Fenomény interferencie a difrakcie svetla potvrdzujú jeho vlnovú povahu. Začiatkom 19. storočia T. Jung a O. Fresnel, ktorí vytvorili vlnovú teóriu svetla, považovali svetelné vlny za pozdĺžne, t.j. podobné zvukovým vlnám. K tomu museli zaviesť akési hypotetické prostredie tzv éter, v ktorej prebiehalo šírenie pozdĺžnych svetelných vĺn. Vtedy sa zdalo neuveriteľné, že svetlo sú priečne vlny, keďže analogicky s mechanickými vlnami by sa muselo predpokladať, že éter je pevné teleso (priečne mechanické vlny sa nemôžu šíriť v plynnom alebo kvapalnom prostredí). Už v tom čase však existovali skutočnosti, ktoré odporovali pozdĺžnosti svetelných vĺn.
Späť v stredoveku námorníci priniesli z Islandu nezvyčajné priehľadné kamene, ktoré sa neskôr nazývali Islandský spar. Ich nezvyčajnosť spočívala v tom, že ak sa na akýkoľvek nápis položí kúsok islandského nosníka, bude cez neho vidieť rozdvojený nápis.
V roku 1669 dánsky vedec Bartholin oznámil zaujímavé výsledky svojich experimentov s islandskými kryštálmi. Pri prechode cez takýto kryštál sa lúč rozdelí na dva (obr. 2.6.1). Tieto lúče sú pomenované obyčajný lúč a mimoriadny lúč a samotný fenomén dvojlom.
Obyčajný lúč sa riadi bežným zákonom lomu a mimoriadny lúč sa neriadi týmto zákonom. Lúče sa rozdelili na dve časti, aj keď normálne dopadali na kryštál islandského nosníka. Ak sa kryštál otáča vzhľadom na smer pôvodného lúča, potom sa otáčajú oba lúče, ktoré prešli kryštálom. Bartholin tiež objavil, že v kryštáli je určitý smer, pozdĺž ktorého sa dopadajúci lúč nerozdeľuje. Tieto javy si však nevedel vysvetliť.
O niekoľko rokov neskôr tento objav Bartholina zaujal Huygensa, ktorý tento koncept predstavil optická os kryštálu(Bartolin to skutočne objavil).
Optická os kryštálu nazývaný zvolený smer v kryštáli, pozdĺž ktorého sa šíria obyčajné a mimoriadne lúče bez toho, aby sa oddelili.
V roku 1809 uskutočnil francúzsky inžinier E. Malus experiment s kryštálmi turmalínu (priehľadné zelenkasté kryštály). V tomto experimente svetlo postupne prechádzalo cez dve identické turmalínové platne. Ak sa druhá platňa pootočí vzhľadom na prvú, potom sa intenzita svetla prechádzajúceho cez druhú platňu zmení z maximálnej hodnoty na nulu (obr. 2.6.2). Závislosť intenzity svetla ja z rohu j medzi optickými osami oboch dosiek má tvar:
(Malusov zákon ), (2.6.1)
kde ja 0 je intenzita dopadajúceho svetla.
Ryža. 2.6.3 a. Ryža. 2.6.3 b.
Ani dvojitý lom, ani Malusov zákon nemožno vysvetliť v rámci teórie pozdĺžnych svetelných vĺn. Pre pozdĺžne vlny je smer šírenia lúča osou symetrie. V pozdĺžnej vlne sú všetky smery v rovine kolmej na lúč rovnaké.
Aby ste pochopili, ako sa chová priečna vlna, zvážte vlnu, ktorá sa pohybuje pozdĺž šnúry vo vertikálnej rovine. Ak je v dráhe tejto vlny umiestnená krabica so zvislou štrbinou (obr. 2.6.3 a), potom vlna voľne prechádza štrbinou. Ak je štrbina v krabici umiestnená horizontálne, vlna cez ňu už neprechádza (obr. 2.6.3 b). Táto vlna je tiež tzv rovinne polarizované, pretože vibrácie v ňom prebiehajú v jednej (vertikálnej) rovine.
Experimenty s kryštálmi islandského rákosu a turmalínu umožnili dokázať, že svetelná vlna je priečna. T. Jung (1816) ako prvý naznačil, že svetelné vlny sú priečne. Fresnel, nezávisle od Junga, tiež predložil koncepciu priečnych svetelných vĺn, podložil ju početnými experimentmi a vytvoril teóriu dvojlomu svetla v kryštáloch.
V polovici 60. rokov 19. storočia Maxwell dospel k záveru, že svetlo je elektromagnetická vlna. Tento záver bol urobený na základe zhody rýchlosti šírenia elektromagnetických vĺn, ktorá je získaná z Maxwellovej teórie, so známou hodnotou rýchlosti svetla. V čase, keď Maxwell dospel k záveru, že elektromagnetické vlny existujú, priečna povaha svetelných vĺn už bola experimentálne dokázaná. Preto Maxwell veril, že priečnosť elektromagnetických vĺn je ďalším dôležitým dôkazom elektromagnetickej povahy svetla.
V elektromagnetickej teórii svetla tiež zmizli ťažkosti spojené s potrebou zavedenia špeciálneho média na šírenie vĺn - éteru, ktorý bolo potrebné považovať za pevné teleso.
V elektromagnetickej vlne sú vektory a na seba kolmé a ležia v rovine kolmej na smer šírenia vlny. Je akceptované, že rovina, v ktorej vektor kmitá, sa nazýva vibračná rovina a rovinu, v ktorej sa vyskytujú oscilácie vektora, rovina polarizácie. Keďže vo všetkých procesoch interakcie svetla s hmotou hrá hlavnú úlohu vektor intenzity elektrického poľa, tzv svetelný vektor. Ak si pri šírení elektromagnetickej vlny vektor svetla zachová svoju orientáciu, takáto vlna sa nazýva lineárne polarizované alebo rovinne polarizované.
Lineárne polarizované svetlo vyžarujú lasery. Svetlo vyžarované z bežných zdrojov (ako je slnečné svetlo, žiarovky atď.) však nie je polarizované. Je to spôsobené tým, že atómy vyžarujú svetlo v samostatných vlakoch nezávisle na sebe. Výsledkom je, že vektor vo výslednej svetelnej vlne náhodne mení svoju orientáciu v čase, takže v priemere sú všetky smery kmitov rovnaké.
Svetelná vlna, pri ktorej sa smer kmitania svetelného vektora v čase chaoticky mení, sa nazýva prirodzené alebo nepolarizované svetlo.
Prirodzené svetlo prechádzajúce kryštálom islandského rákosu alebo turmalínu je polarizované. Fenomén dvojitého lomu svetla sa vysvetľuje tým, že v mnohých kryštalických látkach sú indexy lomu pre dve navzájom kolmo polarizované vlny rozdielne. Preto kryštál rozdvojuje lúče, ktoré ním prechádzajú (obr. 2.6.1). Dva lúče na výstupe z kryštálu sú lineárne polarizované vo vzájomne kolmých smeroch. Kryštály, v ktorých sa vyskytuje dvojlom, sa nazývajú anizotropný.
Svetlo sa môže pri odraze alebo rozptýlení polarizovať. Najmä modré svetlo oblohy je čiastočne alebo úplne polarizované. Polarizáciu odrazeného svetla prvýkrát spozoroval Malus, keď sa cez kryštál islandského nosníka pozeral na odraz zapadajúceho slnka v oknách Luxemburského paláca v Paríži. Malus zistil, že odrazené svetlo je do určitej miery polarizované. Stupeň polarizácie odrazeného lúča závisí od uhla dopadu: pri normálnom dopade nie je odrazené svetlo úplne polarizované a pri dopade pod uhlom nazývaným uhol plnej polarizácie alebo Brewsterov uhol je odrazený lúč 100% polarizované. Pri odraze pod Brewsterovým uhlom sú odrazené a lomené lúče na seba kolmé (obr. 2.5.4). Odrazený lúč je rovinne polarizovaný rovnobežne s povrchom.
Pretože , a potom Brewsterov uhol nájdeme podľa vzorca .
Polarizované svetlo sa široko používa v mnohých oblastiach techniky (napríklad na plynulé riadenie svetla, pri štúdiu elastických napätí atď.). Ľudské oko polarizáciu svetla nerozlišuje, no oči niektorého hmyzu, napríklad včiel, ju vnímajú.
| | | | | | 7 |
Dnes sa v lekcii zoznámime s fenoménom polarizácie svetla. Poďme študovať vlastnosti polarizovaného svetla. Zoznámime sa s experimentálnym dôkazom priečnosti svetelných vĺn.
Fenomény interferencie a difrakcie nenechávajú žiadne pochybnosti o tom, že šíriace sa svetlo má vlastnosti vĺn. Ale aké vlny - pozdĺžne alebo priečne?
Zakladatelia vlnovej optiky Jung a Fresnel dlho považovali svetelné vlny za pozdĺžne, teda podobné zvukovým vlnám. Svetlé vlny sa vtedy považovali za elastické vlny v éteri, ktorá vypĺňa priestor a preniká do všetkých tiel. Zdalo sa, že takéto vlny nemôžu byť priečne, pretože priečne vlny môžu existovať iba v pevnom tele. Ale ako sa môžu telesá pohybovať v pevnom éteri bez toho, aby narazili na odpor? Éter by predsa nemal brániť pohybu tiel. Inak by zákon zotrvačnosti neplatil.
Postupne sa však zbieralo viac a viac experimentálnych faktov, ktoré nebolo možné nijako interpretovať, keďže svetelné vlny považovali za pozdĺžne.
Experimenty s turmalínom
A teraz podrobne zvážime iba jeden z experimentov, veľmi jednoduchý a mimoriadne účinný. Ide o experiment s kryštálmi turmalínu (priehľadné zelené kryštály).
Ak lúč svetla z elektrickej lampy alebo slnka smeruje normálne na takúto platňu, potom rotácia platne okolo lúča nespôsobí žiadnu zmenu v intenzite svetla, ktoré cez ňu prešlo (obr. 1. ). Možno si myslíte, že svetlo sa v turmalíne absorbovalo len čiastočne a získalo zelenkastú farbu. Nič iné sa nestalo. Ale nie je. Svetelná vlna získala nové vlastnosti.
Tieto nové vlastnosti sú odhalené, ak je lúč nútený prejsť cez druhý, presne ten istý turmalínový kryštál (obr. 2(a)), rovnobežný s prvým. Pri identicky nasmerovaných osiach kryštálov sa opäť nič zaujímavé nedeje: svetelný lúč je jednoducho ďalej oslabený v dôsledku absorpcie v druhom kryštáli. Ale ak sa druhý kryštál otočí a prvý kryštál zostane nehybný, potom sa odhalí úžasný jav - zhasnutie svetla. Keď sa uhol medzi osami zväčšuje, intenzita svetla klesá. A keď sú osi na seba kolmé, svetlo vôbec neprechádza. Je úplne absorbovaný druhým kryštálom.
Svetelná vlna, ktorá kmitá všetkými smermi kolmo na smer šírenia sa nazýva prirodzené.
Svetlo, v ktorom sú smery oscilácie svetelného vektora nejakým spôsobom usporiadané, sa nazýva polarizované.
Polarizácia svetla- je to jedna zo základných vlastností optického žiarenia (svetla), spočívajúca v nerovnosti rôznych smerov v rovine kolmej na svetelný lúč (smer šírenia svetelnej vlny).
Polarizátory- zariadenia, ktoré umožňujú získať polarizované svetlo.
Analyzátory- zariadenia, pomocou ktorých môžete analyzovať, či je svetlo polarizované alebo nie.
Schéma činnosti polarizátora a analyzátora
Priečne svetelné vlny
Z vyššie opísaných experimentov vyplývajú dve skutočnosti:
Po prvéže svetelná vlna vychádzajúca zo svetelného zdroja je úplne symetrická vzhľadom na smer šírenia (pri rotácii kryštálu okolo lúča v prvom experimente sa intenzita nezmenila).
Po druhéže vlna vychádzajúca z prvého kryštálu nemá osovú symetriu (v závislosti od rotácie druhého kryštálu voči lúču sa získa tá či oná intenzita prechádzajúceho svetla).
Intenzita svetla vychádzajúceho z prvého polarizátora:
Intenzita svetla prechádzajúceho cez druhý polarizátor:
Intenzita svetla prechádzajúceho cez dva polarizátory:
Poďme na záver: 1. Svetlo je priečna vlna. Ale v lúči vĺn dopadajúcom z konvenčného zdroja sú oscilácie všetkých možných smerov, kolmých na smer šírenia vĺn.
2. Turmalínový kryštál má schopnosť prenášať svetelné vlny s vibráciami ležiacimi v jednej konkrétnej rovine.
Model lineárnej polarizácie svetelnej vlny
Polaroidy
Nielen kryštály turmalínu sú schopné polarizovať svetlo. Rovnakú vlastnosť majú napríklad takzvané polaroidy. Polaroid je tenký (0,1 mm) film kryštálov herapatitu nanesený na celuloidovú alebo sklenenú platňu. S polaroidom môžete robiť rovnaké pokusy ako s turmalínovým kryštálom. Výhodou polaroidov je, že môžete vytvárať veľké plochy, ktoré polarizujú svetlo.
Nevýhodou polaroidov je fialový odtieň, ktorý dávajú bielemu svetlu.
Difrakcia a interferencia svetla potvrdzuje vlnovú povahu svetla. Ale vlny môžu byť pozdĺžne a priečne. Zvážte nasledujúcu skúsenosť.
Polarizácia svetla
Prejdeme lúčom svetla cez pravouhlú turmalínovú dosku, ktorej jedna z plôch je rovnobežná s osou kryštálu. Neboli viditeľné žiadne zmeny. Svetlo v tanieri zhaslo len čiastočne a získalo zelenkastú farbu.
obrázok
Teraz po tom, čo položíme ďalší tanier za prvý. Ak sú osi oboch platní zarovnané, nič sa nestane. Ale ak sa druhý kryštál začne otáčať, potom svetlo zhasne. Keď sú osi kolmé, nebude svetlo vôbec. Úplne ho pohltí druhá platňa.
obrázok
Urobme dva závery:
1. Vlna svetla je symetrická vzhľadom na smer šírenia.
2. Po prechode prvým kryštálom vlna prestáva mať osovú súmernosť.
Nedá sa to vysvetliť z pohľadu pozdĺžnych vĺn. Svetlo je teda priečna vlna. Turmalínový kryštál je polaroid. Prepúšťa svetelné vlny, ktorých kmitanie prebieha v jednej rovine. Táto vlastnosť je dobre znázornená na nasledujúcom obrázku.
obrázok
Priečne svetelné vlny a elektromagnetická teória svetla
Svetlo, ktoré vzniká po prechode polaroidom, sa nazýva rovinne polarizované svetlo. V polarizovanom svetle sa vibrácie vyskytujú iba v jednom smere - v priečnom smere.
Elektromagnetická teória svetla má svoj pôvod v práci Maxwella. V druhej polovici 19. storočia Maxwell teoreticky dokázal existenciu elektromagnetických vĺn, ktoré sa môžu šíriť aj vo vákuu.
A navrhol, že svetlo je tiež elektromagnetická vlna. Elektromagnetická teória svetla je založená na skutočnosti, že rýchlosť svetla a rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn sú rovnaké.
Koncom 19. storočia sa konečne zistilo, že svetelné vlny vznikajú pohybom nabitých častíc v atómoch. S uznaním tejto teórie sa vytratila potreba svietivého éteru, v ktorom sa šíria svetelné vlny. svetelné vlny Nie sú to mechanické, ale elektromagnetické vlny.
Oscilácie svetelnej vlny pozostávajú z oscilácií dvoch vektorov: vektora intenzity a vektora magnetickej indukcie. Smer kmitov vektora intenzity elektrického poľa sa považuje za smer kmitov svetelných vĺn.
priečna vlna- vlna šíriaca sa v smere kolmom na rovinu, v ktorej kmitajú častice média (pri pružnom vlnení) alebo v ktorej ležia vektory elektrického a magnetického poľa (pri elektromagnetickom vlnení).
Medzi priečne vlny patria napríklad vlny v strunách alebo elastických membránach, kedy k posunu častíc v nich dochádza striktne kolmo na smer šírenia vĺn, ako aj rovinné homogénne elektromagnetické vlny v izotropnom dielektriku alebo magnete; v tomto prípade sú priečne kmity vykonávané vektormi elektrických a magnetických polí.
Priečna vlna má polarizáciu, t.j. jeho amplitúdový vektor je orientovaný určitým spôsobom v priečnej rovine. Najmä lineárne, kruhové a eliptické polarizácie sa rozlišujú v závislosti od tvaru krivky, ktorú koniec vektora amplitúdy opisuje. Pojem priečna vlna, ako aj pozdĺžna vlna, je do určitej miery podmienená a súvisí so spôsobom, akým je opísaná. „Priečnosť“ a „pozdĺžnosť“ vlny sú určené tým, aké veličiny sú skutočne pozorované. Rovinnú elektromagnetickú vlnu teda možno opísať pozdĺžnym Hertzovým vektorom. V mnohých prípadoch delenie vĺn na pozdĺžne a priečne vo všeobecnosti stráca zmysel. Takže v harmonickej vlne na povrchu hlbokej vody častice média robia kruhové pohyby vo vertikálnej rovine prechádzajúcej cez vlnový vektor , t.j. oscilácie častíc majú pozdĺžnu aj priečnu zložku.
V roku 1809 francúzsky inžinier E. Malus objavil zákon pomenovaný po ňom. Pri pokusoch s Malusom svetlo postupne prechádzalo cez dve rovnaké platne turmalínu (priehľadná kryštalická látka zelenkavej farby). Dosky sa mohli voči sebe otáčať o uhol φ
Ukázalo sa, že intenzita prechádzajúceho svetla je priamo úmerná cos2 φ:
Brewsterov jav sa používa na vytváranie polarizátorov svetla a jav úplného vnútorného odrazu sa využíva na priestorovú lokalizáciu svetelnej vlny vo vnútri optického vlákna. Index lomu materiálu optického vlákna prevyšuje index lomu prostredia (vzduchu), takže svetelný lúč vo vnútri vlákna zažíva úplný vnútorný odraz na rozhraní medzi vláknom a médiom a nemôže ísť za vlákno. Pomocou optického vlákna je možné poslať lúč svetla z jedného bodu v priestore do druhého po ľubovoľnej krivočiarej trajektórii.
V súčasnosti boli vytvorené technológie na výrobu kremenných vlákien s priemerom , ktoré prakticky nemajú vnútorné a vonkajšie chyby a ich pevnosť nie je menšia ako pevnosť ocele. Zároveň sa podarilo znížiť straty elektromagnetického žiarenia vo vlákne na hodnotu menšiu ako , a tiež výrazne znížiť rozptyl. To umožnilo v roku 1988. uviedol do prevádzky komunikačnú linku z optických vlákien, ktorá spájala Ameriku s Európou pozdĺž dna Atlantického oceánu. Moderné FOCL sú schopné poskytovať rýchlosti prenosu informácií vyššie.
Pri vysokej intenzite elektromagnetickej vlny prestávajú byť optické charakteristiky prostredia vrátane indexu lomu konštantné a stávajú sa funkciami elektromagnetického žiarenia. Princíp superpozície pre elektromagnetické polia prestáva platiť a médium sa nazýva nelineárne. V klasickej fyzike sa model používa na popis nelineárnych optických efektov anharmonický oscilátor. V tomto modeli je potenciálna energia atómového elektrónu zapísaná ako séria v mocninách posunutia x elektrónu vzhľadom na jeho rovnovážnu polohu.
