Absorpcia svetla. Čerenkovov-Vavilovov efekt

1. Priečne svetelné vlny a typy polarizácie svetla

1.1. Lineárna polarizácia

1.2. Čiastočne polarizované svetlo. Stupeň polarizácie

1.3. Eliptická a kruhová polarizácia

2. Malusov zákon

3. Polarizácia svetla pri odraze. Brewsterov zákon

4. Prvky kryštálovej optiky. dvojitý lom

5. Anizotropia je príčinou dvojlomu

6. Dichroizmus

7. Hranol Nicolas

8. Umelý dvojlom

9. Rotácia roviny polarizácie. polarimetria

10. Aplikácia polarizácie: LCD monitor

11. Interferencia polarizovaného svetla

12. Fenomén rozptylu svetla. rozptyl hmoty. Normálna a abnormálna disperzia

13. Teória Lorentzovej disperzie. Vzťah medzi absorpciou svetla a anomálnou disperziou

14. Absorpcia svetla. Bouguerov zákon

15. Čerenkovov-Vavilovov efekt

1. Priečne svetelné vlny a typy polarizácie svetla

Dôsledkom Maxwellovej teórie je priečnosť svetelných vĺn: vektory intenzity elektrického a magnetického poľa vlny sú navzájom kolmé a kmitajú kolmo na vektor rýchlosti šírenia vlny (obr. 19.1). Pri zvažovaní polarizácie sú zvyčajne všetky úvahy spojené s rovinou kmitov vektora intenzity elektrického poľa - vektora svetla, pretože chemické, fyziologické a iné typy účinkov svetla na látku sú spôsobené najmä elektrickými osciláciami.

Elektromagnetická vlna zo samostatného elementárneho žiariča (atóm, molekula) je vždy polarizovaná. Vo svetle vyžarovanom bežnými zdrojmi dochádza k osciláciám, ktoré sa vyskytujú v rôznych smeroch kolmých na lúč. V takýchto svetelných vlnách vychádzajúcich z rôznych elementárnych žiaričov (atómov), vektorymajú rôzne orientácie a všetky tieto orientácie sú rovnako pravdepodobné, čo je spôsobené veľkým počtom atómových žiaričov. Toto svetlo sa nazýva prirodzené, alebo nepolarizované(obr.19.2) .

1.1. Lineárna polarizácia

Svetlo sa nazýva lineárne (alebo rovinne) polarizované, ak sa oscilácie intenzity svetla elektrického poľa vyskytujú v jednej rovine (rovina OXY na obr. 19.1). Rovinne polarizované svetlo je možné získať z prirodzeného svetla pomocou zariadení tzv polarizátory(obr.19.3). Tieto zariadenia voľne prenášajú vibrácie rovnobežne s rovinou, ktorá je tzv hlavná rovina polarizátora a úplne zastavíte vibrácie kolmé na túto rovinu. Pôsobenie polaroidu možno znázorniť na mechanickom modeli (obr. 19.4): elastická priečna vlna šíriaca sa po šnúre prechádza bez prekážok, ak je medzera v bariére orientovaná rovnakým spôsobom ako rovina kmitov. Ak je rovina kmitov kolmá na medzeru, za bariérou nebudú žiadne kmity. To isté platí pre elektromagnetickú vlnu (obr. 19.5). Pomocou polarizátora (polaroidu) z lúča prirodzeného svetla môžete vybrať časť, v ktorej vektorové fluktuácie https://pandia.ru/text/78/081/images/image007_14.png" width="577" height="345">
Rovina, v ktorej osciluje svetelný vektor (teda vektor elektrického poľa https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17" height="23 src=" >), a kolmá rovina k nej (pozri obr. 19.1).

Prirodzené svetlo si možno predstaviť ako superpozíciu dvoch nesúvislý vlny rovnakej intenzity, lineárne polarizované vo vzájomne kolmých rovinách (obr. 19.6). Odtiaľto dostávame, že pri prechode cez ideálny polaroid je prirodzené svetlo zoslabené na polovicu:

1.2. Čiastočne polarizované svetlo. Stupeň polarizácie

Keď prirodzené svetlo prechádza cez neideálny polaroid, svetlo sa čiastočne polarizuje, to znamená, že vektor svetla osciluje vo všetkých možných smeroch, ale prevláda tam smer oscilácie. Čiastočne polarizované svetlo možno znázorniť ako superpozíciu prirodzených a lineárne polarizovaných lúčov (obr. 19.7, a) alebo ako superpozíciu dvoch nekoherentných lineárne polarizovaných lúčov rôznej intenzity vo vzájomne kolmých rovinách (obr. 19.7, b).

Umiestnime ideálny polaroidový analyzátor do dráhy čiastočne polarizovaného svetla. Ak je jeho hlavná rovina rovnobežná s rovinou kmitov polarizovanej zložky (obr. 19.7, a), potom prejde analyzátorom. Prejde aj polovičná intenzita nepolarizovaného prirodzeného svetla (19.1). Na výstupe analyzátora bude intenzita svetla maximálna a rovná sa:

.

Otočením hlavnej roviny analyzátora pod uhlom 900 získame minimálnu intenzitu na výstupe, pretože polarizovaná zložka neprejde:

Stupeň polarizácie Rčiastočne polarizované svetlo sa nazýva

, (19.2)

Stupeň polarizácie teda udáva podiel polarizovanej zložky na celkovej intenzite svetla.

1.3. Eliptická a kruhová polarizácia

Uvažujme dve koherentné rovinné polarizované svetelné vlny šíriace sa pozdĺž osi X, ktorého roviny kmitov sú navzájom kolmé. Nech sa oscilácie v jednej vlne vyskytujú pozdĺž osi r, v druhej - pozdĺž osi z(obr.19.8). Priemet svetelných vektorov týchto vĺn na príslušné osi sa mení podľa zákona:

(19.3)

Hodnoty https://pandia.ru/text/78/081/images/image018_7.png" width="27 height=29" height="29"> predstavujú súradnice konca výsledného svetelného vektora. Vrátane premennej t, dostaneme:

. (19.4)

Vo všeobecnosti ide o rovnicu elipsy. Takže dve koherentný rovinne polarizované svetelné vlny, ktorých roviny kmitania sú vzájomne kolmé, keď sa na seba položia, dávajú vlnu, v ktorej vektor svetla (vektor ) sa časom mení tak, že jeho koniec opisuje elipsu. Toto svetlo sa nazýva elipticky polarizované.

https://pandia.ru/text/78/081/images/image021_6.png" width="59" height="19"> elipsa sa zvrhne na priamku a získa sa rovinné polarizované svetlo..png" šírka ="17" height="23 src="> rozlišovať vpravo a vľavo eliptická a kruhová polarizácia. Na obr. 19.8 je polarizácia ľavá (koniec vektora sa pri pohľade smerom k lúču otáča v smere hodinových ručičiek) a na obr. 19.9 a 19.10 pravá.

2. Malusov zákon

Na dráhu prirodzeného lúča položme dva polarizátory, ktorých hlavné roviny zvierajú uhol φ (obr. 19.11). Keď sa polarizátor otáča okolo smeru prirodzeného lúča, intenzita prechádzajúceho rovinne polarizovaného svetla zostáva rovnaká, mení sa len orientácia roviny kmitov svetla opúšťajúceho zariadenie.

Nechať byť E 0 – amplitúda kmitov vlny dopadajúcej na analyzátor. Rozložme túto osciláciu na dve vzájomne kolmé, vyskytujúce sa v rovnakej fáze, s amplitúdami: https://pandia.ru/text/78/081/images/image025_5.png" width="28" height="25 src= " > – kolmo na ňu (obr.19.11).

; (19.5)

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

alebo pre intenzitu ja prešiel cez vlnu analyzátora:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image032_7.png" width="618" height="385">
ja0 – intenzita lineárne polarizovanej vlny dopadajúcej na analyzátor, φ je uhol medzi hlavnou rovinou analyzátora a rovinou oscilácií vlny dopadajúcej na analyzátor.

alebo: φ je uhol medzi hlavnými rovinami polarizátora a analyzátora. Volá sa vzťah (19.6). Malusový zákon.

Pri prirodzenom svetle sú všetky hodnoty φ rovnako pravdepodobné. Preto sa podiel svetla prechádzajúceho cez polarizátor bude rovnať priemernej hodnote , t.j. ½ (pozri (19.1)):

Intenzita svetla vychádzajúceho z druhého polarizátora (analyzátora) sa rovná:

. (19.7)

Keď sa analyzátor otáča (obr.19..png" width="43" height="20 src="> pri relatívnych indexoch" href="/text/category/otnositelmznie_pokazateli/" rel="záložka"> relatívny index lomu dvoch médií Škótsky fyzik D. Brewster, skúmajúci fenomén polarizácie svetla, v roku 1815 stanovil vzťah medzi relatívnym indexom lomu dielektrika https://pandia.ru/text/78/081/images/image041_5. png“ width="20" height="25"> (Brewsterov uhol), pri ktorom je odrazený lúč plne polarizovaný:

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

Ak svetlo dopadá na rozhranie medzi dvoma dielektrikami pod Brewsterovým uhlom, definovaný vzťahom (19.8), potom je odrazený lúč úplne lineárne polarizovaný a lomený lúč bude čiastočne polarizovaný, maximálne však v porovnaní s inými uhlami dopadu (obr.19.13). V tomto prípade sú odrazené a lomené lúče navzájom kolmé.

Zapíšme si zákon lomu:

. (19.9)

Od (19.8) vyplýva:

Porovnajte s (19.9) a získajte

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

z čoho vyplýva, že lomený lúč je kolmý na odrazený (obr. 19.13).

Aby sme vysvetlili, prečo je lúč odrazený pri dopade pod Brewsterovým uhlom lineárne polarizovaný, berieme do úvahy, že odrazené svetlo je výsledkom emisie sekundárnych vĺn nábojmi (elektrónmi) v druhom prostredí, ktoré oscilujú pod pôsobenie elektrického poľa dopadajúcej vlny. Tieto kmity sa vyskytujú v smere kmitov dopadajúcej vlny.

Rozložme vektorové kmity v druhom prostredí na dva vzájomne kolmé kmity: na obr. 19.13 sú kmity v rovine dopadu označené šípkami (↔), kolmo bodkami ( ∙ ). V prípade svetla dopadajúceho pod Brewsterovým uhlom je odrazený lúč kolmý na lomený, a teda rovnobežný s kmitmi prvej zložky (↔). Z Maxwellovej elektromagnetickej teórie je známe, že oscilujúci elektrický náboj nevyžaruje elektromagnetické vlny v smere svojho pohybu. Preto žiarič typu (↔) oscilujúci v dielektriku nevyžaruje pozdĺž odrazeného lúča. V smere odrazeného lúča sa teda šíri svetlo vysielané žiaričmi typu ( ∙ ), ktorých smery kmitov sú kolmé na rovinu dopadu.

4. Prvky kryštálovej optiky. dvojitý lom

Pri prechode svetla cez niektoré kryštály sa svetelný lúč rozdelí na dva lúče (obr. 19.14 a 19.15). Tento jav, tzv dvojlom, bol pozorovaný v roku 1670 Erazmom Bartholominom na islandskom raku (druh uhličitanu vápenatého, CaCO3). Pri dvojitom lomu jeden z lúčov spĺňa obvyklý zákon lomu a leží v rovnakej rovine ako dopadajúci lúč a normál. Tento lúč sa nazýva obyčajný a na výkresoch je označený písmenom „o“. Pre ďalší lúč tzv mimoriadny(zvyčajne sa označuje písmenom „e“), nezostáva pomer konštantný pri zmene uhla dopadu. Aj pri normálnom dopade sa mimoriadny lúč, všeobecne povedané, odchyľuje od svojho pôvodného smeru (obr. 19.15). Okrem toho mimoriadny lúč spravidla neleží v rovnakej rovine ako dopadajúci lúč a normála k refrakčnej ploche.
Fenomén dvojlomu sa pozoruje u všetkých priehľadných kryštálov, s výnimkou tých, ktoré patria do kubickej sústavy.

Takzvané jednoosové kryštály majú smer, pozdĺž ktorého sa obyčajné a mimoriadne lúče šíria bez oddelenia a rovnakou rýchlosťou. Tento smer je tzv optická os kryštálu. Treba si uvedomiť, že optická os nie je priamka prechádzajúca nejakým bodom kryštálu, ale určitý smer v kryštáli. Akákoľvek priamka rovnobežná s týmto smerom je optickou osou kryštálu.

Každá rovina prechádzajúca optickou osou sa nazýva hlavná časť alebo hlavná rovina kryštál. Zvyčajne používajte hlavnú časť prechádzajúcu cez svetelný lúč.

Oba lúče, obyčajný aj mimoriadny, sú úplne polarizované vo vzájomne kolmých smeroch (pozri obr. 19.15). Rovina kmitania obyčajného lúča je kolmá na hlavnú časť kryštálu. V mimoriadnom lúči sa oscilácie vektorov vyskytujú v rovine zhodnej s hlavným rezom.

5. Anizotropia je príčinou dvojlomu

Dvojlom sa vysvetľuje anizotropiou kryštálov. V kryštáloch nekubickej sústavy prezrádza závislosť od smeru vektora elektrického poľa najmä permitivita ε..png" width="20 height=28" height="28"> a podľa toho V ostatných smeroch má ε stredné hodnoty.

Pokiaľ ide o

, (19.10)

potom z anizotropie ε z toho vyplývaelektromagnetické vlny s rôznymi smermi vektorových oscilácií https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17" height="23 src=">.

V obyčajnom lúči sa oscilácie svetelného vektora vyskytujú v smere kolmom na hlavnú sekciu kryštálu (na obr. 19.15 a 19.16 sú tieto oscilácie znázornené bodkami na príslušnom lúči). Preto pre akýkoľvek smer obyčajného lúča (na obr.3..png" width="82" height="53">. (19.11))

Zobrazuje rýchlosť obyčajný lúč vo forme segmentov rozložených v rôznych smeroch, dostaneme guľový povrch. Predstavte si, že bod je umiestnený v bode 0 kryštálu. Potom nami skonštruovaná guľa bude vlnovou plochou obyčajných lúčov v kryštáli.

kolísanie v mimoriadny nosníky sú vyrobené v hlavnej časti. Preto pre rôzne lúče zvierajú smery kmitov vektorov (na obr. 19.16 sú tieto smery znázornené obojstrannými šípkami) rôzne uhly s optickou osou. Pre lúč 1 je uhol π/2, takže rýchlosť je

pre lúč 2 je uhol nula a rýchlosť je

Pre lúč 3 má rýchlosť strednú hodnotu:

Vlnová plocha mimoriadnych lúčov je teda elipsoidom rotácie. V priesečníkoch s optickou osou kryštálu sú guľa a elipsoid v kontakte – v tomto smere sú rýchlosti oboch lúčov rovnaké.

V závislosti od toho, ktorá z rýchlostí, alebo https://pandia.ru/text/78/081/images/image060_3.png" width="60" height="25"> ().

Pre negatívne kryštály (obr. 19.17)

Pomocou vlnových plôch na obr. 19.17 je možné zostrojiť čelo vlny pre obyčajné a mimoriadne lúče v kryštáli s kolmým dopadom lúča na plochu kryštálu (obr. 19.18). Využíva sa Huygensov princíp: samotné body kryštálu, na ktoré dopadá vlna, sú zdrojom vlnenia. Novou polohou čela vlny je obálka čiel sekundárnych vĺn. Smer lúča sa zistí podľa bodu kontaktu medzi prednou stranou sekundárnej vlny a obalom.

6. dichroizmus

Existujú dvojlomné kryštály, v ktorých jeden z lúčov, napríklad obyčajný, je absorbovaný v určitom rozsahu vlnových dĺžok oveľa silnejšie ako druhý. Závislosť absorpcie svetla od jeho polarizácie sa nazýva dichroizmus. Práve fenomén dichroizmu umožnil v praxi jednoducho získať a široko využiť lineárne polarizované svetlo.

Turmalínový kryštál má veľmi silný dichroizmus vo viditeľných lúčoch. V ňom je obyčajný lúč takmer úplne absorbovaný v dĺžke 1 mm. Dichroické polarizátory založené na monokryštálovej turmalínovej platni nenašli široké uplatnenie, hlavne kvôli ťažkostiam spojeným so získavaním kryštálov požadovanej veľkosti.

Iný rad dichroických polarizátorov sa ukázal byť populárnejší - takzvané filmové polaroidy, vynájdené v 20. rokoch 20. storočia. Ide o anizotropné polymérne filmy impregnované anizotropnými molekulami alebo mikrokryštálmi. Ak je polymérny film pozostávajúci z veľmi dlhých, lineárnych predĺžených polymérnych makromolekúl v zahriatom a zmäkčenom stave podrobený mechanickému naťahovaniu, potom molekuly polyméru orientujú svoje dlhé osi pozdĺž smeru naťahovania a film sa tak stáva anizotropným. Ak je v tomto prípade v polyméri rozpustená látka, ktorej molekuly sú anizotropného tvaru a majú vysoký dichroizmus, napr. ihličkovité mikrokryštály herapatitu (soľ jódu a chinínu), potom usporiadaný matrica polymérnych molekúl tiež orientuje molekuly nečistôt. V týchto kryštáloch je jeden z lúčov absorbovaný pozdĺž dráhy približne 0,1 mm.

Týmto spôsobom sa vyrábajú polaroidy vysokej kvality a dostatočne veľkých rozmerov, určené pre širokú spektrálnu oblasť (napríklad pre celý viditeľný rozsah vlnových dĺžok). Sú dostatočne lacné na sériovú výrobu a vďaka nim je veľa praktických aplikácií polarizácie svetla.

7. Hranol Nicolas

Dvojlom je použitý pri konštrukcii Nicolovho hranola (obr. 19.19) - zariadenia na získanie lineárne polarizovaného svetla s vysokým stupňom polarizácie. Je zlepený z dvoch rovnakých islandských hranolov. Medzivrstvu medzi nimi tvorí kanadský balzam, bezfarebná živica s vysokou transparentnosťou. Hodnota indexu lomu kanadského balzamu () leží medzi hodnotami indexov lomu nosníka pre bežné () a mimoriadne () lúče:

.

Prirodzené nepolarizované svetlo dopadajúce na prednú stranu hranola je rozdelené na dva lineárne polarizované lúče – obyčajný a výnimočný. Obyčajný lúč, ktorý sa silnejšie láme, dopadá na vrstvu balzamu pod uhlom väčším ako je uhol úplného vnútorného odrazu, úplne sa odráža od vrstvy balzamu a neprechádza do druhého hranolu, pričom je absorbovaný na sčernenej bočnej ploche hranol. Druhý lúč, ten výnimočný, nemôže na tomto rozhraní vôbec zažiť úplný odraz, pretože prechádza z menej hustého do opticky hustejšieho média (DIV_ADBLOCK36">

8. Umelý dvojlom

Dvojlom sa môže vyskytnúť v priehľadných izotropných telesách, ako aj v kryštáloch kubickej sústavy pod vplyvom rôznych vplyvov: silné rovnomerné elektrické (Kerrov efekt) alebo magnetické pole, ako aj mechanické deformácie telies. Rozdiel medzi indexmi lomu obyčajných a mimoriadnych lúčov môže slúžiť ako miera vznikajúcej optickej anizotropie. Skúsenosti ukazujú, že tento rozdiel je úmerný druhej mocnine intenzity poľa (elektrického alebo magnetického):

;

,

alebo mechanickému namáhaniu σ v danom bode na tele (to znamená sila na jednotku plochy):

. (19.12)

Položte sklenenú dosku Q medzi skrížené polarizátory R a R"(obr.19.20). Pokiaľ sa sklo nedeformuje, takýto systém neprepúšťa svetlo. Ak je sklo vystavené deformácii (napríklad jednostrannej kompresii), svetlo začne prechádzať systémom a vzor pozorovaný v prenášaných lúčoch bude posiaty farebnými pásmi. Každý takýto pás zodpovedá rovnako deformovaným miestam na platni. V dôsledku toho je možné podľa povahy usporiadania pásov posúdiť rozloženie napätí vo vnútri dosky.

Na základe umelého dvojlomuvyvíja sa optická metóda na štúdium napätí. Model nejakej časti alebo konštrukcie je vyrobený z priehľadného izotropného materiálu (napríklad celuloidu alebo plexiskla) medzi skrížené polarizátory. Model je vystavený podobným zaťaženiam, aké zažije samotný produkt. Obraz pozorovaný v tomto prípade v prechádzajúcom bielom svetle umožňuje určiť rozloženie napätí, ako aj posúdiť ich veľkosť (obr. 19.21, a). Výskyt optickej anizotropie v priehľadných telesách pri zaťažení je tzv fotoelasticita.

Predmetom štúdia môže byť akékoľvek priehľadné plastové pravítko, riad atď. (obr. 19.21, b a c). Pri pohľade v skrížených polaroidoch možno pozorovať nádherné farebné vzory. Tieto vzory majú tendenciu hrubnúť v blízkosti rohov a hrán, švíkov a otvorov, kde sú zvyškové napätia.

9. Rotácia roviny polarizácie. polarimetria

Medzi javmi, ktoré vznikajú pri interakcii svetla s hmotou, má v princípe aj v praxi dôležité miesto jav, ktorý objavil D. Arago v roku 1811 pri štúdiu dvojlomu v kremeni: keď polarizované svetlo prechádza cez určité látky, rotácia roviny polarizácie(obr.19.22).

Látky, ktoré dokážu otáčať rovinu polarizácie svetla, sa nazývajú opticky aktívne.. Patria sem kryštalické telieska (kremeň, rumelka atď.), čisté tekutiny (terpentín, nikotín atď.) a roztoky určitých látok (vodné roztoky cukru, glukózy, kyseliny vínnej atď.). Meranie rotácie roviny polarizácie sa stalo populárnou analytickou technikou v mnohých priemyselných oblastiach.

Kryštalické látky, ako je kremeň, najviac otáčajú rovinu polarizácie, keď sa svetlo šíri pozdĺž optickej osi kryštálu. Uhol natočenia je úmerný dráhe l prešiel lúčom v kryštáli:

. (19.13)

Koeficient sa nazýva konštantná rotácia.

Pre riešenia objavil J. Biot (1831) tieto vzorce: uhol natočenia roviny polarizácie je úmerný dráhe l lúč v roztoku a koncentrácii Súčinná látka v roztoku:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image082_4.png" width="27" height="24 src="> – špecifická rotácia. Charakterizuje povahu látky, závisí od povahy látky a teploty. Špecifická rotácia je nepriamo úmerná druhej mocnine vlnovej dĺžky: ~, preto pri prechode polarizovaného svetla cez roztok opticky aktívnej látky sa roviny polarizácie vĺn rôznych dĺžok budú otáčať pod rôznymi uhlami. V závislosti od polohy analyzátora ním prechádzajú lúče rôznych farieb. Tento jav sa nazýva rotačná disperzia.

Pri 20 °C a λ=589 nm je špecifická rotácia cukru: . Rotačná konštanta kremeňa pre žlté lúče (A=589 nm): a=21,7°/mm a pre fialové (A=404,7 nm) a=48,9°/mm.

Štúdie ukázali, že vysvetlenie fenoménu rotácie roviny polarizácie svetla v prirodzene aktívnych látkach možno získať zvážením všeobecného problému interakcie elektromagnetickej svetelnej vlny s molekulami alebo atómami látok, ak sú len konečných veľkostí zohľadňuje sa počet molekúl a ich štruktúra. Táto úloha je veľmi náročná. Svojho času O. Fresnel (1817) predložil opis tohto javu, redukoval ho na zvláštny typ dvojlomu. Fresnelova úvaha je založená na hypotéze, že rýchlosť šírenia svetla v aktívnych látkach je odlišná pre vlny polarizované pozdĺž ľavého a pravého kruhu. Predstavme si rovinne polarizovanú vlnu ako superpozíciu dvoch vĺn polarizovaných v kruhu vpravo a vľavo s rovnakými amplitúdami a periódami. Ak oba vektory a https://pandia.ru/text/78/081/images/image088_3.png" align="left" width="298" height="290">Ak rýchlosti šírenia oboch vĺn nie sú rovnaký, potom keď prechádza látkou, jeden z vektorov alebo https://pandia.ru/text/78/081/images/image002_22.png" width="17 height=23" height="23"> , sa bude otáčať vzhľadom na pôvodnú rovinu R(obr. 19.23, 6).

Rozdiel v rýchlostiach svetla s rôznymi smermi kruhovej polarizácie je spôsobený asymetriou molekúl (obr. 19.24, a), alebo asymetrickým usporiadaním atómov v kryštáli (obr. 19.24, b). Molekuly (kryštály) zobrazené vpravo sú zrkadlovým obrazom molekúl (kryštálov) zobrazených vľavo. Nemajú ani stred symetrie, ani rovinu symetrie a nedajú sa navzájom priestorovo kombinovať žiadnymi rotáciami a posunmi. Fyzikálne a chemické vlastnosti čistých optických izomérov sú úplne rovnaké. Ale "ľavé" a "pravé" izoméry otáčajú rovinu polarizácie v opačných smeroch. Špecifické hodnoty rotácie pre obe modifikácie sa líšia iba znamienkom.

Okrem toho sú fyziologické a biochemické účinky optických izomérov často úplne odlišné. Takže v živej prírode sú proteíny postavené z ľavostranných optických izomérov aminokyselín (19 z 20 životne dôležitých aminokyselín je opticky aktívnych). Proteíny umelo syntetizované zo správnych aminokyselín telo neabsorbuje; a „ľavý“ nikotín je niekoľkonásobne jedovatejší ako „pravý“. Úžasný fenomén dominantnej úlohy len jednej z foriem optických izomérov v biologických procesoch môže mať zásadný význam pre objasnenie spôsobov vzniku a vývoja života na Zemi.

10. Aplikácia polarizácie: LCD monitor

Obrazovka LCD (displej z tekutých kryštálov) je pole malých segmentov nazývaných pixely, s ktorými je možné manipulovať a zobrazovať informácie.

Každý pixel matice LCD pozostáva z vrstvy molekúl medzi dvoma priehľadnými elektródami a dvoma polarizačnými filtrami, ktorých polarizačné roviny sú kolmé (obr. 19.25). Pri absencii napätia sa kryštály zoradia do špirálovej štruktúry (obr. 19.26). Táto štruktúra otočí rovinu polarizácie svetla o 900, takže svetlo prechádza cez druhý polarizačný filter prakticky bez straty (obr. 19.27, a).

Ak je na elektródy privedené napätie, molekuly majú tendenciu sa zoraďovať v smere elektrického poľa, čo deformuje špirálovitú štruktúru. V tomto prípade proti tomu pôsobia elastické sily a po vypnutí napätia sa molekuly vrátia do pôvodnej polohy.

Pri dostatočnej intenzite poľa sa takmer všetky molekuly stanú navzájom paralelnými, čo vedie k nepriehľadnosti štruktúry (obr. 19.27, a). Zmenou napätia môžete ovládať stupeň priehľadnosti.

Pri farebných displejoch sa veci komplikujú. Tu je pixel vytvorený z troch nezávislých buniek, z ktorých každá je umiestnená nad modrou, červenou alebo zelenou sekciou filtra. V porovnaní s monochromatickým panelom sa teda počet pixelov zvýši trojnásobne. Na farebnom displeji sa na „zmiešanie“ farieb používajú gradácie jasu každého pixelu, ktorý tvorí triádu.

11. Interferencia polarizovaného svetla

Pri normálnom dopade lúča lúčov na dosku kryštálu je optická os r ktorý je rovnobežný s refrakčným povrchom, obyčajné a mimoriadne lúče sa šíria rovnakým smerom, ale rôznou rýchlosťou. Dáme na takýto plech s hrúbkou d dopadá rovinný polarizovaný lúč s amplitúdou elektrického vektora E 0, ktorej rovina polarizácie zviera uhol φ s rovinou hlavného rezu dosky ОО´. Potom sa v platni objavia oba trámy, obyčajný (o) aj mimoriadny (e) (obr. 19.28), ktoré budú koherentné. V momente ich výskytu v platni je fázový rozdiel medzi nimi rovný nule, no s prenikaním lúčov do platne sa bude zväčšovať. Vypočítajme tento fázový rozdiel.

Rozdiel optickej dráhy Δ sa rovná rozdielu medzi dĺžkami optických dráh obyčajných a mimoriadnych lúčov:

Fázový rozdiel medzi oboma lúčmi je teda rovný

https://pandia.ru/text/78/081/images/image096_1.png" width="16" height="20 src="> - vlnová dĺžka vákua.

má veľký význam v krištáľovej optike.
Farby získané s rozdielnymi dráhovými rozdielmi sú uvedené v Michel-Levyho tabuľke (obr. 19.31).

12. Fenomén rozptylu svetla. rozptyl hmoty. Normálna a abnormálna disperzia

Každý pozoroval fenomén rozptylu svetla, keď obdivoval dúhu (obr. 19.32). Jeho vzhľad je spôsobený celkovým vnútorným odrazom lúčov v kvapkách vody, ako aj závislosť indexu lomu od vlnovej dĺžky..png" width="68" height="25">.

Disperzia svetla je závislosť indexu lomu látky od frekvencie (alebo vlnovej dĺžkyl ) rýchlosť svetla alebo fázová rýchlosť https://pandia.ru/text/78/081/images/image109_3.png" width="68" height="25">.

Newton prvýkrát experimentálne skúmal disperziu svetla okolo roku 1672. Dôsledkom disperzie je rozklad na spektrum bieleho svetla pri prechode hranolom (obr. 19.33). Po prechode svetla hranolom sa vytvorí spektrum, v ktorom čiary každej frekvencie (vlnovej dĺžky) zaberajú veľmi špecifické miesto. Červené lúče, ktoré majú dlhšiu vlnovú dĺžku, sú menej vychýlené ako fialové; preto je disperzné spektrum inverzné k difrakčnému spektru, kde sú červené lúče silnejšie vychýlené. Hodnota

volal rozptyl hmoty ukazuje, ako rýchlo sa index lomu mení s vlnovou dĺžkou. Existujú dva typy disperzie: normálne(D<0), при которой показатель преломления монотонно увеличивается с ростом частоты; и anomálny(D>0), pri ktorej index lomu klesá so zvyšujúcou sa frekvenciou. Pre všetky priehľadné bezfarebné látky vo viditeľnej časti spektra je disperzia normálna (časti 1-2 a 3-4 na obr. 19.34). Ak látka absorbuje svetlo v určitom rozsahu vlnových dĺžok (frekvencií), potom sa disperzia v oblasti absorpcie ukáže ako anomálna (časť 2-3 na obr. 19.34).

13. Teória Lorentzovej disperzie. Vzťah medzi absorpciou svetla a anomálnou disperziou

Z Maxwellovej elektromagnetickej teórie je známe, že fázová rýchlosť elektromagnetických vĺn je rovná

kde c- rýchlosť svetla vo vákuu; e – dielektrická permitivita média; m – magnetická permeabilita média. Pre väčšinu transparentných médií m=1 teda

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

Z posledného vzťahu však vyplývajú určité rozpory: 1) n – variabilné a e – konštanta pre danú látku; 2) hodnoty n nesúhlasia s experimentálnymi hodnotami; napríklad na vodu n≈ 1,33, a e=81.

Ťažkosti pri vysvetľovaní disperzie z pohľadu Maxwellovej elektromagnetickej teórie odstraňuje Lorentzova elektrónová teória. V Lorentzovej teórii sa disperzia svetla považuje za výsledok interakcie elektromagnetických vĺn s hmotou. Pohyb elektrónov v atóme sa riadi zákonmi kvantovej mechaniky. Najmä pojem trajektórie elektrónu v atóme stráca akýkoľvek význam. Ako však ukázal Lorentz, pre kvalitatívne pochopenie mnohých optických javov sa stačí obmedziť na hypotézu existencie kvázi-elasticky viazaných elektrónov vo vnútri atómov a molekúl. Po vyvedení z rovnovážnej polohy takéto elektróny začnú oscilovať a postupne strácajú energiu oscilácií na vyžarovanie elektromagnetických vĺn. V dôsledku toho budú oscilácie tlmené. Tlmenie je možné vziať do úvahy zavedením "trecej sily" úmernej rýchlosti.

Elektromagnetická vlna, v ktorej sa vektor intenzity elektrického poľa mení podľa zákona:

, (19.20)

prechádzajúc látkou pôsobí na každý elektrón silou:

, (19.21)

kde E 0 je amplitúda intenzity elektrického poľa vlny.

Na základe druhého Newtonovho zákona môžeme napísať diferenciálnu rovnicu pre oscilácie elektrónov:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image120_3.png" width="76" height="48">. Pod vplyvom sily (19.21) elektrón vykonáva nútené oscilácie:

, (19.23)

amplitúda ALE a fáza j, ktorých sú určené vzorcami:

; https://pandia.ru/text/78/081/images/image108_3.png" width="15" height="16">, odlišná od rýchlosti vĺn vo vákuu..png" width="15" výška=" 16"> od ω.

Pre zjednodušenie výpočtov najskôr zanedbáme útlm vplyvom žiarenia (β=0), potom z (19.24) dostaneme:

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

Berúc do úvahy (19.20):

.

V dôsledku vytesnenia elektrónov z rovnovážnych polôh získa molekula elektrický dipólový moment:

. (19.26)

Tu sa predpokladá, že každý atóm (alebo molekula) látky možno považovať za systém niekoľkých harmonických oscilátorov - nabitých častíc s rôznym efektívnym nábojom q ja a omše m i, ktorých prirodzené netlmené oscilačné frekvencie sa rovnajú https://pandia.ru/text/78/081/images/image130_3.png" width="297" height="65 src=">. (19.27)

Permitivita látky súvisí s dielektrickou citlivosťou:

a veľkosť vektora polarizácie je:

potom od (19.19), (19.27-19.29):

https://pandia.ru/text/78/081/images/image129_3.png" width="29" height="25">, sčítať (19..png" width="29" height="25" >.png" width="29" height="25">.png" width="29" height="25">. Toto správanie funkcie je spôsobené tým, že sme zanedbali tlmenie: nastavili sme β=0 Keď je β odlišné od nuly, funkcia (19.30) zostáva konečná pre všetky hodnoty ω Obr. n 2=f(ω) so zohľadnením útlmu (plná krivka). Idem

z frekvencií na vlnové dĺžky dostaneme krivku znázornenú na obr. 19.34.

Vo frekvenčných rozsahoch blízkych vlastným frekvenciám elektrónov teda dochádza k anomálnej disperzii, zatiaľ čo v iných oblastiach je to normálne. Oblasti anomálneho rozptylu sú rezonančné oblasti. Pri rezonancii vplyvom hnacej sily (19.21) je amplitúda vynútených kmitov maximálna, pri zabezpečení maximálnej rýchlosti dodávky energie do systému je svetelná vlna absorbovaná. Oblasti anomálneho rozptylu sú teda v dôsledku svojej rezonančnej povahy absorpčnými oblasťami. Na obr. 19.36 bodkovaná krivka znázorňuje správanie sa koeficientu absorpcie svetla látkou.

Začiatkom minulého storočia študoval anomálnu disperziu v parách sodíka. Navrhol metódu kvantitatívneho stanovenia anomálnej disperzie, nazývanú háčiková metóda. Metóda dostala svoj názov vďaka charakteristickému ohybu interferenčných prúžkov (obr. 19.37), ktorý odráža zmenu indexu lomu v blízkosti dvojitého absorpčného pásma sodíkových pár. Háčiky sa získajú v dôsledku rozdielu v dráhe lúčov, ktoré prešli cez sodíkovú paru v interferometri.

Elementárna teória Lorentzovej disperzie umožnila vysvetliť normálnu a anomálnu disperziu, ako aj selektivitu absorpcie svetla pri rôznych frekvenciách, teda samotný fakt prítomnosti absorpčných pásov. Rozdiel v intenzitách pásiem však nemožno vysvetliť v rámci klasickej teórie. Absorpcia svetla má v podstate kvantový charakter.

14. Absorpcia svetla. Bouguerov zákon

Z experimentov je známe, že keď svetlo prechádza látkou, jeho intenzita klesá. Absorpcia svetla je jav poklesu energie svetelnej vlny pri jej šírení v látke, ku ktorému dochádza v dôsledku premeny energie vĺn na vnútornú energiu látky alebo na energiu sekundárneho žiarenia. s iným spektrálnym zložením a smermi šírenia. Absorpcia svetla môže spôsobiť zahrievanie látky, excitáciu a ionizáciu atómov alebo molekúl, fotochemické reakcie a iné procesy v látke.

V 18. storočí Bouguer experimentálne a Lambert teoreticky stanovili zákon absorpcie svetla. Pri prechode svetla cez tenkú vrstvu absorbujúceho média v smere X zníženie intenzity svetla dlúmerná intenzite ja a hrúbka prechádzajúcej vrstvy dx(obr.19.38):

. (19.31)

Znamienko „–“ znamená, že intenzita sa znižuje. Koeficient proporcionality v (19,31) sa nazýva prirodzená miera absorpcie (absorpčný koeficient) životné prostredie. Závisí od chemickej povahy a stavu absorbujúceho média a od vlnovej dĺžky svetla. Transformujme a integrujme tento výraz:

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

.

Tu ja 0 a ja sú intenzity žiarenia na vstupe a výstupe vrstvy média s hrúbkou d. Po transformáciách dostaneme:

;

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

kde S je koncentrácia roztoku a c je faktor úmernosti, ktorý nezávisí od koncentrácie. V koncentrovaných roztokoch sa porušuje Beerov zákon vplyvom interakcie medzi tesne umiestnenými molekulami absorbujúcej látky. Od (19.32) a (19.33) dostaneme Bouguer-Lambert-Beerov zákon:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image153_3.png" width="53" height="52 src="> sa nazýva priepustnosť a často sa vyjadruje v percentách:

.

Optická hustota je určený prirodzeným (alebo desatinným) logaritmom prenosu:

https://pandia.ru/text/78/081/images/image157_3.png" align="left" width="220" height="228">Koeficient absorpcie závisí od vlnovej dĺžky svetla λ (alebo frekvencie ω) Pre látku v takom stave, že sa atómy alebo molekuly prakticky navzájom neovplyvňujú (plyny a pary kovov pri nízkom tlaku), je absorpčný koeficient pre väčšinu vlnových dĺžok blízky nule a iba pre veľmi úzke spektrálne oblasti odhaľuje ostré maximá (v Obr Spektrum sodíkových pár je na obr.19.39.Tieto maximá podľa elementárnej elektrónovej teórie Lorentza zodpovedajú rezonančným frekvenciám vibrácií elektrónov v atómoch.V prípade polyatomických molekúl sa nachádzajú aj frekvencie zodpovedajúce na vibrácie atómov vo vnútri molekúl Keďže hmotnosti atómov sú oveľa väčšie ako hmotnosť elektrónu, molekulové frekvencie sú oveľa menej atómové – spadajú do infračervenej oblasti spektra.

Pevné látky, kvapaliny a plyny pri vysokých tlakoch poskytujú široké absorpčné pásy (obr. 19.40 ukazuje spektrum roztoku fenolu). So zvyšovaním tlaku plynu sa absorpčné maximá, spočiatku veľmi úzke, stále viac rozširujú a pri vysokých tlakoch sa absorpčné spektrum plynov približuje absorpčným spektrám kvapalín. Táto skutočnosť naznačuje, že rozšírenie absorpčných pásov je výsledkom vzájomnej interakcie atómov (alebo molekúl).

Kovy sú pre svetlo prakticky nepriepustné. Je to spôsobené prítomnosťou voľných elektrónov v kovoch. Pôsobením elektrického poľa svetelnej vlny sa začnú pohybovať voľné elektróny - v kove vznikajú rýchlo striedavé prúdy sprevádzané uvoľňovaním Lenz-Joulovho tepla. V dôsledku toho sa energia svetelnej vlny rýchlo znižuje a mení sa na vnútornú energiu kovu.

15. Čerenkovov-Vavilovov efekt

V roku 1934, pracujúc pod dohľadom, objavil špeciálny typ tekutej žiary pod pôsobením nabitých častíc, ako sú elektróny.

Rovnomerne sa pohybujúca nabitá častica nevyžaruje – ale iba vtedy, ak je jej rýchlosť menšia ako rýchlosť svetla v danom médiu. o

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

1) šíri sa pozdĺž tvoriacich priamok kužeľa s vrcholom v bode, kde sa nachádza častica (obr. 19.41);

2) uhol medzi rýchlosťou častice a smerom žiarenia je určený vzťahom:

polarizáciou

http://www. /sledovať? v=gbu9tIykgDM

rotácia roviny polarizácie

http://www. /sledovať? v=GeUqERAz3YY

rozptýlením

http://www. /sledovať? v=efjJXc_ME4E

Doktor technických vied A. GOLUBEV.

Dve úplne identické dosky z mierne zatmaveného skla alebo pružného plastu, spojené dohromady, sú takmer priehľadné. Ale stojí za to otočiť kohokoľvek o 90, pretože pred okom sa objaví pevná tma. Môže sa to zdať ako zázrak: veď každý tanier je priehľadný na každom kroku. pozorný pohľad však odhalí, že pri určitých uhloch natočenia odlesky od vody, skla a leštených povrchov miznú. To isté možno pozorovať pri pohľade na obrazovku počítačového LCD monitora cez platňu: pri jej otočení sa jas obrazovky zmení a v určitých polohách úplne zhasne. „Vinníkom“ všetkých týchto (a mnohých ďalších) kurióznych javov je polarizované svetlo. Polarizácia je vlastnosť, ktorú môžu mať elektromagnetické vlny vrátane viditeľného svetla. Polarizácia svetla má mnoho zaujímavých aplikácií a zaslúži si, aby sme ju podrobnejšie rozobrali.

Veda a život // Ilustrácie

Mechanický model lineárnej polarizácie svetelnej vlny. Medzera v plote umožňuje vibrácie lana iba vo vertikálnej rovine.

V anizotropnom kryštáli je svetelný lúč rozdelený na dva lúče polarizované vo vzájomne kolmých (ortogonálnych) smeroch.

Bežné a mimoriadne lúče sú priestorovo kombinované, amplitúdy svetelných vĺn sú rovnaké. Keď sa pridajú, vznikne polarizovaná vlna.

Takto svetlo prechádza systémom dvoch polaroidov: a - keď sú rovnobežné; b - prekrížené; c - umiestnené v ľubovoľnom uhle.

Dve rovnaké sily pôsobiace v bode A vo vzájomne kolmých smeroch spôsobujú, že sa kyvadlo pohybuje po kruhovej, priamočiarej alebo eliptickej trajektórii (priamka je „degenerovaná“ elipsa a kruh je jej špeciálny prípad).

Veda a život // Ilustrácie

Fizpraktikum. Ryža. jeden.

Fizpraktikum. Ryža. 2.

Fizpraktikum. Ryža. 3.

Fizpraktikum. Ryža. 4.

Fizpraktikum. Ryža. 5.

Fizpraktikum. Ryža. 6.

Fizpraktikum. Ryža. 7.

Fizpraktikum. Ryža. osem.

Fizpraktikum. Ryža. deväť.

V prírode existuje veľa oscilačných procesov. Jedným z nich sú harmonické kmity elektrických a magnetických polí, ktoré tvoria striedavé elektromagnetické pole, ktoré sa šíri v priestore vo forme elektromagnetických vĺn. Tieto vlny sú priečne - vektory e a n síl elektrického a magnetického poľa sú navzájom kolmé a kmitajú v smere šírenia vlny.

Elektromagnetické vlny sú podmienene rozdelené do rozsahov podľa vlnových dĺžok, ktoré tvoria spektrum. Jeho najväčšiu časť zaberajú rádiové vlny s vlnovou dĺžkou od 0,1 mm do stoviek kilometrov. Malá, ale veľmi dôležitá časť spektra je optický rozsah. Delí sa na tri oblasti – viditeľnú časť spektra, ktorá zaberá interval približne 0,4 mikrónu (fialové svetlo) až 0,7 mikrónu (červené svetlo), ultrafialovú (UV) a infračervenú (IR), okom neviditeľnú. Preto sú polarizačné javy prístupné priamemu pozorovaniu iba vo viditeľnej oblasti.

Ak sa oscilácie vektora intenzity elektrického poľa e svetelnej vlny otáčajú náhodne v priestore, vlna sa nazýva nepolarizovaná a svetlo sa nazýva prirodzené. Ak sa tieto oscilácie vyskytujú iba v jednom smere, vlna je lineárne polarizovaná. Nepolarizovaná vlna sa premení na lineárne polarizovanú pomocou polarizátorov - zariadení, ktoré prenášajú vibrácie len jedným smerom.

Pokúsme sa opísať tento proces jasnejšie. Predstavme si obyčajný drevený plot, do ktorého jednej dosky je vyrezaná úzka zvislá štrbina. Cez túto medzeru prevlečieme lano; jeho koniec upevníme za plot a začneme lanom triasť, čím ho nútime oscilovať v rôznych uhloch k vertikále. Otázka: ako bude lano vibrovať za medzerou?

Odpoveď je zrejmá: za medzerou sa lano začne kývať iba vo vertikálnom smere. Amplitúda týchto kmitov závisí od smeru posunov prichádzajúcich do štrbiny. Vertikálne vibrácie prejdú štrbinou úplne a dávajú maximálnu amplitúdu, horizontálne vibrácie - štrbina nebude vôbec chýbať. A všetky ostatné, „naklonené“, možno rozložiť na horizontálne a vertikálne zložky a amplitúda bude závisieť od veľkosti vertikálnej zložky. Ale v každom prípade za štrbinou zostanú len vertikálne oscilácie! To znamená, že medzera v plote je model polarizátora, ktorý premieňa nepolarizované kmity (vlny) na lineárne polarizované.

Vráťme sa do sveta. Existuje niekoľko spôsobov, ako získať lineárne polarizované svetlo z prirodzeného, ​​nepolarizovaného svetla. Najčastejšie sa používajú polymérové ​​fólie s dlhými molekulami orientovanými v jednom smere (pamätajte na plot so štrbinou!), hranoly a platne s dvojlomom, alebo optická anizotropia (rozdiely fyzikálnych vlastností v rôznych smeroch).

Optická anizotropia sa pozoruje v mnohých kryštáloch - turmalín, islandský rákos, kremeň. Samotný jav dvojitého lomu spočíva v tom, že lúč svetla dopadajúci na kryštál sa v ňom rozdelí na dva. V tomto prípade je index lomu kryštálu pre jeden z týchto lúčov konštantný pri akomkoľvek uhle dopadu vstupného lúča a pre druhý závisí od uhla dopadu (to znamená, že kryštál je preň anizotropný). Táto okolnosť tak zapôsobila na objaviteľov, že prvý lúč sa nazýval obyčajný a druhý - mimoriadny. A je veľmi dôležité, aby tieto lúče boli lineárne polarizované vo vzájomne kolmých rovinách.

Všimnite si, že v takýchto kryštáloch existuje jeden smer, pozdĺž ktorého nedochádza k dvojitému lomu. Tento smer sa nazýva optická os kryštálu a samotný kryštál sa nazýva jednoosový. Optická os je presne smer, všetky čiary prechádzajúce pozdĺž nej majú vlastnosť optickej osi. Známe sú aj dvojosové kryštály – sľuda, sadra a iné. Tiež podliehajú dvojitému lomu, ale oba lúče sa ukážu ako mimoriadne. V dvojosých kryštáloch sú pozorované zložitejšie javy, ktorých sa nebudeme dotýkať.

V niektorých jednoosových kryštáloch bol objavený ďalší kuriózny jav: bežné a mimoriadne lúče zažívajú výrazne odlišnú absorpciu (tento jav sa nazýval dichroizmus). Takže v turmalíne je obyčajný lúč absorbovaný takmer úplne už na dráhe asi milimetra a mimoriadny prechádza celým kryštálom takmer bez straty.

Dvojlomné kryštály sa používajú na výrobu lineárne polarizovaného svetla dvoma spôsobmi. Prvý používa kryštály, ktoré nemajú dichroizmus; sú z nich vyrobené hranoly zložené z dvoch trojuholníkových hranolov s rovnakou alebo kolmou orientáciou optických osí. V nich sa buď jeden lúč odchyľuje do strany, takže z hranola vychádza len jeden lineárne polarizovaný lúč, alebo vychádzajú oba lúče, ale oddelené od seba veľkým uhlom. Pri druhom spôsobe sa používajú silne dichroické kryštály, v ktorých sa absorbuje jeden z lúčov, alebo tenké filmy - polaroidy vo forme veľkoplošných plátov.

Vezmime dva polaroidy, spojíme ich a pozrieme sa cez ne na nejaký zdroj prirodzeného svetla. Ak sa osi prenosu oboch polaroidov (teda smerov, v ktorých polarizujú svetlo) zhodujú, oko uvidí svetlo maximálneho jasu; ak sú kolmé, svetlo takmer úplne zhasne.

Svetlo zo zdroja prechádzajúce prvým polaroidom bude lineárne polarizované pozdĺž svojej osi prenosu a v prvom prípade bude voľne prechádzať cez druhý polaroid av druhom prípade neprejde (pripomeňme si príklad s medzerou v plote). V prvom prípade sa hovorí, že polaroidy sú rovnobežné, v druhom prípade sa hovorí, že polaroidy sú skrížené. V prechodných prípadoch, keď sa uhol medzi osami prenosu polaroidov líši od 0 alebo 90°, získame aj stredné hodnoty jasu.

Poďme ďalej. V akomkoľvek polarizátore sa prichádzajúce svetlo rozdelí na dva priestorovo oddelené a lineárne polarizované lúče vo vzájomne kolmých rovinách – obyčajné a mimoriadne. A čo sa stane, ak bežné a mimoriadne lúče nebudú priestorovo oddelené a jeden z nich nezhasne?

Obrázok ukazuje obvod, ktorý implementuje tento prípad. Svetlo určitej vlnovej dĺžky, ktoré prechádza polarizátorom P a lineárne sa polarizuje, dopadá pod uhlom 90° na dosku P vyrezanú z jednoosového kryštálu rovnobežne s jeho optickou osou. ZZ. Dve vlny sa v platni šíria - obyčajná a mimoriadna - rovnakým smerom, ale rôznou rýchlosťou (keďže majú rôzne indexy lomu). Mimoriadna vlna je polarizovaná pozdĺž optickej osi kryštálu, zatiaľ čo obyčajná vlna je polarizovaná v kolmom smere. Predpokladajme, že uhol a medzi smerom polarizácie svetla dopadajúceho na platňu (os priepustnosti polarizátora P) a optickou osou platne je 45° a amplitúdy kmitov obyčajných a mimoriadnych vĺn Oh, oh a A e sú si rovní. To je prípad sčítania dvoch vzájomne kolmých vibrácií s rovnakými amplitúdami. Pozrime sa, čo sa stane ako výsledok.

Pre prehľadnosť sa obrátime na mechanickú analógiu. Je tam kyvadlo, k nemu je pripevnená hadička, z ktorej vyteká tenký pramienok atramentu. Kyvadlo kmitá v presne stanovenom smere a atrament kreslí na kus papiera priamku. Teraz naň zatlačíme (bez zastavenia) v smere kolmom na rovinu kývania tak, aby rozsah jeho kmitov v novom smere bol rovnaký ako v počiatočnom. Máme teda dve ortogonálne oscilácie s rovnakými amplitúdami. To, čo atrament kreslí, závisí od toho, kde na trajektórii AOB keď sme ho tlačili, bolo tam kyvadlo.

Predpokladajme, že sme ho zatlačili v momente, keď bol v krajnej ľavej polohe, v bode ALE. Potom budú na kyvadlo pôsobiť dve sily: jedna v smere počiatočného pohybu (k bodu O), druhá v kolmom smere AS. Keďže tieto sily sú rovnaké (amplitúdy kolmých kmitov sú rovnaké), kyvadlo pôjde diagonálne AD. Jeho trajektóriou bude priamka idúca pod uhlom 45 o k smerom oboch kmitov.

Ak stlačíte kyvadlo, keď je v krajnej pravej polohe, v bode B, tak z podobnej úvahy je jasné, že jeho dráha bude tiež rovná, ale otočená o 90 o. Ak stlačíte kyvadlo v strede O, koniec kyvadla opíše kruh, a ak v nejakom ľubovoľnom bode - elipsu; navyše jeho tvar závisí od presného bodu, v ktorom bolo kyvadlo zatlačené. Preto sú kružnica a priamka špeciálnymi prípadmi eliptického pohybu (priamka je „degenerovaná“ elipsa).

Výsledný výkyv kyvadla v priamke je model lineárnej polarizácie. Ak jeho dráha opisuje kružnicu, kmitanie sa nazýva kruhovo polarizované alebo kruhovo polarizované. V závislosti od smeru otáčania v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek sa hovorí o pravej alebo ľavej kruhovej polarizácii. Nakoniec, ak kyvadlo sleduje elipsu, hovorí sa, že oscilácia je elipticky polarizovaná, v tomto prípade sa tiež rozlišuje medzi pravou a ľavou eliptickou polarizáciou.

Príklad s kyvadlom poskytuje vizuálnu reprezentáciu toho, aký druh polarizácie dostane oscilácia, ktorá nastane, keď sa pridajú dve navzájom kolmé lineárne polarizované oscilácie. Vzniká otázka: aký je analóg nastavenia druhej (kolmej) oscilácie v rôznych bodoch trajektórie kyvadla pre svetelné vlny?

Sú to fázový rozdiel φ obyčajných a mimoriadnych vĺn. Stlačenie kyvadla v bode ALE zodpovedá nulovému fázovému rozdielu v bode AT - fázový rozdiel je 180 o, v bode O - 90 o, ak kyvadlo prechádza týmto bodom zľava doprava (z A do B), alebo 270 o, ak sprava doľava (z B do A). V dôsledku toho pri pridávaní svetelných vĺn s ortogonálnymi lineárnymi polarizáciami a rovnakými amplitúdami závisí polarizácia výslednej vlny od fázového rozdielu pridaných vĺn.

Tabuľka ukazuje, že s fázovým rozdielom 0 o a 180 o sa eliptická polarizácia zmení na lineárnu, s rozdielom 90 o a 270 o - na kruhovú polarizáciu s rôznymi smermi rotácie výsledného vektora. A eliptickú polarizáciu možno získať pridaním dvoch ortogonálnych lineárne polarizovaných vĺn a s fázovým rozdielom 90 o alebo 270 o, ak tieto vlny majú rôzne amplitúdy. Kruhovo polarizované svetlo je navyše možné získať aj bez pridania dvoch lineárne polarizovaných vĺn, napríklad pomocou Zeemanovho efektu – rozdelenia spektrálnych čiar v magnetickom poli. Nepolarizované svetlo s frekvenciou v, prechádzajúce magnetickým poľom pôsobiacim v smere šírenia svetla, je rozdelené na dve zložky s ľavou a pravou kruhovou polarizáciou a frekvenciami symetrickými vzhľadom na ν (ν - ∆ν) a (ν + ∆ν) .

Veľmi bežnou metódou na získanie rôznych typov polarizácie a ich transformácie je použitie takzvaných fázových platní vyrobených z dvojlomného materiálu s indexmi lomu. č a n e Hrúbka plechu d sa volí tak, aby na jej výstupe bol fázový rozdiel medzi obyčajnou a mimoriadnou zložkou vlny 90 alebo 180 o. Fázový rozdiel 90 o zodpovedá rozdielu optickej dráhy d(n o - n e), rovná λ / 4 a fázový rozdiel 180 okolo - λ / 2, kde λ je vlnová dĺžka svetla. Tieto záznamy sa nazývajú štvrťvlnové a polvlnové. Je prakticky nemožné vyrobiť platňu s hrúbkou jednej štvrtiny alebo polovice vlnovej dĺžky, takže rovnaký výsledok sa získa s hrubšími platňami, čo dáva dráhový rozdiel (kλ + λ/4) a (kλ + λ/2), kde k je nejaké celé číslo. Štvrťvlnová platňa premieňa lineárne polarizované svetlo na elipticky polarizované svetlo; ak je doska polvlnová, potom sa na jej výstupe získa aj lineárne polarizované svetlo, ale so smerom polarizácie kolmým na prichádzajúce. Fázový rozdiel 45° poskytne kruhovú polarizáciu.

Ak medzi rovnobežné alebo skrížené polaroidy umiestnime dvojlom ľubovoľnej hrúbky a pozrieme sa cez tento systém do bieleho svetla, uvidíme, že zorné pole sa zafarbilo. Ak hrúbka dosky nie je rovnaká, objavia sa viacfarebné oblasti, pretože fázový rozdiel závisí od vlnovej dĺžky svetla. Ak sa jeden z polaroidov (nezáleží na tom, ktorý) otočí o 90 o, farby sa zmenia na ďalšie: červená - na zelenú, žltá - na fialovú (spolu dávajú biele svetlo).

Polarizované svetlo bolo navrhnuté na ochranu vodiča pred oslepujúcim svetlom svetlometov protiidúceho auta. Ak sa na predné sklo a svetlomety auta, napríklad vpravo od kolmice, nanesú filmové polaroidy s uhlom prenosu 45 o, vodič jasne uvidí cestu a protiidúce autá osvetlené vlastnými svetlometmi. Ale pre protiidúce autá sa polaroidy predných svetiel skrížia s polaroidom čelného skla tohto auta a predné svetlá protiidúcich áut zhasnú.

Dva skrížené polaroidy tvoria základ mnohých užitočných zariadení. Svetlo neprechádza cez skrížené polaroidy, ale ak medzi ne umiestnite optický prvok, ktorý otáča rovinu polarizácie, môžete svetlu otvoriť cestu. Takto sú usporiadané vysokorýchlostné elektrooptické modulátory svetla. Medzi skrížené polaroidy je napríklad umiestnený dvojlomný kryštál, na ktorý je privedené elektrické napätie. V kryštáli sa v dôsledku interakcie dvoch ortogonálnych lineárne polarizovaných vĺn svetlo elipticky polarizuje so zložkou v rovine prenosu druhého polaroidu (lineárny elektrooptický efekt alebo Pockelsov efekt). Pri použití striedavého napätia sa bude periodicky meniť tvar elipsy a následne aj hodnota zložky prechádzajúcej cez druhý polaroid. Takto prebieha modulácia - zmena intenzity svetla s frekvenciou aplikovaného napätia, ktorá môže byť veľmi vysoká - až 1 gigahertz (10 9 Hz). Ukázalo sa, že uzávierka, ktorá preruší svetlo miliardu krát za sekundu. Ego sa používa v mnohých technických zariadeniach - v elektronických diaľkomeroch, optických komunikačných kanáloch, laserovej technike.

Známe sú takzvané fotochromatické sklá, ktoré pri ostrom slnečnom svetle stmavnú, ale nedokážu ochrániť oči veľmi rýchlym a jasným zábleskom (napríklad pri elektrickom zváraní) – proces stmavnutia je pomerne pomalý. Polarizačné sklá na báze Pockelsovho efektu majú takmer okamžitú „reakciu“ (menej ako 50 μs). Svetlo jasného záblesku vstupuje do miniatúrnych fotodetektorov (fotodiód), ktoré dodávajú elektrický signál, pod vplyvom ktorého sa okuliare stávajú nepriehľadnými.

V stereo kine sa používajú polarizačné okuliare, ktoré vytvárajú ilúziu trojrozmernosti. Ilúzia je založená na vytvorení stereo páru – dvoch snímok nasnímaných pod rôznymi uhlami, zodpovedajúcimi uhlom pohľadu pravého a ľavého oka. Uvažujú sa tak, že každé oko vidí len obraz, ktorý je na to určený. Obraz pre ľavé oko sa premieta na obrazovku cez polaroid s vertikálnou osou prenosu a pre pravé oko - s horizontálnou osou a sú presne zarovnané na obrazovke. Divák sa pozerá cez polaroidové okuliare, v ktorých je os ľavého polaroidu vertikálna a pravá horizontálna; každé oko vidí len „svoj“ obraz a vzniká stereo efekt.

Pre stereoskopickú televíziu sa používa metóda rýchleho striedavého stmievania okuliarov, synchronizovaného so zmenou obrazu na obrazovke. V dôsledku zotrvačnosti videnia vzniká trojrozmerný obraz.

Polaroidy sú široko používané na tlmenie odleskov od skla a leštených povrchov, od vody (svetlo od nich odrazené je vysoko polarizované). Polarizované a svetelné obrazovky monitorov z tekutých kryštálov.

Polarizačné metódy sa využívajú v mineralógii, kryštalografii, geológii, biológii, astrofyzike, meteorológii a pri štúdiu atmosférických javov.

Literatúra

Zhevandrov N.D. Polarizácia svetla. - M.: Nauka, 1969.

Zhevandrov N.D. Anizotropia a optika. - M.: Nauka, 1974.

Zhevandrov N.D. Aplikácia polarizovaného svetla. - M.: Nauka, 1978.

Shercliff W. Polarizované svetlo / Per. z angličtiny. - M.: Mir, 1965.

Fizpraktikum

POLARIZOVANÝ SVET

Časopis už písal o vlastnostiach polarizovaného svetla, podomácky vyrobených polaroskopoch a priehľadných predmetoch, ktoré sa začínajú trblietať všetkými farbami dúhy (pozri Veda a život, č ). Zvážme rovnakú otázku pomocou nových technických zariadení.

Akékoľvek zariadenie s farebnou LCD (liquid crystal) obrazovkou - monitor, notebook, TV, DVD prehrávač, vreckový počítač, smartfón, komunikátor, telefón, elektronický fotorámik, MP3 prehrávač, digitálny fotoaparát - možno použiť ako polarizátor (zariadenie, ktoré vytvára polarizované svetlo).

Faktom je, že samotný princíp činnosti LCD monitora je založený na spracovaní polarizovaného svetla (1). Podrobnejší popis práce nájdete na http://master-tv.com/ a pre našu fyzikálnu prax je dôležité, že ak si plátno osvetlíme bielym svetlom, napríklad nakreslením bieleho štvorca alebo fotografovaním biely list papiera, dostaneme rovinné polarizované svetlo, na ktorom budeme vykonávať ďalšie experimenty.

Zaujímavosťou je, že pri pohľade na bielu obrazovku pri veľkom zväčšení neuvidíme ani jeden biely bod (2) – celá paleta odtieňov je získaná kombináciou odtieňov červenej, zelenej a modrej.

Možno šťastnou náhodou naše oči využívajú aj tri druhy čapíkov, ktoré reagujú na červenú, zelenú a modrú farbu tak, že pri správnom pomere základných farieb vnímame túto zmes ako bielu.

Pre druhú časť polariskopu - analyzátor - sú vhodné polarizačné okuliare Polaroid, predávajú sa v rybárskych predajniach (zníženie odleskov od vodnej hladiny) alebo v autopredajniach (odstraňujú odlesky zo sklenených plôch). Overenie pravosti takýchto okuliarov je veľmi jednoduché: otočením okuliarov voči sebe môžete takmer úplne zablokovať svetlo (3).

A nakoniec si môžete vyrobiť analyzátor z LCD displeja z poškodených elektronických hodín alebo iných produktov s čiernobielymi obrazovkami (4). Pomocou týchto jednoduchých zariadení môžete vidieť veľa zaujímavých vecí a ak analyzátor postavíte pred objektív fotoaparátu, môžete si uložiť dobré zábery (5).

Predmet vyrobený z absolútne priehľadného plastu - pravítko (8), krabica na CD (9) alebo samotný „nulový“ disk (pozri fotografiu na prvej titulnej strane) - umiestnený medzi obrazovkou LCD a analyzátorom, získa dúhová farba. Geometrická figúrka vyrobená z celofánu vybratého z krabičky cigariet a položená na liste rovnakého celofánu sa zafarbí (6). A ak otočíte analyzátor o 90 stupňov, všetky farby sa zmenia na ďalšie - červená sa zmení na zelenú, žltá - fialová, oranžová - modrá (7).

Dôvodom tohto javu je, že materiál priepustný pre prirodzené svetlo je v skutočnosti nehomogénny, alebo, čo je to isté, anizotropný. Jeho fyzikálne vlastnosti, vrátane indexov lomu rôznych častí objektu, nie sú rovnaké. Svetelný lúč je v ňom rozdelený na dva, ktoré sa pohybujú rôznymi rýchlosťami a sú polarizované vo vzájomne kolmých rovinách. Intenzita polarizovaného svetla, ktorá je výsledkom pridania dvoch svetelných vĺn, sa nezmení. Ale analyzátor z neho vystrihne dve rovinne polarizované vlny, oscilujúce v rovnakej rovine, ktoré budú interferovať (pozri „Veda a život“ č. 1, 2008). Najmenšia zmena hrúbky dosky alebo napätia v jej hrúbke vedie k vzniku rozdielu v dráhe vĺn a vzhľade farby.

V polarizovanom svetle je veľmi vhodné študovať rozloženie mechanických napätí v detailoch strojov a mechanizmov, stavebných konštrukcií. Plochý model dielu (nosník, podpera, páka) je vyrobený z priehľadného plastu a je naň aplikovaná záťaž, ktorá simuluje skutočné zaťaženie. Viacfarebné pruhy, ktoré sa objavujú v polarizovanom svetle, označujú slabé miesta dielu (akútny roh, silný ohyb atď.) - sústreďujú sa v nich napätia. Zmenou tvaru dielca dosahujú jeho najväčšiu pevnosť.

Nie je ťažké urobiť takúto štúdiu sami. Z organického skla (najlepšie homogénneho) môžete vystrihnúť povedzme model háku (hák na zdvíhanie bremena), zavesiť ho pred zástenu, zaťažiť ho závažím rôznej hmotnosti na drôtené slučky a pozorovať ako sa v ňom mení rozloženie stresu.

Doteraz sme hovorili o médiách, ktorých index lomu je rôzny pre rôzne smery polarizácie dopadajúceho svetelného lúča. Veľký význam pre praktické aplikácie majú iné médiá, v ktorých sa v závislosti od polarizácie svetla mení nielen index lomu, ale aj absorpčný koeficient. Rovnako ako v prípade dvojlomu je ľahké pochopiť, že absorpcia môže závisieť od smeru vynútených oscilácií nábojov iba v anizotropných prostrediach. Prvým, starým, teraz slávnym príkladom je turmalín a druhým je polaroid. Polaroid pozostáva z tenkej vrstvy malých kryštálikov herapatitu (soľ jódu a chinínu), ktoré sú usporiadané tak, aby ich osy boli navzájom rovnobežné. Tieto kryštály absorbujú svetlo, keď vibrujú v jednom smere, a neabsorbujú takmer žiadne svetlo, keď vibrujú v druhom smere.

Nasmerujme lúč svetla polarizovaný pod uhlom k osi polaroidu. Aká bude intenzita lúča prechádzajúceho cez polaroid? Rozložme náš lúč svetla na dve zložky: jednu s polarizáciou kolmou na tú, ktorá prechádza bez útlmu (je úmerná ) a druhú - pozdĺžnu zložku úmernú . Cez polaroid prejde iba časť úmerná ;. zložka úmerná bude absorbovaná. Amplitúda svetla prechádzajúceho cez polaroid je menšia ako amplitúda dopadajúceho svetla a získa sa z nej vynásobením . Intenzita svetla je úmerná štvorcu. Ak je teda dopadajúce svetlo polarizované pod uhlom k osi polaroidu, podiel intenzity prenášaný polarizátorom sa rovná celkovej intenzite. Podiel intenzity absorbovaný v polaroide je, samozrejme, .

V nasledujúcom experimente vzniká zaujímavý paradox. Je známe, že dva polaroidy s osami umiestnenými kolmo na seba neprepúšťajú svetlo. Ale ak sa medzi takéto polaroidy umiestni tretí polaroid, ktorého os je nasmerovaná pod uhlom k osám ďalších dvoch, časť svetla prejde cez náš systém. Ako vieme, Polaroid svetlo iba pohlcuje, nedokáže svetlo vytvárať. Umiestnením tretieho polaroidu pod uhlom však zväčšujeme množstvo prepusteného svetla. Tento jav môžete analyzovať sami ako cvičenie.

Jedným z najzaujímavejších polarizačných javov, ktorý sa nevyskytuje v zložitých kryštáloch a akýchkoľvek špeciálnych materiáloch, ale v jednoduchom a veľmi známom prípade, je odraz od povrchu. Zdá sa to neuveriteľné, ale pri odraze od skla sa svetlo môže polarizovať a fyzikálne vysvetliť túto skutočnosť je veľmi jednoduché. Brewster experimentálne ukázal, že svetlo odrazené od povrchu je úplne polarizované, ak lúče odrazené a lomené v médiu zvierajú pravý uhol. Tento prípad je znázornený na obr. 33.4.

Obrázok 33.4. Odraz lineárne polarizovaného svetla v Brewsterovom uhle.

Smer polarizácie je daný bodkovanými šípkami: okrúhle bodky predstavujú polarizáciu kolmú na rovinu strany.

Ak je dopadajúci lúč polarizovaný v rovine dopadu, nebude odrazený lúč vôbec. Odrazený lúč vzniká iba vtedy, ak je dopadajúci lúč polarizovaný kolmo na rovinu dopadu. Dôvod tohto javu je ľahko pochopiteľný. V odrazovom prostredí je svetlo polarizované kolmo na smer lúča a vieme, že práve pohyb nábojov v odrazovom prostredí generuje z neho vychádzajúci lúč, ktorý sa nazýva odrazený. Vzhľad tohto takzvaného odrazeného lúča nie je spôsobený jednoducho tým, že sa dopadajúci lúč odráža; teraz už vieme, že dopadajúci lúč vyvoláva pohyb nábojov v médiu, a to zase vytvára odrazený lúč.

Z obr. 33.4 je zrejmé, že iba vibrácie kolmé na rovinu strany vyžarujú žiarenie v smere odrazeného lúča, a preto je odrazený lúč polarizovaný kolmo na rovinu dopadu. Ak je dopadajúci lúč polarizovaný v rovine dopadu, nebude odrazený lúč vôbec.

Tento jav možno ľahko demonštrovať, keď sa lineárne polarizovaný lúč odráža od plochej sklenenej dosky. Otočením dosky pod rôznymi uhlami k smeru dopadajúceho polarizovaného lúča je možné zaznamenať prudký pokles intenzity pri hodnote uhla rovnajúcej sa Brewsterovmu uhlu. Tento pokles intenzity sa pozoruje iba vtedy, keď sa rovina polarizácie zhoduje s rovinou dopadu. Ak je rovina polarizácie kolmá na rovinu požiaru, nepozoruje sa žiadne výrazné zníženie intenzity odrazeného svetla.

Polia vlny sú navzájom kolmé a kmitajú kolmo na vektor rýchlosti vlny (kolmo na lúč). Na opísanie zákonov polarizácie svetla teda stačí poznať správanie len jedného z vektorov. Zvyčajne sa všetky úvahy vykonávajú s ohľadom na svetelný vektor- vektor intenzity elektrického poľa (tento názov je daný tým, že pri pôsobení svetla na látku má primárny význam elektrická zložka vlnového poľa, ktorá pôsobí na elektróny v atómoch látky).

Svetlo je celkové elektromagnetické žiarenie mnohých atómov. Atómy na druhej strane vyžarujú svetelné vlny nezávisle na sebe, preto sa svetelná vlna vyžarovaná telom ako celkom vyznačuje všetkými druhmi ekvipravdepodobných kmitov svetelného vektora (obr. 272, a; lúč je kolmý na rovinu obrázku). V tomto prípade je rovnomerné rozloženie vektorov vysvetlené veľkým počtom atómových žiaričov a rovnosť hodnôt amplitúdy vektorov je vysvetlená rovnakou (priemernou) intenzitou žiarenia každého z atómov. Svetlo so všetkými možnými ekvipravdepodobnými orientáciami vektora (a teda ) sa nazýva prirodzené.

Svetlo, v ktorom sú smery kmitania svetelného vektora nejako usporiadané, sa nazýva polarizované. Ak sa teda v dôsledku akýchkoľvek vonkajších vplyvov objaví prevládajúci (ale nie výlučný!) Smer vektorových kmitov (obr. 272, b), potom sa zaoberáme čiastočne polarizované svetlo. Svetlo, v ktorom vektor (a teda aj ) kmitá iba jedným smerom, kolmo na lúč (obr. 272, v), sa nazýva rovinne polarizované (lineárne polarizované).

Rovina prechádzajúca smerom kmitu vektora svetla rovinne polarizovanej vlny a smer šírenia tejto vlny sa nazýva tzv. rovina polarizácie. Obmedzujúcim prípadom je rovinné polarizované svetlo elipticky polarizované svetlo- svetlo, pre ktoré sa vektor (vektor ) s časom mení tak, že jeho koniec opisuje elipsu ležiacu v rovine kolmej na lúč. Ak polarizačná elipsa degeneruje (pozri § 145) do priamky (keď je fázový rozdiel rovný nule alebo ), potom máme do činenia s rovinne polarizovaným svetlom uvažovaným vyššie, ak do kruhu (keď ( = ± /2 a amplitúdy kombinovaných vĺn sú rovnaké), potom máme čo robiť kruhovo polarizované (kruhovo polarizované) svetlo. Stupeň polarizácie sa nazýva množstvo

kde a sú maximálna a minimálna intenzita svetla zodpovedajúca dvom navzájom kolmým zložkám vektora . Pre prirodzené svetlo = a R= 0, pre rovinne polarizované = 0 a R = 1.

Prirodzené svetlo je možné premeniť na rovinne polarizované svetlo pomocou tzv polarizátory, ktorý prenáša vibrácie iba v určitom smere (napríklad prenáša vibrácie rovnobežne s rovinou polarizátora a úplne blokuje vibrácie kolmé na túto rovinu). Ako polarizátory možno použiť médiá, ktoré sú anizotropné vzhľadom na oscilácie vektora, napríklad kryštály (ich anizotropia je známa, pozri § 70). Z prírodných kryštálov, ktoré sa už dlho používajú ako polarizátor, treba poznamenať turmalín.

Zvážte klasické experimenty s turmalínom (obr. 273). Prirodzené svetlo nasmerujme kolmo na turmalínovú platňu T 1 rez rovnobežne s tzv optická os 00 (pozri §192).

Točenie kryštálu T 1 okolo smeru lúča nepozorujeme žiadne zmeny v intenzite svetla prechádzajúceho cez turmalín. Ak je v dráhe lúča umiestnená druhá doska turmalínu T 2 a otáčajte ho okolo smeru lúča, potom sa intenzita svetla prechádzajúceho doskami mení v závislosti od uhla medzi optickými osami kryštálov pozdĺž Malusový zákon(E. Malus (1775-1812) – francúzsky fyzik):

(190.1)

kde a sú intenzita svetla dopadajúceho na druhý kryštál a vychádzajúceho z neho. V dôsledku toho sa intenzita svetla prenášaného doskami mení z minima (úplné vyhasnutie svetla) pri = /2 (optické osi platní sú kolmé) na maximum pri = 0 (optické osi platní sú rovnobežné). . Ako však vyplýva z obr. 274, amplitúda svetelných vibrácií prechádzajúcich doskou T 2, bude menšia ako amplitúda svetelných vibrácií, ktoré naň dopadajú:

Pretože intenzita svetla je úmerná druhej mocnine amplitúdy, získame výraz (190.1).

Výsledky pokusov s kryštálmi turmalínu sa dajú vysvetliť celkom jednoducho, na základe vyššie uvedených podmienok prestupu svetla polarizátorom. Prvá doska turmalínu prenáša vibrácie len v určitom smere (na obr. 273 je tento smer znázornený šípkou AB), t.j. premieňa prirodzené svetlo na rovinne polarizované svetlo. Druhá platňa turmalínu v závislosti od orientácie od polarizovaného svetla ho prepúšťa viac alebo menej, čo zodpovedá zložke rovnobežnej s osou druhého turmalínu. Na obr. 273 sú obe dosky usporiadané tak, že smery nimi prenášaných vibrácií AB a A"B" sú na seba kolmé. V tomto prípade T 1 prechádza vibráciami smerujúcimi pozdĺž AB a T 2 úplne zhasne, to znamená, že svetlo neprejde cez druhú turmalínovú platňu.

tanier T 1, ktorý premieňa prirodzené svetlo na rovinne polarizované, je polarizátor. tanier T 2, ktorý slúži na analýzu stupňa polarizácie svetla, je tzv analyzátor. Oba záznamy sú úplne rovnaké (dajú sa zameniť).

Ak prejdeme prirodzené svetlo cez dva polarizátory, ktorých roviny zvierajú uhol , tak z prvého bude vychádzať rovinne polarizované svetlo, ktorého intenzita z druhého podľa (190.1) bude vychádzať svetlo s intenzitou. . Preto intenzita svetla prechádzajúceho cez dva polarizátory je

odkiaľ (polarizátory sú rovnobežné) a = 0 (polarizátory sú prekrížené).

Smer šírenia vlny;

Kruhový polarizácia - vpravo alebo vľavo, v závislosti od smeru otáčania vektora indukcie;

Eliptický polarizácia - prípad medzi kruhovou a lineárnou polarizáciou.

Nekoherentné žiarenie nemusí byť polarizované, ani úplne alebo čiastočne polarizované žiadnym z vyššie uvedených spôsobov. V tomto prípade je pojem polarizácia chápaný štatisticky.

V teoretickej úvahe o polarizácii sa predpokladá, že vlna sa šíri horizontálne. Potom môžeme hovoriť o vertikálnej a horizontálnej lineárnej polarizácii vlny.

Lineárne Kruhový Eliptický

Teória fenoménov

Elektromagnetickú vlnu je možné rozložiť (teoreticky aj prakticky) na dve polarizované zložky, napríklad polarizované vertikálne a horizontálne. Ďalšie expanzie sú možné napríklad v inej dvojici vzájomne kolmých smerov alebo do dvoch zložiek s ľavou a pravou kruhovou polarizáciou. Pri pokuse o expanziu lineárne polarizovanej vlny do kruhových polarizácií (alebo naopak) sa objavia dve zložky polovičnej intenzity.

Z kvantového aj klasického hľadiska možno polarizáciu opísať dvojrozmerným komplexným vektorom ( Jonesov vektor). Fotónová polarizácia je jednou implementáciou q-bitu.

Anténne žiarenie má zvyčajne lineárnu polarizáciu.

Zmenou polarizácie svetla pri odraze od povrchu je možné posúdiť štruktúru povrchu, optické konštanty a hrúbku vzorky.

Ak je rozptýlené svetlo polarizované, potom pomocou polarizačného filtra s inou polarizáciou je možné obmedziť prechod svetla. Intenzita svetla prechádzajúceho cez polarizátory sa riadi Malusovým zákonom. Na tomto princípe fungujú LCD.

Niektoré živé bytosti, ako napríklad včely, dokážu rozlíšiť lineárnu polarizáciu svetla, čo im dáva ďalšie možnosti orientácie v priestore. Zistilo sa, že niektoré živočíchy, ako napríklad kreveta páv mantis, sú schopné rozlíšiť kruhovo polarizované svetlo, teda svetlo s kruhovou polarizáciou.

História objavov

Objavu polarizovaných svetelných vĺn predchádzala práca mnohých vedcov. V roku 1669 dánsky vedec E. Bartholin referoval o svojich pokusoch s kryštálmi vápenatých škvŕn (CaCO3), najčastejšie vo forme pravidelného kosoštvorca, ktoré priniesli námorníci vracajúci sa z Islandu. Prekvapilo ho, keď zistil, že lúč svetla prechádzajúci kryštálom sa rozdelí na dva lúče (teraz nazývané obyčajný a výnimočný). Bartholin vykonal dôkladnú štúdiu fenoménu dvojitého lomu, ktorý objavil, ale nemohol poskytnúť vysvetlenie. Dvadsať rokov po pokusoch E. Bartholina jeho objav zaujal holandského vedca H. Huygensa. Sám začal skúmať vlastnosti islandských kryštálov a na základe svojej vlnovej teórie svetla podal vysvetlenie javu dvojitého lomu. Zároveň zaviedol dôležitý koncept optickej osi kryštálu, pri rotácii okolo ktorej nedochádza k anizotropii vlastností kryštálu, teda k ich závislosti od smeru (samozrejme, nie všetky kryštály majú takúto os ). Vo svojich experimentoch zašiel Huygens ďalej ako Bartholin, pričom oba lúče, ktoré sa vynorili z islandského nosníkového kryštálu, prešiel cez druhý podobný kryštál. Ukázalo sa, že ak sú optické osi oboch kryštálov rovnobežné, tak k ďalšiemu rozkladu týchto lúčov už nedochádza. Ak sa druhý kosoštvorec otočí o 180 stupňov okolo smeru šírenia obyčajného lúča, potom pri prechode cez druhý kryštál sa mimoriadny lúč posunie v smere opačnom k ​​posunu prvého kryštálu a oba lúče prídu z takéhoto systému spojené do jedného lúča. Zistilo sa tiež, že v závislosti od uhla medzi optickými osami kryštálov sa mení intenzita obyčajných a mimoriadnych lúčov. Tieto štúdie priviedli Huygensa blízko k objavu fenoménu polarizácie svetla, ale nemohol urobiť rozhodujúci krok, pretože svetelné vlny v jeho teórii považovali za pozdĺžne. Na vysvetlenie experimentov H. Huygensa I. Newton, ktorý sa držal korpuskulárnej teórie svetla, predložil myšlienku absencie osovej symetrie svetelného lúča a urobil tak dôležitý krok k pochopeniu polarizácie svetla. . V roku 1808 si francúzsky fyzik E. Malus pri pohľade cez kus islandského rahna na okná Luxemburského paláca v Paríži, žiariace v lúčoch zapadajúceho slnka, na svoje prekvapenie všimol, že pri určitej polohe kryštálu sa bol viditeľný jeden obrázok. Na základe tohto a ďalších experimentov a na základe Newtonovej korpuskulárnej teórie svetla navrhol, že častice v slnečnom svetle sú náhodne orientované, ale po odraze od povrchu alebo prechode cez anizotropný kryštál získajú určitú orientáciu. Takéto „usporiadané“ svetlo nazval polarizované.

Stokesove parametre

Zobrazenie polarizácie z hľadiska Stokesových parametrov na Poincarého sfére

Vo všeobecnosti má rovinná monochromatická vlna pravú alebo ľavú eliptickú polarizáciu. Úplná charakteristika elipsy je daná tromi parametrami, napríklad polovičnými dĺžkami strán obdĺžnika, do ktorého je vpísaná polarizačná elipsa. A 1 , A 2 a fázový rozdiel φ, alebo poloosi elipsy a , b a uhol ψ medzi osou X a hlavná os elipsy. Je vhodné opísať elipticky polarizovanú vlnu na základe Stokesových parametrov:

, ,

Iba tri z nich sú nezávislé, pretože identita je pravdivá:

Ak zavedieme pomocný uhol χ, definovaný výrazom (znamienko zodpovedá pravej a - ľavej polarizácii), potom môžeme pre Stokesove parametre získať nasledujúce výrazy:

Na základe týchto vzorcov je možné jasným geometrickým spôsobom charakterizovať polarizáciu svetelnej vlny. V tomto prípade sú Stokesove parametre , , interpretované ako karteziánske súradnice bodu ležiaceho na povrchu gule s polomerom . Uhly a majú význam sférických uhlových súradníc tohto bodu. Takéto geometrické zobrazenie navrhol Poincaré, preto sa táto guľa nazýva Poincaré guľa.

Spolu s , , sa používajú aj normalizované Stokesove parametre , . Pre polarizované svetlo .

pozri tiež

Literatúra

• Akhmanov S.A., Nikitin S.Yu. - Fyzikálna optika, 2. vydanie, M. - 2004.
• Born M., Wolf E. - Základy optiky, 2. vydanie, prepracované, prel. z angličtiny, M. - 1973

Poznámky

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „Polarizácia svetla“ v iných slovníkoch:

Phys. optická charakteristika. žiarenia, ktoré popisuje priečnu anizotropiu svetelných vĺn, teda neekvivalenciu rozkladu. smeroch v rovine kolmej na svetelný lúč. Prvé náznaky priečnej anizotropie svetelného lúča boli získané ... Fyzická encyklopédia

Moderná encyklopédia

Polarizácia svetla- POLARIZÁCIA SVETLA, usporiadanosť v orientácii vektora intenzity elektrického E a magnetického H poľa svetelnej vlny v rovine kolmej na šírenie svetla. Existuje lineárna polarizácia svetla, keď E zostáva konštantné ... ... Ilustrovaný encyklopedický slovník

polarizácia svetla- polarizácia Vlastnosť svetla charakterizovaná časopriestorovým usporiadaním orientácie magnetických a elektrických vektorov. Poznámky 1. V závislosti od typu zoradenia rozlišujú: lineárnu polarizáciu, eliptické ... ... Technická príručka prekladateľa

- (lat. z polus). Vlastnosť lúčov svetla, ktoré pri odraze alebo lámaní strácajú schopnosť odrážať sa alebo sa znova lámať v známych smeroch. Slovník cudzích slov zahrnutých v ruskom jazyku. Chudinov A.N.,… … Slovník cudzích slov ruského jazyka

Usporiadanosť v orientácii vektorov intenzity elektrických E a magnetických H polí svetelnej vlny v rovine kolmej na svetelný lúč. Rozlišujte lineárnu polarizáciu svetla, keď E udržuje konštantný smer (v rovine ... ... Veľký encyklopedický slovník