală a prismei, este împărțită în două fascicule polarizate liniar - obișnuite și extraordinare. Un fascicul obișnuit, fiind refractat mai puternic, cade pe stratul de balsam la un unghi mai mare decât unghiul de reflexie internă totală, se reflectă complet din stratul de balsam și nu trece în a doua prismă, fiind absorbit pe fața laterală înnegrită a prisma. A doua rază, cea extraordinară, nu poate experimenta deloc reflexie totală la această interfață, deoarece trece de la un mediu mai puțin dens la unul mai dens optic (DIV_ADBLOCK36">

8. Birefringenta artificiala

Birefringența poate apărea în corpurile izotrope transparente, precum și în cristalele sistemului cubic sub influența diferitelor influențe: un câmp electric uniform puternic (efect Kerr) sau magnetic, precum și deformații mecanice ale corpurilor. Diferența dintre indicii de refracție ai razelor obișnuite și extraordinare poate servi ca măsură a anizotropiei optice emergente. Experiența arată că această diferență este proporțională cu pătratul intensității câmpului (electric sau magnetic):

;

,

sau stres mecanic σ într-un punct dat al corpului (adică forța pe unitatea de suprafață):

. (19.12)

Așezați o farfurie de sticlă Qîntre polarizatoare încrucișate RȘi R"(fig.19.20). Atâta timp cât sticla nu este deformată, un astfel de sistem nu transmite lumină. Dacă sticla este supusă deformării (de exemplu, compresie unilaterală), lumina începe să treacă prin sistem, iar modelul observat în razele transmise va fi striat cu benzi colorate. Fiecare astfel de bandă corespunde unor locuri la fel de deformate de pe placă. În consecință, prin natura aranjamentului benzilor, se poate aprecia distribuția tensiunilor în interiorul plăcii.

Pe baza birefringenței artificialese dezvoltă o metodă optică de studiere a tensiunilor. Realizat dintr-un material izotrop transparent (de exemplu, celuloid sau plexiglas), un model al unei piese sau structuri este plasat între polarizatoare încrucișate. Modelul este supus unor sarcini similare cu cele pe care le va experimenta produsul în sine. Imaginea observată în acest caz în lumina albă transmisă face posibilă determinarea distribuției tensiunilor, precum și aprecierea mărimii acestora (Fig. 19.21, a). Se numește apariția anizotropiei optice în corpurile transparente sub sarcină fotoelasticitatea.

Obiectul de studiu poate fi orice riglă transparentă din plastic, vase etc. (Fig. 19.21, b și c). Când sunt privite în polaroiduri încrucișate, pot fi observate modele frumoase de culoare. Aceste modele tind să se îngroașe lângă colțuri și margini, cusături și găuri unde există tensiuni reziduale.

9. Rotirea planului de polarizare. Polarimetrie

Dintre fenomenele care apar în timpul interacțiunii luminii cu materia, un loc important, atât în ​​principiu, cât și în practică, îl ocupă fenomenul descoperit de D. Arago în 1811 când studia birefringența în cuarț: când lumina polarizată trece prin anumite substanțe, rotirea planului de polarizare(fig.19.22).

Substanțele care pot roti planul de polarizare al luminii sunt numite optic active.. Acestea includ corpuri cristaline (cuarț, cinabru etc.), lichide pure (terebentină, nicotină etc.) și soluții din anumite substanțe (soluții apoase de zahăr, glucoză, acid tartric etc.). Măsurarea rotației planului de polarizare a devenit o tehnică analitică populară într-o serie de domenii industriale.

Substanțele cristaline, cum ar fi cuarțul, rotesc cel mai mult planul de polarizare atunci când lumina se propagă de-a lungul axei optice a cristalului. Unghiul de rotație este proporțional cu traseul l trecut de fasciculul din cristal:

. (19.13)

Se numeste coeficientul constanta de rotatie.

Pentru soluții, J. Biot (1831) a descoperit următoarele modele: unghiul de rotație al planului de polarizare este proporțional cu calea l fascicul în soluție și concentrare DIN substanță activă în soluție:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image082_4.png" width="27" height="24 src="> – rotație specifică. Caracterizează natura substanței, depinde de natura substanței și de temperatură. Rotația specifică este invers proporțională cu pătratul lungimii de undă: ~prin urmare, atunci când lumina polarizată trece printr-o soluție de substanță optic activă, planurile de polarizare a undelor de lungimi diferite se vor roti prin unghiuri diferite. În funcție de poziția analizorului, prin el trec fascicule de diferite culori. Acest fenomen se numește dispersie rotațională.

La 20°C și λ=589 nm, rotația specifică a zahărului este: . Constanta de rotație a cuarțului pentru raze galbene (λ=589 nm): α=21,7 grade/mm, iar pentru violet (λ=404,7 nm) α=48,9 grade/mm.

Studiile au arătat că explicarea fenomenului de rotație a planului de polarizare a luminii în substanțele active în mod natural poate fi obținută luând în considerare problema generală a interacțiunii unei unde de lumină electromagnetică cu moleculele sau atomii de substanțe, dacă numai dimensiunile finite. de molecule și structura lor sunt luate în considerare. Această sarcină este foarte dificilă. La un moment dat, O. Fresnel (1817) a prezentat o descriere a acestui fenomen, reducându-l la un tip special de birefringență. Raționamentul lui Fresnel se bazează pe ipoteza că viteza de propagare a luminii în substanțele active este diferită pentru undele polarizate de-a lungul cercurilor din stânga și din dreapta. Să ne imaginăm o undă polarizată plană ca o suprapunere a două unde polarizate într-un cerc la dreapta și la stânga cu aceleași amplitudini și perioade. Dacă ambii vectori și https://pandia.ru/text/78/081/images/image088_3.png" align="left" width="298" height="290">Dacă vitezele de propagare ale ambelor unde nu sunt la fel, apoi pe măsură ce trece prin substanță, unul dintre vectori, sau https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17 height=23" height="23"> , se va roti în raport cu planul original R(Fig. 19.23, 6).

Diferența de viteză a luminii cu diferite direcții de polarizare circulară se datorează asimetriei moleculelor (Fig. 19.24, a), sau aranjamentului asimetric al atomilor din cristal (Fig. 19.24, b). Moleculele (cristale) prezentate în dreapta sunt imagini în oglindă ale moleculelor (cristale) prezentate în stânga. Nu au nici un centru de simetrie, nici un plan de simetrie și nu pot fi combinate spațial între ele prin rotații și deplasări. Proprietățile fizice și chimice ale izomerilor optici puri sunt exact aceleași. Dar izomerii „stânga” și „dreapta” rotesc planul de polarizare în direcții opuse. Valorile specifice de rotație pentru ambele modificări diferă doar în semn.

În plus, efectele fiziologice și biochimice ale izomerilor optici sunt adesea destul de diferite. Deci, în natura vie, proteinele sunt construite din izomeri optici stângaci ai aminoacizilor (19 din 20 de aminoacizi vitali sunt optic activi). Proteinele sintetizate artificial din aminoacizii potriviți nu sunt absorbite de organism; iar nicotina „stânga” este de câteva ori mai otrăvitoare decât cea „dreaptă”. Fenomenul uimitor al rolului predominant al unei singure dintre formele de izomeri optici în procesele biologice poate fi de o importanță fundamentală pentru elucidarea căilor de origine și evoluție a vieții pe Pământ.

10. Aplicarea polarizării: monitor LCD

Un ecran LCD (Liquid Crystal Display) este o serie de segmente mici numite pixeli care pot fi manipulate pentru a afișa informații.

Fiecare pixel al matricei LCD constă dintr-un strat de molecule între doi electrozi transparenți și două filtre de polarizare, ale căror planuri de polarizare sunt perpendiculare (Fig. 19.25). În absența tensiunii, cristalele se aliniază într-o structură elicoidală (Fig. 19.26). Această structură rotește planul de polarizare a luminii cu 900, astfel încât lumina trece prin cel de-al doilea filtru de polarizare practic fără pierderi (Fig. 19.27, a).

Dacă electrozilor li se aplică o tensiune, atunci moleculele tind să se alinieze în direcția câmpului electric, ceea ce distorsionează structura elicoidală. În acest caz, forțele elastice contracarează acest lucru, iar atunci când tensiunea este oprită, moleculele revin la poziția inițială.

Cu o intensitate suficientă a câmpului, aproape toate moleculele devin paralele între ele, ceea ce duce la opacitatea structurii (Fig. 19.27, a). Variând tensiunea, puteți controla gradul de transparență.

Lucrurile devin mai complicate pentru afișajele color. Aici pixelul este format din trei celule independente, fiecare dintre acestea fiind situată deasupra secțiunii de filtru albastru, roșu sau verde. Astfel, numărul de pixeli este crescut de trei ori față de un panou monocrom. Într-un afișaj color, gradațiile de luminanță ale fiecărui pixel care alcătuiesc triada sunt folosite pentru a „amesteca” culorile.

11. Interferența luminii polarizate

Cu incidența normală a unui fascicul de raze pe o placă de cristal, axa optică y care este paralelă cu suprafața de refracție, razele obișnuite și extraordinare circulă în aceeași direcție, dar cu viteze diferite. Lasati pe o astfel de farfurie cu o grosime d un fascicul polarizat plan incide cu amplitudinea vectorului electric E 0, al cărui plan de polarizare formează un unghi φ cu planul secțiunii principale a plăcii ОО´. Apoi ambele grinzi, obișnuite (o) și extraordinare (e) (Fig. 19.28), vor apărea în placă și vor fi coerente. În momentul apariției lor în placă, diferența de fază dintre ele este egală cu zero, dar va crește pe măsură ce razele pătrund în placă. Să calculăm această diferență de fază.

Diferența de cale optică Δ este egală cu diferența dintre lungimile căii optice ale razelor obișnuite și extraordinare:

Prin urmare, diferența de fază dintre ambele fascicule este egală cu

https://pandia.ru/text/78/081/images/image096_1.png" width="16" height="20 src="> - lungimea de undă în vid.

are o mare importanță în optica cristalului.
Culorile obținute cu diferențe de drum diferite sunt prezentate în tabelul Michel-Levy (Fig. 19.31).

12. Fenomenul de dispersie a luminii. dispersia materiei. Dispersie normală și anormală

Toată lumea a observat fenomenul de dispersie a luminii când a admirat curcubeul (Fig. 19.32). Aspectul său se datorează reflexiei interne totale a razelor în picăturile de apă, precum și dependența indicelui de refracție de lungimea de undă..png" width="68" height="25">.

Dispersia luminii este dependența indicelui de refracție al unei substanțe de frecvența (sau lungimea de undăl ) viteza luminii sau fazei https://pandia.ru/text/78/081/images/image109_3.png" width="68" height="25">.

Pentru prima dată, Newton a investigat experimental dispersia luminii în jurul anului 1672. Consecința dispersiei este descompunerea într-un spectru de lumină albă atunci când aceasta trece printr-o prismă (Fig. 19.33). După trecerea luminii printr-o prismă, se formează un spectru în care liniile fiecărei frecvențe (lungime de undă) ocupă un loc foarte specific. Razele roșii, care au o lungime de undă mai mare, sunt mai puțin deviate decât cele violete; prin urmare, spectrul de dispersie este invers spectrului de difracție, unde razele roșii sunt mai puternic deviate. Valoare

numit dispersia materiei arată cât de repede se modifică indicele de refracție cu lungimea de undă. Există două tipuri de dispersie: normal(D<0), при которой показатель преломления монотонно увеличивается с ростом частоты; и anormal(D>0), la care indicele de refracție scade odată cu creșterea frecvenței. Pentru toate substanțele transparente incolore din partea vizibilă a spectrului, dispersia este normală (secțiunile 1-2 și 3-4 din Fig. 19.34). Dacă o substanță absoarbe lumina într-un anumit interval de lungimi de undă (frecvențe), atunci dispersia în regiunea de absorbție se dovedește a fi anormală (secțiunea 2-3 din Fig. 19.34).

13. Teoria dispersiei Lorentz. Relația dintre absorbția luminii și dispersia anormală

Din teoria electromagnetică a lui Maxwell se știe că viteza de fază a undelor electromagnetice este egală cu

Unde c- viteza luminii în vid; e – permitivitatea dielectrică a mediului; m – permeabilitatea magnetică a mediului. Pentru majoritatea media transparente m=1, prin urmare,

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

Cu toate acestea, din ultima relație reiese unele contradicții: 1) n – variabilă și e – constantă pentru o substanță dată; 2) valori n nu sunt de acord cu valorile experimentale; de exemplu pentru apă n≈ 1.33, a e=81.

Dificultățile în explicarea dispersiei din punctul de vedere al teoriei electromagnetice a lui Maxwell sunt eliminate de teoria electronilor lui Lorentz. În teoria lui Lorentz, dispersia luminii este considerată ca rezultat al interacțiunii undelor electromagnetice cu materia. Mișcarea electronilor într-un atom respectă legile mecanicii cuantice. În special, conceptul de traiectorie a unui electron într-un atom își pierde orice sens. Totuși, așa cum a arătat Lorentz, pentru o înțelegere calitativă a multor fenomene optice, este suficient să ne limităm la ipoteza existenței electronilor legați cvasi-elastic în interiorul atomilor și moleculelor. Fiind scoși din poziția de echilibru, astfel de electroni vor începe să oscileze, pierzând treptat energia oscilațiilor la radiația undelor electromagnetice. Ca urmare, oscilațiile vor fi amortizate. Amortizarea poate fi luată în considerare prin introducerea unei „forțe de frecare” proporțională cu viteza.

O undă electromagnetică în care vectorul intensității câmpului electric se modifică conform legii:

, (19.20)

trecând prin substanță, acționează asupra fiecărui electron cu o forță:

, (19.21)

Unde E 0 este amplitudinea intensității câmpului electric al undei.

Pe baza celei de-a doua legi a lui Newton, putem scrie ecuația diferențială pentru oscilațiile electronice:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image120_3.png" width="76" height="48">. Sub influența forței (19.21), electronul efectuează oscilații forțate:

, (19.23)

amplitudine DARși faza j ale cărora sunt determinate de formulele:

; https://pandia.ru/text/78/081/images/image108_3.png" width="15" height="16">, diferită de viteza undelor în vid..png" width="15" înălțime=" 16"> din ω.

Pentru a simplifica calculele, vom neglija mai întâi atenuarea datorată radiației (β=0), apoi din (19.24) obținem:

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

Luând în considerare (19.20):

.

Ca urmare a deplasării electronilor din pozițiile de echilibru, molecula va dobândi un moment de dipol electric:

. (19.26)

Se presupune aici că fiecare atom (sau moleculă) al unei substanțe poate fi considerat ca un sistem de mai mulți oscilatori armonici - particule încărcate cu sarcini efective diferite. q i si masele m i, ale cărui frecvențe naturale de oscilație neamortizate sunt egale cu https://pandia.ru/text/78/081/images/image130_3.png" width="297" height="65 src=">. (19.27)

Permitivitatea unei substanțe este legată de susceptibilitatea dielectrică:

iar mărimea vectorului de polarizare este:

apoi de la (19.19), (19.27-19.29):

https://pandia.ru/text/78/081/images/image129_3.png" width="29" height="25">, suma în (19..png" width="29" height="25" >.png" width="29" height="25">.png" width="29" height="25">. Acest comportament al funcției se datorează faptului că am neglijat amortizarea: setăm β=0 Când β este diferit de zero, funcția (19.30) rămâne finită pentru toate valorile lui ω Fig. 19.35 arată cursul funcției (19.30) fără amortizare (linie întreruptă) și dependență. n 2=f(ω) cu atenuarea luată în considerare (curbă solidă). Merge

de la frecvențe la lungimi de undă, obținem curba prezentată în Fig. 19.34.

Astfel, în intervalele de frecvență apropiate de frecvențele proprii ale electronilor are loc o dispersie anormală, în timp ce în celelalte regiuni este normală. Zonele de dispersie anormală sunt zone rezonante. La rezonanța datorată forței motrice (19.21), amplitudinea oscilațiilor forțate este maximă, asigurând în același timp rata maximă de alimentare cu energie a sistemului, unda luminoasă este absorbită. Astfel, zonele de dispersie anormală, datorită naturii lor rezonante, sunt zone de absorbție. În Fig. 19.36, curba punctată ilustrează comportamentul coeficientului de absorbție a luminii de către o substanță.

La începutul secolului trecut, a studiat dispersia anormală în vapori de sodiu. El a propus o metodă pentru determinarea cantitativă a dispersiei anormale, numită metoda cârligului. Metoda și-a primit numele datorită îndoirii caracteristice a franjelor de interferență (Fig. 19.37), care reflectă modificarea indicelui de refracție în apropierea benzii duble de absorbție a vaporilor de sodiu. Cârligele se obțin datorită diferenței de cale a razelor care au trecut prin vaporii de sodiu din interferometru.

Teoria elementară a dispersiei Lorentz a făcut posibilă explicarea dispersiei normale și anormale, precum și selectivitatea absorbției luminii la diferite frecvențe, adică chiar faptul prezenței benzilor de absorbție. Totuși, diferența de intensități a benzilor nu poate fi explicată în cadrul teoriei clasice. Absorbția luminii are un caracter esențial cuantic.

14. Absorbția luminii. Legea lui Bouguer

Din experimente se știe că atunci când lumina trece printr-o substanță, intensitatea acesteia scade. Absorbția luminii este fenomenul de scădere a energiei unei unde luminoase pe măsură ce aceasta se propagă într-o substanță, care are loc ca urmare a transformării energiei undei în energia internă a substanței sau în energia radiației secundare. cu o compoziţie spectrală şi direcţii de propagare diferite. Absorbția luminii poate provoca încălzirea unei substanțe, excitarea și ionizarea atomilor sau moleculelor, reacții fotochimice și alte procese într-o substanță.

În secolul al XVIII-lea, Bouguer și Lambert au stabilit teoretic legea absorbției luminii. Când lumina trece printr-un strat subțire de mediu absorbant în direcția X scăderea intensității luminii dI proporţional cu intensitatea eu si grosimea stratului trecut dx(fig.19.38):

. (19.31)

Semnul „–” indică faptul că intensitatea este în scădere. Se numește coeficientul de proporționalitate din (19.31). rata de absorbție naturală (coeficient de absorbție) mediu inconjurator. Depinde de natura chimică și starea mediului absorbant și de lungimea de undă a luminii. Să transformăm și să integrăm această expresie:

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

.

Aici eu 0 și eu sunt intensitățile de radiație la intrare și la ieșire ale stratului mediu cu grosime d. După transformări, obținem:

;

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

Unde DIN este concentrația soluției, iar c este un factor de proporționalitate care nu depinde de concentrație. În soluțiile concentrate, legea lui Beer este încălcată din cauza influenței interacțiunii dintre moleculele apropiate ale substanței absorbante. Din (19.32) și (19.33) obținem Legea Bouguer-Lambert-Beer:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image153_3.png" width="53" height="52 src="> se numește transmitanțași este adesea exprimat ca procent:

.

Densitate optica este determinată de logaritmul natural (sau zecimal) al transmisiei:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image157_3.png" align="left" width="220" height="228">Coeficientul de absorbție depinde de lungimea de undă a luminii λ (sau frecvența ω) Pentru o substanță într-o asemenea stare încât atomii sau moleculele practic să nu se afecteze reciproc (gaze și vapori de metal la presiune scăzută), coeficientul de absorbție pentru majoritatea lungimilor de undă este aproape de zero și numai pentru regiunile spectrale foarte înguste dezvăluie maxime ascuțite (în Fig. Spectrul vaporilor de sodiu este prezentat în Fig. 19.39.Aceste maxime, conform teoriei elementare a electronilor a lui Lorentz, corespund frecvenţelor de rezonanţă ale vibraţiilor electronilor din atomi.În cazul moleculelor poliatomice se găsesc şi frecvenţe corespunzătoare. la vibrațiile atomilor din interiorul moleculelor.Deoarece masele atomilor sunt mult mai mari decât masa unui electron, frecvențele moleculare sunt mult mai puțin atomice - ele se încadrează în regiunea infraroșu a spectrului.

Solidele, lichidele și gazele la presiuni mari dau benzi largi de absorbție (Fig. 19.40 arată spectrul unei soluții de fenol). Pe măsură ce presiunea gazului crește, maximele de absorbție, inițial foarte înguste, se extind din ce în ce mai mult, iar la presiuni mari, spectrul de absorbție al gazelor se apropie de spectrul de absorbție al lichidelor. Acest fapt indică faptul că expansiunea benzilor de absorbție este rezultatul interacțiunii atomilor (sau moleculelor) unul cu celălalt.

Metalele sunt practic opace la lumină. Acest lucru se datorează prezenței electronilor liberi în metale. Sub acțiunea câmpului electric al unei unde luminoase, electronii liberi încep să se miște - în metal apar curenți alternativi rapid, însoțiți de eliberarea căldurii Lenz-Joule. Ca urmare, energia undei luminoase scade rapid, transformându-se în energia internă a metalului.

15. Efectul Cherenkov-Vavilov

În 1934, lucrând sub supraveghere, a descoperit un tip special de strălucire lichidă sub acțiunea particulelor încărcate, cum ar fi electronii.

O particulă încărcată care se mișcă uniform nu radiază - dar numai dacă viteza sa este mai mică decât viteza luminii într-un mediu dat. La

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

1) se propagă de-a lungul generatricelor unui con cu vârf în punctul în care se află particula (Fig. 19.41);

2) unghiul dintre viteza particulelor și direcția radiației este determinat de relația:

prin polarizare

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

rotirea planului de polarizare

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

prin dispersie

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

Doctor în Științe Tehnice A. GOLUBEV.

Două plăci complet identice din sticlă ușor întunecată sau plastic flexibil, puse împreună, sunt aproape transparente. Dar merită să întorci pe cineva cu 90, deoarece întunericul solid apare în fața ochiului. Acest lucru poate părea un miracol: la urma urmei, fiecare farfurie este transparentă la orice pas. totuși, o privire atentă va dezvălui că la anumite unghiuri de rotație, strălucirea de la apă, sticlă și suprafețele lustruite dispare. Același lucru poate fi observat atunci când vizualizați ecranul unui monitor LCD de computer prin placă: atunci când este întors, luminozitatea ecranului se modifică și, în anumite poziții, se stinge complet. „Vinovatul” tuturor acestor (și a multor alte) fenomene curioase este lumina polarizată. Polarizarea este o proprietate pe care o pot avea undele electromagnetice, inclusiv lumina vizibilă. Polarizarea luminii are multe aplicații interesante și merită să fie discutată mai detaliat.

Știință și viață // Ilustrații

Model mecanic de polarizare liniară a unei unde luminoase. Decalajul din gard permite vibrații ale frânghiei doar în plan vertical.

Într-un cristal anizotrop, un fascicul de lumină este împărțit în două fascicule polarizate în direcții reciproc perpendiculare (ortogonale).

Razele obișnuite și extraordinare sunt combinate spațial, amplitudinile undelor luminoase sunt aceleași. Când sunt adăugate, apare o undă polarizată.

Așa trece lumina printr-un sistem de două polaroide: a - când sunt paralele; b - încrucișat; c - situat într-un unghi arbitrar.

Două forțe egale aplicate în punctul A în direcții reciproc perpendiculare fac ca pendulul să se miște de-a lungul unei traiectorii circulare, rectilinie sau eliptice (o linie dreaptă este o elipsă „degenerată”, iar un cerc este cazul său special).

Știință și viață // Ilustrații

Fizpraktikum. Orez. unu.

Fizpraktikum. Orez. 2.

Fizpraktikum. Orez. 3.

Fizpraktikum. Orez. 4.

Fizpraktikum. Orez. cinci.

Fizpraktikum. Orez. 6.

Fizpraktikum. Orez. 7.

Fizpraktikum. Orez. 8.

Fizpraktikum. Orez. nouă.

Există multe procese oscilatorii în natură. Una dintre ele este oscilațiile armonice ale câmpurilor electrice și magnetice, care formează un câmp electromagnetic alternant, care se propagă în spațiu sub formă de unde electromagnetice. Aceste unde sunt transversale - vectorii e și n ai intensității câmpurilor electrice și magnetice sunt reciproc perpendiculari și oscilează pe direcția de propagare a undei.

Undele electromagnetice sunt împărțite condiționat în intervale în funcție de lungimile de undă care formează spectrul. Cea mai mare parte a sa este ocupată de unde radio cu o lungime de undă de la 0,1 mm la sute de kilometri. O parte mică, dar foarte importantă a spectrului este domeniul optic. Este împărțit în trei regiuni - partea vizibilă a spectrului, ocupând un interval de aproximativ 0,4 microni (lumină violetă) până la 0,7 microni (lumină roșie), ultravioletă (UV) și infraroșu (IR), invizibilă pentru ochi. Prin urmare, fenomenele de polarizare sunt accesibile observării directe numai în regiunea vizibilă.

Dacă oscilațiile vectorului intensității câmpului electric e al unei unde luminoase se rotesc aleatoriu în spațiu, unda se numește nepolarizată, iar lumina se numește naturală. Dacă aceste oscilații apar într-o singură direcție, unda este polarizată liniar. O undă nepolarizată este transformată într-una polarizată liniar folosind polarizatoare - dispozitive care transmit vibrații într-o singură direcție.

Să încercăm să descriem acest proces mai clar. Să ne imaginăm un gard obișnuit de lemn, într-una dintre scânduri din care este tăiată o fantă verticală îngustă. Să trecem o frânghie prin acest gol; îi fixăm capătul în spatele gardului și începem să scuturăm frânghia, forțând-o să oscileze în unghiuri diferite față de verticală. Întrebare: cum va vibra frânghia în spatele golului?

Răspunsul este evident: în spatele golului, frânghia va începe să oscileze doar în direcția verticală. Amplitudinea acestor oscilații depinde de direcția deplasărilor care vin în fantă. Vibrațiile verticale vor trece prin fantă complet și vor da amplitudinea maximă, vibrații orizontale - slotul nu va lipsi deloc. Și toate celelalte, „înclinate”, pot fi descompuse în componente orizontale și verticale, iar amplitudinea va depinde de mărimea componentei verticale. Dar, în orice caz, în spatele fantei vor rămâne doar oscilațiile verticale! Adică, golul din gard este un model de polarizator care convertește oscilațiile (undele) nepolarizate în cele polarizate liniar.

Să ne întoarcem în lume. Există mai multe moduri de a obține lumină polarizată liniar din lumină naturală, nepolarizată. Cele mai frecvent utilizate filme polimerice cu molecule lungi orientate într-o singură direcție (amintiți-vă de gardul cu o fantă!), prisme și plăci cu birefringență sau anizotropie optică (diferențe de proprietăți fizice în direcții diferite).

Anizotropia optică se observă în multe cristale - turmalină, spatar islandez, cuarț. Însuși fenomenul dublei refracții constă în faptul că un fascicul de lumină care cade pe un cristal este împărțit în două în el. În acest caz, indicele de refracție al cristalului pentru una dintre aceste raze este constant la orice unghi de incidență al fasciculului de intrare, iar pentru cealaltă depinde de unghiul de incidență (adică, cristalul este anizotrop pentru acesta). Această împrejurare i-a impresionat atât de mult pe descoperitori, încât prima rază a fost numită obișnuită, iar a doua - extraordinară. Și este foarte important ca aceste fascicule să fie polarizate liniar în planuri reciproc perpendiculare.

Rețineți că în astfel de cristale există o direcție de-a lungul căreia nu are loc dubla refracție. Această direcție se numește axa optică a cristalului, iar cristalul în sine este numit uniaxial. Axa optică este tocmai direcția, toate liniile care trec de-a lungul ei au proprietatea axei optice. Sunt cunoscute și cristale biaxiale - mica, gips și altele. Ele suferă și o dublă refracție, dar ambele fascicule se dovedesc a fi extraordinare. În cristalele biaxiale se observă fenomene mai complexe, pe care nu le vom atinge.

În unele cristale uniaxiale, a fost descoperit un alt fenomen curios: razele obișnuite și cele extraordinare experimentează absorbție semnificativ diferită (acest fenomen a fost numit dicroism). Deci, în turmalină, fasciculul obișnuit este absorbit aproape complet deja pe un drum de aproximativ un milimetru, iar cel extraordinar trece prin întregul cristal aproape fără pierderi.

Cristalele birefringente sunt folosite pentru a produce lumină polarizată liniar în două moduri. Primul folosește cristale care nu au dicroism; din ele se realizează prisme, compuse din două prisme triunghiulare cu aceeaşi orientare sau perpendiculară a axelor optice. În ele, fie un fascicul se abate în lateral, astfel încât din prismă iese doar un fascicul polarizat liniar, fie ambele fascicule ies, dar separate printr-un unghi mare. În a doua metodă, se folosesc cristale puternic dicroice, în care una dintre raze este absorbită, sau filme subțiri - polaroid sub formă de foi de suprafață mare.

Să luăm două polaroid, să le punem împreună și să ne uităm prin ele la o sursă de lumină naturală. Dacă axele de transmisie ale ambelor polaroid (adică direcțiile în care polarizează lumina) coincid, ochiul va vedea lumina de luminozitate maximă; dacă sunt perpendiculare, lumina este aproape complet stinsă.

Lumina de la sursă, care trece prin primul polaroid, va fi polarizată liniar de-a lungul axei sale de transmisie și în primul caz va trece liber prin cea de-a doua polaroid, iar în al doilea caz nu va trece (amintim exemplul cu un decalaj). în gard). În primul caz, se spune că polaroidele sunt paralele; în al doilea caz, se spune că polaroidurile sunt încrucișate. În cazurile intermediare, când unghiul dintre axele de transmisie ale polaroidelor diferă de la 0 sau 90°, vom obține și valori intermediare de luminozitate.

Să mergem mai departe. În orice polarizator, lumina care vine este împărțită în două fascicule separate spațial și polarizate liniar în planuri reciproc perpendiculare - obișnuit și extraordinar. Și ce se va întâmpla dacă razele obișnuite și extraordinare nu sunt separate spațial și una dintre ele nu se stinge?

Figura prezintă un circuit care implementează acest caz. Lumina de o anumită lungime de undă, care trece printr-un polarizator P și devenind liniar polarizată, cade sub un unghi de 90 o pe o placă P, tăiată dintr-un cristal uniaxial paralel cu axa sa optică. Z Z. Două unde se propagă în placă - obișnuită și extraordinară - în aceeași direcție, dar cu viteze diferite (deoarece au indici de refracție diferiți). Unda extraordinară este polarizată de-a lungul axei optice a cristalului, în timp ce unda obișnuită este polarizată în direcția perpendiculară. Să presupunem că unghiul a dintre direcția de polarizare a luminii incidente pe placă (axa de transmisie a polarizatorului P) și axa optică a plăcii este de 45° și amplitudinile oscilațiilor undelor obișnuite și extraordinare. Oh ohȘi A e sunt egale. Acesta este cazul adunării a două vibrații reciproc perpendiculare cu aceleași amplitudini. Să vedem ce se întâmplă ca urmare.

Pentru claritate, ne întoarcem la o analogie mecanică. Există un pendul, un tub este atașat de el cu un flux subțire de cerneală curgând din el. Pendulul oscilează într-o direcție strict fixă, iar cerneala trasează o linie dreaptă pe o coală de hârtie. Acum îl vom împinge (fără oprire) în direcția perpendiculară pe planul de balansare, astfel încât intervalul oscilațiilor sale în noua direcție să fie același cu cel inițial. Astfel, avem două oscilații ortogonale cu aceleași amplitudini. Ceea ce desenează cerneala depinde de locul pe traiectorie AOB era un pendul când l-am împins.

Să presupunem că l-am împins în momentul în care era în poziția extremă stângă, la punct DAR. Apoi asupra pendulului vor actiona doua forte: una in directia miscarii initiale (spre punctul O), cealalta in directia perpendiculara. LA FEL DE. Deoarece aceste forțe sunt aceleași (amplitudinele oscilațiilor perpendiculare sunt egale), pendulul va merge în diagonală ANUNȚ. Traiectoria sa va fi o linie dreaptă care merge la un unghi de 45 o față de direcțiile ambelor oscilații.

Dacă împingi pendulul când se află în poziția extremă dreaptă, în punctul B, atunci din raționament similar este clar că și traiectoria lui va fi dreaptă, dar rotită cu 90 o. Dacă împingeți pendulul în punctul mijlociu O, capătul pendulului va descrie un cerc, iar dacă într-un punct arbitrar - o elipsă; în plus, forma sa depinde de punctul exact în care a fost împins pendulul. Prin urmare, cercul și linia sunt cazuri speciale de mișcare eliptică (linia este o elipsă „degenerată”).

Oscilația pendulului rezultată în linie dreaptă este un model de polarizare liniară. Dacă traiectoria sa descrie un cerc, oscilația se numește polarizat circular sau polarizat circular. În funcție de sensul de rotație, în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, se vorbește de polarizare circulară dreapta, respectiv stânga. În cele din urmă, dacă pendulul urmărește o elipsă, se spune că oscilația este polarizată eliptic, caz în care se distinge și între polarizarea eliptică dreapta și cea stângă.

Exemplul cu un pendul oferă o reprezentare vizuală a felului de polarizare va primi o oscilație, care apare atunci când se adaugă două oscilații polarizate liniar perpendiculare reciproc. Se pune întrebarea: care este analogul setării celei de-a doua oscilații (perpendiculare) în diferite puncte ale traiectoriei pendulului pentru undele luminoase?

Sunt diferența de fază φ a undelor obișnuite și extraordinare. Împingerea pendulului în punct DAR corespunde diferenței de fază zero, la punctul IN - diferența de fază este de 180 o, în punctul O - 90 o dacă pendulul trece prin acest punct de la stânga la dreapta (de la A la B), sau 270 o dacă de la dreapta la stânga (din B). la A).În consecință, la adăugarea undelor luminoase cu polarizări liniare ortogonale și amplitudini egale, polarizarea undei rezultate depinde de diferența de fază a undelor adăugate.

Tabelul arată că cu o diferență de fază de 0 o și 180 o, polarizarea eliptică se transformă într-una liniară, cu o diferență de 90 o și 270 o - într-o polarizare circulară cu diferite direcții de rotație a vectorului rezultat. Iar polarizarea eliptică se poate obține prin adăugarea a două unde polarizate liniar ortogonale și cu o diferență de fază de 90 o sau 270 o, dacă aceste unde au amplitudini diferite. În plus, lumina polarizată circular poate fi obținută fără a adăuga deloc două unde polarizate liniar, de exemplu, cu efectul Zeeman - divizarea liniilor spectrale într-un câmp magnetic. Lumina nepolarizată cu frecvența v, care trece printr-un câmp magnetic aplicat în direcția de propagare a luminii, este împărțită în două componente cu polarizări circulare stânga și dreapta și frecvențe simetrice față de ν (ν - ∆ν) și (ν + ∆ν) .

O metodă foarte comună pentru obținerea diferitelor tipuri de polarizare și transformarea acestora este utilizarea așa-numitelor plăci de fază realizate dintr-un material birefringent cu indici de refracție. NuȘi n e . Grosimea farfuriei d este ales astfel încât la ieșire diferența de fază dintre componentele obișnuite și extraordinare ale undei să fie de 90 sau 180 o. O diferență de fază de 90 o corespunde unei diferențe de cale optică d(n o - n e), egal cu λ / 4, iar diferența de fază 180 aproximativ - λ / 2, unde λ este lungimea de undă a luminii. Aceste înregistrări sunt numite sfert de undă și jumătate de undă. Este practic imposibil să se realizeze o placă cu o grosime de un sfert sau jumătate de lungime de undă, astfel încât același rezultat se obține cu plăci mai groase, dând o diferență de cale de (kλ + λ/4) și (kλ + λ/2), unde k este un număr întreg. O placă cu un sfert de undă transformă lumina polarizată liniar în lumină polarizată eliptică; dacă placa este semiundă, atunci la ieșire se obține și lumină polarizată liniar, dar cu direcția de polarizare perpendiculară pe cea de intrare. O diferență de fază de 45° va da polarizare circulară.

Dacă plasăm o placă birefringentă de grosime arbitrară între polaroiduri paralele sau încrucișate și privim prin acest sistem la lumină albă, vom vedea că câmpul vizual a devenit colorat. Dacă grosimea plăcii nu este aceeași, apar zone multicolore, deoarece diferența de fază depinde de lungimea de undă a luminii. Daca unul dintre polaroid (nu conteaza care) este rotit cu 90 o, culorile se vor schimba in altele: rosu - spre verde, galben - spre violet (in total dau lumina alba).

Lumina polarizată a fost propusă a fi utilizată pentru a proteja șoferul de lumina orbitoare a farurilor unei mașini care se apropie. Dacă pe parbriz și pe farurile unei mașini sunt aplicate polaroiduri de film cu un unghi de transmisie de 45 o, de exemplu, în dreapta verticalei, șoferul va vedea clar drumul și mașinile care se apropie iluminate de propriile faruri. Dar pentru mașinile care se apropie, polaroidurile farurilor vor fi încrucișate cu polaroidul parbrizului acestei mașini, iar farurile mașinilor care se apropie se vor stinge.

Două polaroid-uri încrucișate formează baza multor dispozitive utile. Lumina nu trece prin polaroidele încrucișate, dar dacă plasezi între ele un element optic care rotește planul de polarizare, poți deschide calea luminii. Așa sunt aranjați modulatoarele de lumină electro-optice de mare viteză. Între polaroidele încrucișate, de exemplu, este plasat un cristal birefringent, căruia i se aplică o tensiune electrică. Într-un cristal, ca rezultat al interacțiunii a două unde polarizate liniar ortogonale, lumina devine polarizată eliptic cu o componentă în planul de transmisie al celei de-a doua polaroid (efect electro-optic liniar sau efect Pockels). Când se aplică o tensiune alternativă, forma elipsei se va schimba periodic și, în consecință, valoarea componentei care trece prin a doua polaroidă. Acesta este modul în care se realizează modularea - o modificare a intensității luminii cu o frecvență a tensiunii aplicate, care poate fi foarte mare - până la 1 gigahertz (10 9 Hz). Se dovedește un obturator care întrerupe lumina de un miliard de ori pe secundă. Ego-ul este folosit în multe dispozitive tehnice - în telemetrie electronice, canale optice de comunicare, tehnologie laser.

Sunt cunoscute așa-numitele ochelari fotocromici, care se întunecă în lumina puternică a soarelui, dar nu sunt capabili să protejeze ochii cu un bliț foarte rapid și luminos (de exemplu, în timpul sudării electrice) - procesul de întunecare este relativ lent. Ochelarii polarizați bazați pe efectul Pockels au o „reacție” aproape instantanee (mai puțin de 50 μs). Lumina unui bliț strălucitor intră în fotodetectoarele miniaturale (fotodiode), care furnizează un semnal electric, sub influența căruia ochelarii devin opace.

Ochelarii polarizați sunt folosiți în cinematograful stereo, ceea ce dă iluzia tridimensionalității. Iluzia se bazează pe crearea unei perechi stereo - două imagini realizate în unghiuri diferite, corespunzătoare unghiurilor de vedere ale ochiului drept și stâng. Sunt considerate astfel încât fiecare ochi să vadă doar imaginea destinată acestuia. Imaginea pentru ochiul stâng este proiectată pe ecran printr-un polaroid cu o axă de transmisie verticală, iar pentru ochiul drept - cu o axă orizontală și sunt combinate precis pe ecran. Privitorul se uită prin ochelari polaroid, în care axa polaroidului stâng este verticală, iar cea dreaptă este orizontală; fiecare ochi vede doar „propria” imagine și apare un efect stereo.

Pentru televiziunea stereoscopică se folosește o metodă de atenuare rapidă alternativă a ochelarilor, sincronizată cu schimbarea imaginilor de pe ecran. Datorită inerției vederii, apare o imagine tridimensională.

Polaroidele sunt utilizate pe scară largă pentru a atenua strălucirea de la sticlă și suprafețele lustruite, de la apă (lumina reflectată de ele este foarte polarizată). Ecrane polarizate și luminoase ale monitoarelor cu cristale lichide.

Metodele de polarizare sunt utilizate în mineralogie, cristalografie, geologie, biologie, astrofizică, meteorologie și în studiul fenomenelor atmosferice.

Literatură

Zhevandrov N.D. Polarizarea luminii. - M.: Nauka, 1969.

Zhevandrov N.D. Anizotropie și optică. - M.: Nauka, 1974.

Zhevandrov N.D. Aplicarea luminii polarizate. - M.: Nauka, 1978.

Shercliff W. Lumină polarizată / Per. din engleza. - M.: Mir, 1965.

Fizpraktikum

LUME POLARIZATĂ

Revista a scris deja despre proprietățile luminii polarizate, ale polariscoapelor de casă și ale obiectelor transparente care încep să strălucească cu toate culorile curcubeului (vezi Știința și viața, nr. ). Să luăm în considerare aceeași întrebare folosind noi dispozitive tehnice.

Orice dispozitiv cu ecran LCD color (cu cristale lichide) - monitor, laptop, televizor, DVD player, computer de buzunar, smartphone, comunicator, telefon, rama foto electronica, MP3 player, camera digitala - poate fi folosit ca polarizator (un dispozitiv care creează lumină polarizată).

Faptul este că însuși principiul de funcționare al monitorului LCD se bazează pe procesarea luminii polarizate (1). O descriere mai detaliată a lucrării poate fi găsită la http://master-tv.com/, iar pentru practica noastră fizică este important ca dacă iluminam ecranul cu lumină albă, de exemplu, desenând un pătrat alb sau fotografiend o foaie albă de hârtie, vom obține lumină polarizată plană, pe care vom efectua experimente ulterioare.

Este interesant că, privind ecranul alb la mărire mare, nu vom vedea un singur punct alb (2) - întreaga varietate de nuanțe este obținută printr-o combinație de nuanțe de roșu, verde și albastru.

Poate, dintr-o șansă norocoasă, ochii noștri folosesc și trei tipuri de conuri care reacționează la culorile roșu, verde și albastru, astfel încât, cu raportul corect de culori primare, percepem acest amestec ca fiind alb.

Pentru a doua parte a polariscopului - analizorul - ochelarii polarizati sunt potriviti, sunt vânduți în magazinele de pescuit (reduce strălucirea de la suprafața apei) sau în magazinele auto (elimină strălucirea de pe suprafețele de sticlă). Este foarte ușor să verificați autenticitatea unor astfel de ochelari: rotind ochelarii unul față de celălalt, puteți bloca aproape complet lumina (3).

Și, în sfârșit, puteți face un analizor de pe un afișaj LCD de la un ceas electronic deteriorat sau alte produse cu ecrane alb-negru (4). Cu ajutorul acestor dispozitive simple, puteți vedea o mulțime de lucruri interesante, iar dacă puneți analizorul în fața obiectivului camerei, puteți salva fotografii bune (5).

Un obiect din plastic absolut transparent - o riglă (8), o cutie pentru CD-uri (9) sau discul „zero” în sine (vezi fotografia de pe coperta frontală) - plasat între ecranul LCD și analizor, capătă un curcubeu culoare. O figurină geometrică din celofan scoasă dintr-un pachet de țigări și așezată pe o foaie din același celofan devine colorată (6). Și dacă rotiți analizorul cu 90 de grade, toate culorile se vor schimba în altele - roșu va deveni verde, galben - violet, portocaliu - albastru (7).

Motivul pentru acest fenomen este că materialul transparent la lumina naturală este de fapt neomogen sau, ceea ce este același, anizotrop. Proprietățile sale fizice, inclusiv indicii de refracție ai diferitelor părți ale obiectului, nu sunt aceleași. Fasciculul de lumină din acesta este împărțit în două, care se deplasează cu viteze diferite și sunt polarizate în planuri reciproc perpendiculare. Intensitatea luminii polarizate, rezultatul adăugării a două unde luminoase, nu se va modifica. Dar analizorul va tăia din el două unde polarizate plan, oscilând în același plan, care vor interfera (vezi „Știința și viața” nr. 1, 2008). Cea mai mică modificare a grosimii plăcii sau solicitările în grosimea acesteia duce la apariția unei diferențe în traseul undelor și la apariția culorii.

În lumină polarizată, este foarte convenabil să studiezi distribuția tensiunilor mecanice în detaliile mașinilor și mecanismelor, structurilor de construcție. Un model plat al unei piese (grindă, suport, pârghie) este realizat din plastic transparent și i se aplică o sarcină care simulează una reală. Dungile multicolore care apar în lumina polarizată indică punctele slabe ale piesei (colț acut, îndoire puternică etc.) - tensiunile sunt concentrate în ele. Schimbând forma piesei, ei ating cea mai mare rezistență.

Nu este greu să faci singur un astfel de studiu. Din sticlă organică (de preferință omogenă), puteți tăia, de exemplu, un model de cârlig (un cârlig pentru ridicarea unei sarcini), îl puteți atârna în fața ecranului, îl puteți încărca cu greutăți de diferite greutăți pe bucle de sârmă și observați cum distribuția stresului se modifică în ea.

Până acum, am vorbit despre medii al căror indice de refracție este diferit pentru diferite direcții de polarizare a fasciculului de lumină incidentă. De mare importanță pentru aplicațiile practice sunt alte medii, în care, în funcție de polarizarea luminii, se modifică nu numai indicele de refracție, ci și coeficientul de absorbție. Ca și în cazul birefringenței, este ușor de înțeles că absorbția poate depinde de direcția oscilațiilor forțate ale sarcinilor doar în medii anizotrope. Primul exemplu, vechi, acum celebru, este turmalina, iar celălalt este un polaroid. Polaroid constă dintr-un strat subțire de mici cristale de herapatită (sare de iod și chinină), aliniate cu axele paralele între ele. Aceste cristale absorb lumina atunci când vibrează într-o direcție și nu absorb aproape nicio lumină când vibrează în cealaltă direcție.

Să direcționăm un fascicul de lumină polarizat într-un unghi față de axa Polaroid. Care va fi intensitatea fasciculului care trece prin polaroid? Să ne descompunăm fasciculul de lumină în două componente: una cu o polarizare perpendiculară pe cea care trece fără atenuare (este proporțională cu ), iar a doua - o componentă longitudinală proporțională cu . Doar o porțiune proporțională cu ; va trece prin polaroid. componentă proporțională cu va fi absorbită. Amplitudinea luminii transmise prin polaroid este mai mica decat amplitudinea luminii incidente si se obtine din aceasta prin inmultirea cu . Intensitatea luminii este proporțională cu pătratul. Astfel, dacă lumina incidentă este polarizată la un unghi față de axa polaroidă, fracția de intensitate transmisă de polarizator este egală cu intensitatea totală. Fracția de intensitate absorbită într-un polaroid este, desigur, .

Un paradox interesant apare în următorul experiment. Se știe că două polaroide cu axe situate perpendicular unul pe celălalt nu transmit lumină. Dar dacă un al treilea polaroid este plasat între astfel de polaroid, a cărui axă este îndreptată într-un unghi față de axele celorlalte două, o parte din lumină va trece prin sistemul nostru. După cum știm, Polaroid absoarbe doar lumina, nu poate crea lumină. Cu toate acestea, plasând cea de-a treia polaroid într-un unghi, creștem cantitatea de lumină transmisă. Puteți analiza singur acest fenomen ca un exercițiu.

Unul dintre cele mai interesante fenomene de polarizare, care apare nu în cristale complexe și în orice materiale speciale, ci într-un caz simplu și foarte cunoscut, este reflexia de la suprafață. Pare incredibil, dar atunci când este reflectată din sticlă, lumina poate fi polarizată, iar explicarea fizică a acestui fapt este foarte simplă. Brewster a arătat experimental că lumina reflectată de o suprafață este complet polarizată dacă razele reflectate și refractate în mediu formează un unghi drept. Acest caz este prezentat în Fig. 33.4.

Figura 33.4. Reflectarea luminii polarizate liniar la unghiul Brewster.

Direcția de polarizare este dată de săgeți punctate: punctele rotunde reprezintă polarizarea perpendiculară pe planul paginii.

Dacă fasciculul incident este polarizat în planul de incidență, nu va exista deloc fascicul reflectat. Un fascicul reflectat apare numai dacă fasciculul incident este polarizat perpendicular pe planul de incidență. Motivul acestui fenomen este ușor de înțeles. Într-un mediu reflectorizant, lumina este polarizată perpendicular pe direcția fasciculului și știm că mișcarea sarcinilor într-un mediu reflectorizant este cea care generează un fascicul care emană din acesta, care se numește reflectat. Apariția acestei așa-numite raze reflectate nu se datorează pur și simplu faptului că raza incidentă este reflectată; acum știm deja că fasciculul incident excită mișcarea sarcinilor în mediu, iar acesta, la rândul său, generează fasciculul reflectat.

Din fig. 33.4 este clar că numai vibrațiile perpendiculare pe planul paginii emit radiații în direcția fasciculului reflectat și, prin urmare, fasciculul reflectat este polarizat perpendicular pe planul de incidență. Dacă fasciculul incident este polarizat în planul de incidență, nu va exista deloc fascicul reflectat.

Acest fenomen poate fi demonstrat cu ușurință atunci când un fascicul polarizat liniar este reflectat de o placă de sticlă plană. Întorcând placa în unghiuri diferite față de direcția fasciculului polarizat incident, se poate observa o scădere bruscă a intensității la o valoare a unghiului egală cu unghiul Brewster. Această scădere a intensității se observă numai atunci când planul de polarizare coincide cu planul de incidență. Dacă planul de polarizare este perpendicular pe planul focului, nu se observă o scădere vizibilă a intensității luminii reflectate.

Câmpurile undei sunt reciproc perpendiculare și oscilează perpendicular pe vectorul viteză a undei (perpendicular pe fascicul). Prin urmare, pentru a descrie legile polarizării luminii, este suficient să cunoaștem comportamentul doar a unuia dintre vectori. De obicei, toate raționamentele sunt efectuate cu privire la vector luminos- vectorul intensității câmpului electric (această denumire se datorează faptului că atunci când lumina acționează asupra unei substanțe, componenta electrică a câmpului de undă, care acționează asupra electronilor din atomii substanței, are o importanță primordială).

Lumina este radiația electromagnetică totală a multor atomi. Atomii, pe de altă parte, emit unde luminoase independent unul de celălalt, prin urmare, unda luminoasă emisă de corp în ansamblu este caracterizată de tot felul de oscilații echiprobabile ale vectorului luminos (Fig. 272, dar; fasciculul este perpendicular pe planul figurii). În acest caz, distribuția uniformă a vectorilor este explicată de un număr mare de emițători atomici, iar egalitatea valorilor de amplitudine ale vectorilor este explicată prin aceeași intensitate (în medie) a radiației fiecăruia dintre atomi. Ușoară cu toate orientările posibile echiprobabile ale vectorului (și, prin urmare, ) se numește natural.

Ușoară, în care direcțiile de oscilație ale vectorului luminos sunt cumva ordonate, se numește polarizat. Deci, dacă în urma oricăror influențe externe, apare o direcție predominantă (dar nu exclusivă!) a oscilațiilor vectoriale (Fig. 272, b), atunci avem de-a face lumină parțial polarizată. Ușoară, în care vectorul (și, prin urmare, ) oscilează într-o singură direcție, perpendicular pe fascicul (Fig. 272, în), se numește polarizat plan (polarizat liniar).

Planul care trece prin direcția de oscilație a vectorului luminos al unei unde polarizate plan și direcția de propagare a acestei unde se numește planul de polarizare. Lumina polarizată plană este cazul limitativ lumină polarizată eliptic- lumina, pentru care vectorul (vectorul ) se modifica in timp astfel incat capatul sau descrie o elipsa situata intr-un plan perpendicular pe fascicul. Dacă elipsa de polarizare degenerează (vezi § 145) într-o linie dreaptă (când diferența de fază este egală cu zero sau ), atunci avem de-a face cu lumina polarizată plană considerată mai sus, dacă într-un cerc (când ( = ± /2 și amplitudinile undelor combinate sunt egale), atunci avem afaceri cu lumină polarizată circular (polarizat circular).. Gradul de polarizare se numeste cantitate

unde și sunt intensitățile luminii maxime și minime corespunzătoare a două componente perpendiculare reciproce ale vectorului . Pentru lumină naturală = și R= 0, pentru plan polarizat = 0 și R = 1.

Lumina naturală poate fi convertită în lumină polarizată plană folosind așa-numita polarizatoare, transmiterea vibrațiilor doar într-o anumită direcție (de exemplu, transmiterea vibrațiilor paralele cu planul polarizatorului și blocând complet vibrațiile perpendiculare pe acest plan). Mediile care sunt anizotrope în raport cu oscilațiile vectorului pot fi utilizate ca polarizatori, de exemplu, cristale (anizotropia lor este cunoscută, vezi §70). Dintre cristalele naturale care au fost folosite mult timp ca polarizator, trebuie remarcată turmalina.

Luați în considerare experimentele clasice cu turmalina (Fig. 273). Să direcționăm lumina naturală perpendicular pe placa de turmalină T 1 tăietură paralelă cu așa-numita axa optică 00 (vezi §192).

Învârtirea cristalului T 1 în jurul direcției fasciculului, nu observăm nicio modificare a intensității luminii transmise prin turmalină. Dacă o a doua placă de turmalină este plasată pe calea fasciculului T 2 și rotiți-l în jurul direcției fasciculului, apoi intensitatea luminii care trece prin plăci variază în funcție de unghiul dintre axele optice ale cristalelor de-a lungul Legea Malus(E. Malus (1775-1812) - fizician francez):

(190.1)

unde și sunt, respectiv, intensitatea luminii incidente pe al doilea cristal și care iese din acesta. În consecință, intensitatea luminii transmise prin plăci se modifică de la un minim (stingerea completă a luminii) la = /2 (axele optice ale plăcilor sunt perpendiculare) la un maxim la = 0 (axele optice ale plăcilor sunt paralele) . Totuși, după cum reiese din fig. 274, amplitudinea vibrațiilor luminoase care trec prin placă T 2, va fi mai mică decât amplitudinea vibrațiilor luminii incidente asupra acesteia:

Deoarece intensitatea luminii este proporțională cu pătratul amplitudinii, atunci se obține expresia (190.1).

Rezultatele experimentelor cu cristale de turmalina pot fi explicate destul de simplu, pe baza conditiilor de mai sus pentru transmiterea luminii de catre un polarizator. Prima placă de turmalină transmite vibrații numai într-o anumită direcție (în Fig. 273 această direcție este indicată de săgeata AB), adică transformă lumina naturală în lumină polarizată plană. A doua placă de turmaline, în funcție de orientarea sa față de lumina polarizată, transmite mai mult sau mai puțin din aceasta, ceea ce corespunde componentului paralel cu axa celei de-a doua turmaline. Pe fig. 273 ambele plăci sunt dispuse astfel încât direcțiile vibrațiilor transmise de ele AB și A"B" să fie perpendiculare între ele. În acest caz T 1 trece vibrațiile direcționate de-a lungul AB și T 2 le stinge complet, adică lumina nu trece prin a doua placă de turmalină.

Farfurie T 1, care transformă lumina naturală în plan polarizat, este polarizator. Farfurie T 2, care servește la analiza gradului de polarizare a luminii, se numește analizor. Ambele înregistrări sunt exact aceleași (pot fi schimbate).

Dacă lumina naturală este trecută prin două polarizatoare ale căror planuri formează un unghi , atunci din primul va ieși lumină plan-polarizată, a cărei intensitate va ieși din al doilea, conform (190.1), va veni lumină cu o intensitate. afară. Prin urmare, intensitatea luminii care trece prin două polarizatoare este

de unde (polarizatoarele sunt paralele) și = 0 (polarizatoarele sunt încrucișate).

Direcția de propagare a undei;

Circular polarizare - dreapta sau stânga, în funcție de sensul de rotație al vectorului de inducție;

Eliptic polarizare - un caz intermediar între polarizările circulare și cele liniare.

Radiația incoerentă poate să nu fie polarizată sau să fie total sau parțial polarizat în oricare dintre modurile de mai sus. În acest caz, conceptul de polarizare este înțeles statistic.

În considerarea teoretică a polarizării, se presupune că unda se propagă orizontal. Apoi putem vorbi de polarizări liniare verticale și orizontale ale undei.

Liniar Circular Eliptic

Teoria fenomenului

O undă electromagnetică poate fi descompusă (atât teoretic, cât și practic) în două componente polarizate, de exemplu polarizate vertical și orizontal. Alte expansiuni sunt posibile, de exemplu, într-o pereche diferită de direcții reciproc perpendiculare sau în două componente având polarizare circulară stânga și dreapta. Când încercați să extindeți o undă polarizată liniar în polarizări circulare (sau invers), vor apărea două componente de jumătate de intensitate.

Din punct de vedere cuantic și clasic, polarizarea poate fi descrisă printr-un vector complex bidimensional ( Vectorul Jones). Polarizarea fotonului este o implementare a q-bit.

Radiația antenei are de obicei polarizare liniară.

Schimbând polarizarea luminii la reflectarea de la suprafață, se poate aprecia structura suprafeței, constantele optice și grosimea probei.

Dacă lumina împrăștiată este polarizată, atunci folosind un filtru de polarizare cu o polarizare diferită, este posibil să se limiteze trecerea luminii. Intensitatea luminii care trece prin polarizatoare respectă legea Malus. LCD-urile funcționează pe acest principiu.

Unele ființe vii, cum ar fi albinele, sunt capabile să distingă polarizarea liniară a luminii, ceea ce le oferă oportunități suplimentare de orientare în spațiu. S-a descoperit că unele animale, cum ar fi creveții păun, sunt capabile să distingă lumina polarizată circular, adică lumina cu polarizare circulară.

Istoria descoperirilor

Descoperirea undelor de lumină polarizată a fost precedată de munca multor oameni de știință. În 1669, omul de știință danez E. Bartholin a raportat experimentele sale cu cristale calcaroase (CaCO3), cel mai adesea sub forma unui romboedru obișnuit, care au fost aduse de marinarii care se întorceau din Islanda. A fost surprins să descopere că un fascicul de lumină care trece printr-un cristal se împarte în două fascicule (numite acum obișnuit și extraordinar). Bartholin a efectuat un studiu amănunțit al fenomenului dublei refracții descoperit de el, dar nu a putut da o explicație. La douăzeci de ani de la experimentele lui E. Bartholin, descoperirea sa a atras atenția savantului olandez H. Huygens. El însuși a început să investigheze proprietățile cristalelor spate din Islanda și a dat o explicație pentru fenomenul dublei refracții pe baza teoriei sale ondulatorii a luminii. În același timp, a introdus conceptul important al axei optice a unui cristal, în timpul rotației în jurul căruia nu există anizotropie a proprietăților cristalului, adică dependența lor de direcție (desigur, nu toate cristalele au o astfel de axă). ). În experimentele sale, Huygens a mers mai departe decât Bartholin, trecând ambele fascicule care au ieșit dintr-un cristal spatar islandez printr-un al doilea cristal similar. S-a dovedit că, dacă axele optice ale ambelor cristale sunt paralele, atunci descompunerea ulterioară a acestor raze nu mai are loc. Dacă al doilea romboedru este rotit cu 180 de grade în jurul direcției de propagare a unei raze obișnuite, atunci când trece prin al doilea cristal, raza extraordinară suferă o deplasare în direcția opusă deplasării primului cristal și ambele raze vor veni dintr-un astfel de sistem conectat într-un singur fascicul. S-a mai constatat că, în funcție de unghiul dintre axele optice ale cristalelor, se modifică intensitatea razelor obișnuite și extraordinare. Aceste studii l-au adus pe Huygens aproape de descoperirea fenomenului de polarizare a luminii, dar el nu a putut face un pas decisiv, deoarece undele luminoase în teoria sa se presupuneau a fi longitudinale. Pentru a explica experimentele lui H. Huygens, I. Newton, care a aderat la teoria corpusculară a luminii, a prezentat ideea absenței simetriei axiale a unui fascicul de lumină și a făcut astfel un pas important către înțelegerea polarizării luminii. . În 1808, fizicianul francez E. Malus, privind printr-o bucată de spate islandeză la ferestrele Palatului Luxemburg din Paris, strălucind în razele soarelui apus, a observat spre surprinderea sa că la o anumită poziție a cristalului, doar era vizibilă o imagine. Pe baza acestui experiment și a altor experimente și pe baza teoriei corpusculare a luminii a lui Newton, el a sugerat că corpusculii din lumina soarelui sunt orientați aleatoriu, dar după reflectarea de la o suprafață sau trecând printr-un cristal anizotrop, aceștia capătă o anumită orientare. O astfel de lumină „ordonată” a numit-o polarizată.

Parametrii Stokes

Reprezentarea polarizării în termeni de parametrii Stokes pe sfera Poincaré

În general, o undă plană monocromatică are polarizare eliptică dreapta sau stânga. Caracteristica completă a elipsei este dată de trei parametri, de exemplu, semilungimile laturilor dreptunghiului în care este înscrisă elipsa de polarizare. A 1 , A 2 și diferența de fază φ, sau semiaxele elipsei A , bși unghiul ψ dintre axă Xși axa majoră a elipsei. Este convenabil să descriem o undă polarizată eliptic pe baza parametrilor Stokes:

, ,

Doar trei dintre ele sunt independente, deoarece identitatea este adevărată:

Dacă introducem un unghi auxiliar χ, definit prin expresie (semnul corespunde la dreapta, iar - la polarizarea stângă), atunci putem obține următoarele expresii pentru parametrii Stokes:

Pe baza acestor formule, este posibil să se caracterizeze polarizarea unei unde luminoase într-un mod geometric clar. În acest caz, parametrii Stokes , , sunt interpretați ca coordonatele carteziene ale unui punct situat pe suprafața unei sfere de rază . Unghiurile și au semnificația coordonatelor unghiulare sferice ale acestui punct. O astfel de reprezentare geometrică a fost propusă de Poincaré, așa că această sferă se numește sfera Poincaré.

Alături de , , sunt utilizați și parametrii Stokes normalizați , ,. Pentru lumina polarizata .

Vezi si

Literatură

• Akhmanov S.A., Nikitin S.Yu. - Optica fizica, editia a II-a, M. - 2004.
• Born M., Wolf E. - Fundamentele opticii, ediția a II-a, revăzută, trad. din engleză, M. - 1973

Note

Fundația Wikimedia. 2010 .

Vedeți ce este „Polarizarea luminii” în alte dicționare:

Fiz. caracteristica optică. radiație, care descrie anizotropia transversală a undelor luminoase, adică neechivalența dec. direcții într-un plan perpendicular pe fasciculul luminos. Primele indicii ale anizotropiei transversale a unui fascicul de lumină au fost obținute... Enciclopedia fizică

Enciclopedia modernă

Polarizarea luminii- POLARIZAREA LUMINII, ordinea în orientarea vectorului de intensitate al câmpurilor electrice E și magnetice H ale unei unde luminoase într-un plan perpendicular pe propagarea luminii. Există o polarizare liniară a luminii, atunci când E rămâne constantă ... ... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat

polarizarea luminii- polarizare Proprietate a luminii caracterizată prin ordonarea spațio-temporală a orientării vectorilor magnetici și electrici. Note 1. În funcție de tipurile de ordonare, se disting: polarizare liniară, eliptică ... ... Manualul Traducătorului Tehnic

- (lat. din polus). Proprietatea razelor de lumină care, atunci când sunt reflectate sau refractate, își pierd capacitatea de a fi reflectate sau refractate din nou în direcții cunoscute. Dicționar de cuvinte străine incluse în limba rusă. Chudinov A.N.,… … Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse

Ordinea în orientarea vectorilor de intensitate ai câmpurilor electrice E și magnetice H ai unei unde luminoase într-un plan perpendicular pe fasciculul luminos. Distingeți polarizarea liniară a luminii atunci când E menține o direcție constantă (după planul ... ... Dicţionar enciclopedic mare