Ang phenomena ng interference at diffraction ng liwanag ay nagpapatunay sa likas na alon nito. Sa simula ng ika-19 na siglo, sina T. Jung at O. Fresnel, na nilikha ang teorya ng alon ng liwanag, ay itinuturing na mga light wave na pahaba, i.e. katulad ng sound waves. Upang gawin ito, kailangan nilang ipakilala ang ilang uri ng hypothetical na kapaligiran na tinatawag eter, kung saan naganap ang pagpapalaganap ng mga longitudinal light wave. Sa oras na iyon, tila hindi kapani-paniwala na ang liwanag ay mga transverse wave, dahil, sa pamamagitan ng pagkakatulad sa mga mekanikal na alon, dapat ipagpalagay na ang eter ay isang solidong katawan (ang mga transverse mechanical wave ay hindi maaaring magpalaganap sa isang gas o likidong daluyan). Gayunpaman, sa oras na iyon ay may mga katotohanan na sumasalungat sa longitudinality ng mga light wave.

Bumalik sa Middle Ages, ang mga mandaragat ay nagdala ng hindi pangkaraniwang mga transparent na bato mula sa Iceland, na kalaunan ay tinawag Icelandic spar. Ang kanilang hindi pangkaraniwan ay nakasalalay sa katotohanan na kung ang isang piraso ng Icelandic spar ay ilagay sa anumang inskripsiyon, pagkatapos ay sa pamamagitan nito ang inskripsiyon ay makikitang bifurcated.

Noong 1669, ang Danish na siyentipiko na si Bartholin ay nag-ulat ng mga kagiliw-giliw na resulta mula sa kanyang mga eksperimento sa Icelandic spar crystals. Kapag dumadaan sa naturang kristal, ang sinag ay nahahati sa dalawa (Larawan 2.6.1). Ang mga sinag na ito ay pinangalanan ordinaryong sinag at pambihirang sinag, at ang kababalaghan mismo birefringence.

Ang isang ordinaryong sinag ay sumusunod sa ordinaryong batas ng repraksyon, at ang isang hindi pangkaraniwang sinag ay hindi sumusunod sa batas na ito. Ang mga sinag ay nahati sa dalawa kahit na sila ay karaniwang nangyayari sa isang kristal ng Icelandic spar. Kung ang kristal ay pinaikot kaugnay sa direksyon ng orihinal na sinag, ang parehong mga sinag na dumaan sa kristal ay paikutin. Natuklasan din ni Bartholin na mayroong isang tiyak na direksyon sa kristal kung saan ang sinag ng insidente ay hindi nahati. Gayunpaman, hindi niya maipaliwanag ang mga phenomena na ito.

Pagkalipas ng ilang taon, ang pagtuklas ng Bartholin na ito ay nakakuha ng atensyon ni Huygens, na nagpakilala ng konsepto optical axis ng kristal(Talagang natuklasan ito ni Bartolin).

Ang optical axis ng kristal tinatawag ang napiling direksyon sa kristal, kung saan ang ordinaryong at hindi pangkaraniwang mga sinag ay nagpapalaganap nang hindi naghihiwalay.

Noong 1809, ang inhinyero ng Pranses na si E. Malus ay nagsagawa ng isang eksperimento sa mga kristal na tourmaline (transparent na berdeng kristal). Sa eksperimentong ito, ang liwanag ay sunud-sunod na dumaan sa dalawang magkaparehong tourmaline plate. Kung ang pangalawang plato ay pinaikot na may kaugnayan sa una, pagkatapos ay ang intensity ng liwanag na dumadaan sa pangalawang plato ay nagbabago mula sa pinakamataas na halaga sa zero (Larawan 2.6.2). Pagdepende sa liwanag na intensity ako mula sa kanto j sa pagitan ng mga optical axes ng parehong mga plato ay may anyo:

(Batas ni Malus ), (2.6.1)

saan ako 0 ang intensity ng liwanag ng insidente.

kanin. 2.6.3 a. kanin. 2.6.3 b.

Hindi maipaliwanag ang alinman sa dobleng repraksyon o batas ni Malus sa loob ng balangkas ng teorya ng mga longitudinal light wave. Para sa mga longitudinal wave, ang direksyon ng pagpapalaganap ng beam ay ang axis ng simetrya. Sa isang longitudinal wave, ang lahat ng direksyon sa isang plane na patayo sa beam ay pantay.

Upang maunawaan kung paano kumikilos ang isang transverse wave, isaalang-alang ang isang alon na naglalakbay kasama ang isang kurdon sa isang patayong eroplano. Kung ang isang kahon na may patayong puwang ay inilagay sa landas ng alon na ito (Larawan 2.6.3 a), pagkatapos ay malayang dumaan ang alon sa puwang. Kung ang puwang sa kahon ay matatagpuan nang pahalang, kung gayon ang alon ay hindi na dumaan dito (Larawan 2.6.3 b). Ang alon na ito ay tinatawag din polarized ang eroplano, dahil Ang mga panginginig ng boses dito ay nangyayari sa isang (vertical) na eroplano.

Ang mga eksperimento sa mga kristal ng Icelandic spar at tourmaline ay naging posible upang patunayan na ang liwanag na alon ay nakahalang. Si T. Jung (1816) ang unang nagmungkahi na ang mga light wave ay nakahalang. Si Fresnel, na nag-iisa kay Jung, ay naglagay din ng konsepto ng transverse light waves, pinatunayan ito ng maraming mga eksperimento at nilikha ang teorya ng birefringence ng liwanag sa mga kristal.

Noong kalagitnaan ng 60s ng siglo XIX, dumating si Maxwell sa konklusyon na ang liwanag ay isang electromagnetic wave. Ang konklusyon na ito ay ginawa batay sa pagkakaisa ng bilis ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave, na nakuha mula sa teorya ni Maxwell, na may kilalang halaga ng bilis ng liwanag. Sa oras na napagpasyahan ni Maxwell na umiral ang mga electromagnetic wave, ang transverse na katangian ng mga light wave ay napatunayan nang eksperimento. Samakatuwid, naniniwala si Maxwell na ang transverseness ng electromagnetic waves ay isa pang mahalagang patunay ng electromagnetic nature ng liwanag.

Sa electromagnetic theory ng liwanag, ang mga paghihirap na nauugnay sa pangangailangan na ipakilala ang isang espesyal na daluyan ng pagpapalaganap ng alon, ang eter, na dapat isaalang-alang bilang isang solidong katawan, ay nawala din.

Sa isang electromagnetic wave, ang mga vector at ay patayo sa isa't isa at nakahiga sa isang eroplano na patayo sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon. Ito ay tinatanggap na ang eroplano kung saan ang vector oscillates ay tinatawag na eroplanong panginginig ng boses, at ang eroplano kung saan nangyayari ang mga oscillations ng vector, eroplano ng polariseysyon. Dahil sa lahat ng mga proseso ng pakikipag-ugnayan ng liwanag sa bagay ang pangunahing papel ay ginagampanan ng electric field strength vector, ito ay tinatawag liwanag na vector. Kung, sa panahon ng pagpapalaganap ng isang electromagnetic wave, ang light vector ay nagpapanatili ng oryentasyon nito, ang naturang alon ay tinatawag linearly polarized o polarized ang eroplano.

Ang linearly polarized na ilaw ay ibinubuga ng mga laser. Gayunpaman, ang liwanag na ibinubuga mula sa mga ordinaryong pinagmumulan (tulad ng sikat ng araw, mga lamp na maliwanag na maliwanag, atbp.) ay hindi polarized. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga atomo ay naglalabas ng liwanag sa magkakahiwalay na mga tren nang independyente sa bawat isa. Bilang isang resulta, ang vector sa nagreresultang light wave ay sapalarang nagbabago ng oryentasyon nito sa oras, upang, sa karaniwan, ang lahat ng mga direksyon ng mga oscillation ay pantay.

Ang isang light wave kung saan ang direksyon ng oscillation ng light vector ay nagbabago ng chaotically sa oras natural o hindi polarized na liwanag.

Ang natural na liwanag, na dumadaan sa isang kristal ng Icelandic spar o tourmaline, ay polarized. Ang hindi pangkaraniwang bagay ng dobleng repraksyon ng liwanag ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na sa maraming mga kristal na sangkap ang mga indeks ng repraktibo para sa dalawang magkaparehong patayo na polarized na mga alon ay magkaiba. Samakatuwid, ang kristal ay nagbi-bifurcate sa mga sinag na dumadaan dito (Larawan 2.6.1). Dalawang beam sa output ng kristal ay linearly polarized sa mutually patayo direksyon. Ang mga kristal kung saan nangyayari ang birefringence ay tinatawag anisotropic.

Ang liwanag ay maaaring maging polarized kapag naaninag o nakakalat. Sa partikular, ang asul na liwanag ng kalangitan ay bahagyang o ganap na polarized. Ang polarisasyon ng sinasalamin na liwanag ay unang naobserbahan ni Malus nang tumingin siya sa isang kristal ng Icelandic spar sa repleksyon ng papalubog na araw sa mga bintana ng Luxembourg Palace sa Paris. Natagpuan ni Malus na ang nakalarawan na ilaw ay polarized sa ilang lawak. Ang antas ng polariseysyon ng sinasalamin na sinag ay depende sa anggulo ng saklaw: sa normal na saklaw, ang sinasalamin na liwanag ay hindi ganap na polarized, at kapag ang insidente sa isang anggulo na tinatawag na anggulo ng buong polariseysyon o ang anggulo ng Brewster, ang sinasalamin na sinag ay 100% polarized. Kapag makikita sa anggulo ng Brewster, ang mga sinasalamin at refracted ray ay patayo sa isa't isa (Larawan 2.5.4). Ang sinasalamin na sinag ay plane-polarized parallel sa ibabaw.

kasi , at , pagkatapos ay ang anggulo ng Brewster ay matatagpuan sa pamamagitan ng formula.

Ang polarized light ay malawakang ginagamit sa maraming larangan ng teknolohiya (halimbawa, para sa maayos na kontrol ng liwanag, sa pag-aaral ng mga elastic stress, atbp.). Ang mata ng tao ay hindi nakikilala ang polarisasyon ng liwanag, ngunit ang mga mata ng ilang mga insekto, tulad ng mga bubuyog, ay nakikita ito.

| | | | | | 7 |

Ngayon sa aralin ay makikilala natin ang kababalaghan ng polariseysyon ng liwanag. Pag-aralan natin ang mga katangian ng polarized light. Kilalanin natin ang pang-eksperimentong patunay ng transverseness ng mga light wave.

Ang phenomena ng interference at diffraction ay nag-iiwan ng walang alinlangan na ang pagpapalaganap ng liwanag ay may mga katangian ng mga alon. Ngunit anong uri ng mga alon - pahaba o nakahalang?

Sa loob ng mahabang panahon, ang mga tagapagtatag ng wave optics, sina Jung at Fresnel, ay itinuturing na mga light wave na longitudinal, ibig sabihin, katulad ng mga sound wave. Sa oras na iyon, ang mga light wave ay itinuturing na nababanat na mga alon sa eter na pumupuno sa espasyo at tumagos sa lahat ng mga katawan. Ang ganitong mga alon, tila, ay hindi maaaring maging transverse, dahil ang mga transverse wave ay maaari lamang umiral sa isang solidong katawan. Ngunit paano makakagalaw ang mga katawan sa solidong eter nang hindi nakakaranas ng pagtutol? Pagkatapos ng lahat, ang eter ay hindi dapat makahadlang sa paggalaw ng mga katawan. Kung hindi, ang batas ng pagkawalang-galaw ay hindi gagana.

Gayunpaman, unti-unting naipon ang mga pang-eksperimentong katotohanan, na hindi mabibigyang-kahulugan sa anumang paraan, na isinasaalang-alang ang mga light wave na pahaba.

Mga eksperimento sa tourmaline

At ngayon, isasaalang-alang namin nang detalyado ang isa lamang sa mga eksperimento, napaka-simple at napaka-epektibo. Isa itong eksperimento sa tourmaline crystals (transparent green crystals).

Kung ang isang sinag ng liwanag mula sa isang electric lamp o ang araw ay karaniwang nakadirekta sa naturang plato, kung gayon ang pag-ikot ng plato sa paligid ng sinag ay hindi magiging sanhi ng anumang pagbabago sa intensity ng liwanag na dumaan dito (Larawan 1. ). Maaari mong isipin na ang ilaw ay bahagyang nasisipsip sa tourmaline at nakakuha ng isang maberde na kulay. Walang ibang nangyari. Pero hindi pala. Ang liwanag na alon ay nakakuha ng mga bagong katangian.

Ang mga bagong katangian na ito ay ipinahayag kung ang sinag ay mapipilitang dumaan sa isang segundo nang eksakto sa parehong tourmaline na kristal (Larawan 2(a)), na kahanay ng una. Sa magkatulad na direksyon ng mga palakol ng mga kristal, muli, walang kawili-wiling nangyayari: ang liwanag na sinag ay higit na humina dahil sa pagsipsip sa pangalawang kristal. Ngunit kung ang pangalawang kristal ay pinaikot, na iniiwan ang una na hindi gumagalaw, kung gayon ang isang kamangha-manghang kababalaghan ay ipapakita - ang pag-aalis ng liwanag. Habang tumataas ang anggulo sa pagitan ng mga palakol, bumababa ang intensity ng liwanag. At kapag ang mga palakol ay patayo sa isa't isa, ang ilaw ay hindi pumasa sa lahat. Ito ay ganap na hinihigop ng pangalawang kristal.

Ang isang liwanag na alon na nag-o-oscillate sa lahat ng direksyon na patayo sa direksyon ng pagpapalaganap ay tinatawag natural.

Ang liwanag kung saan ang mga direksyon ng oscillation ng light vector ay sa paanuman ay nakaayos ay tinatawag polarized.

Banayad na polariseysyon- ito ay isa sa mga pangunahing katangian ng optical radiation (ilaw), na binubuo sa hindi pagkakapantay-pantay ng iba't ibang direksyon sa isang eroplano na patayo sa light beam (ang direksyon ng pagpapalaganap ng light wave).

Mga polarizer- mga device na ginagawang posible na makakuha ng polarized na ilaw.

Mga Analyzer- mga device kung saan maaari mong pag-aralan kung ang ilaw ay polarized o hindi.

Scheme ng pagpapatakbo ng polarizer at analyzer

Ang mga transverse light wave

Mula sa mga eksperimento na inilarawan sa itaas, dalawang katotohanan ang sumusunod:

Una sa lahat na ang liwanag na alon na nagmumula sa pinagmumulan ng liwanag ay ganap na simetriko na may paggalang sa direksyon ng pagpapalaganap (sa panahon ng pag-ikot ng kristal sa paligid ng sinag sa unang eksperimento, ang intensity ay hindi nagbago).

Pangalawa na ang alon na lumalabas mula sa unang kristal ay walang axial symmetry (depende sa pag-ikot ng pangalawang kristal na may kaugnayan sa sinag, ito o ang intensity ng ipinadalang liwanag ay nakuha).

Intensity ng liwanag na lumalabas sa unang polarizer:

Ang intensity ng liwanag ay dumaan sa pangalawang polarizer:

Intensity ng liwanag na dumadaan sa dalawang polarizer:

Tapusin natin: 1. Ang liwanag ay isang transverse wave. Ngunit sa isang sinag ng alon na insidente mula sa isang kumbensyonal na pinagmulan, mayroong mga oscillations ng lahat ng posibleng direksyon, patayo sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon.

2. Ang tourmaline crystal ay may kakayahang magpadala ng mga light wave na may mga vibrations na nakahiga sa isang partikular na eroplano.

Modelo ng linear polarization ng isang light wave

Mga Polaroid

Hindi lamang tourmaline crystals ang nakakapag-polarize ng liwanag. Ang parehong ari-arian, halimbawa, ay may tinatawag na mga polaroid. Polaroid ay isang manipis (0.1 mm) na pelikula ng mga kristal na herapatite na idineposito sa isang celluloid o glass plate. Sa isang polaroid, maaari mong gawin ang parehong mga eksperimento tulad ng sa isang kristal na tourmaline. Ang bentahe ng polaroids ay na maaari kang lumikha ng malalaking ibabaw na polarize ng liwanag.

Ang downside ng Polaroids ay ang purple tint na ibinibigay nila sa puting liwanag.

Ang diffraction at interference ng liwanag ay nagpapatunay sa wave nature ng liwanag. Ngunit ang mga alon ay maaaring pahaba at nakahalang. Isaalang-alang ang sumusunod na karanasan.

Banayad na polariseysyon

Ipasa natin ang isang sinag ng liwanag sa isang hugis-parihaba na tourmaline plate, ang isa sa mga mukha nito ay kahanay ng kristal na axis. Walang nakikitang pagbabago. Ang ilaw ay bahagyang napatay sa plato at nakakuha ng isang maberde na kulay.

larawan

Ngayon pagkatapos namin maglagay ng isa pang plato pagkatapos ng una. Kung ang mga palakol ng parehong mga plato ay nakahanay, walang mangyayari. Ngunit kung ang pangalawang kristal ay nagsimulang umikot, ang liwanag ay papatayin. Kapag patayo ang mga palakol, wala nang liwanag. Ito ay ganap na hinihigop ng pangalawang plato.

larawan

Gumawa tayo ng dalawang konklusyon:

1. Ang alon ng liwanag ay simetriko sa direksyon ng pagpapalaganap.

2. Pagkatapos dumaan sa unang kristal, ang alon ay huminto sa pagkakaroon ng axial symmetry.

Hindi ito maipaliwanag mula sa punto ng view ng mga longitudinal wave. Samakatuwid, ang ilaw ay isang transverse wave. Ang tourmaline crystal ay isang polaroid. Nagpapadala ito ng mga magaan na alon, ang mga oscillations na nangyayari sa isang eroplano. Ang ari-arian na ito ay mahusay na inilalarawan sa sumusunod na figure.

larawan

Mga transverse light wave at electromagnetic theory ng liwanag

Ang liwanag na nalilikha pagkatapos dumaan sa isang polaroid ay tinatawag na plane polarized light. Sa polarized light, ang mga vibrations ay nangyayari lamang sa isang direksyon - ang transverse na direksyon.

Ang electromagnetic theory ng liwanag ay nagmula sa gawain ni Maxwell. Sa ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo, teoretikal na pinatunayan ni Maxwell ang pagkakaroon ng mga electromagnetic wave na maaaring magpalaganap kahit sa isang vacuum.

At iminungkahi niya na ang liwanag ay isa ring electromagnetic wave. Ang electromagnetic theory ng liwanag ay batay sa katotohanan na ang bilis ng liwanag at ang bilis ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave ay pareho.

Sa pagtatapos ng ika-19 na siglo, sa wakas ay itinatag na ang mga light wave ay nagmumula sa paggalaw ng mga sisingilin na particle sa mga atomo. Sa pagkilala sa teoryang ito, ang pangangailangan para sa isang luminiferous eter, kung saan ang mga light wave ay nagpapalaganap, ay nawala. liwanag na alon Ang mga ito ay hindi mekanikal, ngunit electromagnetic waves.

Ang mga oscillations ng isang light wave ay binubuo ng mga oscillations ng dalawang vectors: ang intensity vector at ang magnetic induction vector. Ang direksyon ng mga oscillations ng electric field strength vector ay itinuturing na direksyon ng oscillations sa light waves.

nakahalang alon- isang alon na nagpapalaganap sa isang direksyon na patayo sa eroplano kung saan ang mga particle ng daluyan ay nag-oscillate (sa kaso ng isang nababanat na alon) o kung saan ang mga vector ng electric at magnetic field ay namamalagi (para sa isang electromagnetic wave).

Kasama sa mga transverse wave, halimbawa, ang mga wave sa mga string o nababanat na lamad, kapag ang pag-aalis ng mga particle sa kanila ay nangyayari nang mahigpit na patayo sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon, pati na rin ang eroplanong homogenous na electromagnetic wave sa isang isotropic dielectric o magnet; sa kasong ito, ang mga transverse oscillations ay ginagawa ng mga vectors ng electric at magnetic field.

Ang transverse wave ay may polariseysyon, i.e. ang amplitude vector nito ay naka-orient sa isang tiyak na paraan sa transverse plane. Sa partikular, ang mga linear, circular at elliptical polarization ay nakikilala depende sa hugis ng curve na inilalarawan ng dulo ng amplitude vector. Ang konsepto ng isang transverse wave, pati na rin ang isang longitudinal wave, ay sa ilang lawak ay may kondisyon at nauugnay sa paraan ng paglalarawan nito. Ang "transversity" at "longitudinality" ng wave ay natutukoy sa pamamagitan ng kung anong dami ang aktwal na naobserbahan. Kaya, ang isang eroplanong electromagnetic wave ay maaaring ilarawan ng isang longitudinal Hertzian vector. Sa ilang mga kaso, ang paghahati ng mga alon sa mga pahaba at nakahalang ay karaniwang nawawalan ng kahulugan. Kaya, sa isang maharmonya na alon sa ibabaw ng malalim na tubig, ang mga particle ng daluyan ay gumagawa ng mga pabilog na galaw sa isang patayong eroplano na dumadaan sa wave vector , i.e. Ang mga oscillation ng particle ay may parehong longitudinal at transverse na bahagi.

Noong 1809, natuklasan ng inhinyero ng Pranses na si E. Malus ang isang batas na ipinangalan sa kanya. Sa mga eksperimento ng Malus, ang liwanag ay sunud-sunod na dumaan sa dalawang magkaparehong plato ng tourmaline (isang transparent na mala-kristal na substansiya na may maberde na kulay). Ang mga plato ay maaaring umikot nang may kaugnayan sa bawat isa sa pamamagitan ng isang anggulo φ

Ang ipinadalang intensity ng liwanag ay naging direktang proporsyonal sa cos2 φ:

Ang Brewster phenomenon ay ginagamit upang lumikha ng mga light polarizer, at ang phenomenon ng kabuuang panloob na pagmuni-muni ay ginagamit upang spatially localize ang isang light wave sa loob ng isang optical fiber. Ang refractive index ng optical fiber material ay lumampas sa refractive index ng kapaligiran (hangin), kaya ang light beam sa loob ng fiber ay nakakaranas ng kabuuang panloob na pagmuni-muni sa interface sa pagitan ng fiber at ng medium at hindi maaaring lumampas sa fiber. Sa tulong ng isang optical fiber, posible na magpadala ng isang sinag ng liwanag mula sa isang punto sa espasyo patungo sa isa pa kasama ang isang arbitrary na curvilinear trajectory.

Sa kasalukuyan, ang mga teknolohiya ay nilikha para sa paggawa ng mga quartz fibers na may diameter na , na halos walang panloob at panlabas na mga depekto, at ang kanilang lakas ay hindi mas mababa kaysa sa bakal. Kasabay nito, posible na bawasan ang mga pagkalugi ng electromagnetic radiation sa fiber sa isang halaga na mas mababa sa , at makabuluhang bawasan din ang pagpapakalat. Naging posible ito noong 1988. nagpatakbo ng isang fiber-optic na linya ng komunikasyon na nag-uugnay sa Amerika sa Europa sa ilalim ng Karagatang Atlantiko. Ang mga modernong FOCL ay may kakayahang magbigay ng mga rate ng paglilipat ng impormasyon sa itaas.

Sa isang mataas na intensity ng isang electromagnetic wave, ang mga optical na katangian ng medium, kabilang ang refractive index, ay tumigil na maging pare-pareho at nagiging mga function ng electromagnetic radiation. Ang prinsipyo ng superposisyon para sa mga electromagnetic na patlang ay tumigil sa paghawak, at ang daluyan ay tinatawag hindi linear. Sa klasikal na pisika, ang modelo ay ginagamit upang ilarawan ang mga nonlinear na optical effect anharmonic oscillator. Sa modelong ito, ang potensyal na enerhiya ng isang atomic electron ay nakasulat bilang isang serye sa mga kapangyarihan ng displacement x ng electron na may kaugnayan sa posisyon ng equilibrium nito