Степень поляризации частично поляризованного света: определение, описание и формула. Поляризация света для "чайников": определение, суть явления и сущность

Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой электромагнитную волну, т. е. совокупность двух поперечных взаимно перпендикулярных волн - электрической (образованной колебанием вектора напряженности электрического поля и магнитной (образованной колебанием вектора напряженности магнитного поля идущих вдоль общей прямой называемой световым лучом (рис. 337).

Луч (свет), у которого электрические колебания совершаются все время в одной и только одной плоскости, называется поляризованным лучом (светом); разумеется, что при этом магнитные колебания совершаются в другой (перпендикулярной) плоскости (названной плоскостью поляризации света). Из данного определения следует, что свет, излучаемый отдельным атомом, является поляризованным (во всяком случае в течение всего периода излучения этого атома).

Опыт и теория показывают, что химическое, физиологическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлены главным образом электрическими колебаниями. Поэтому, а также для упрощения рисунков, изображающих световую волну (или луч), мы будем в дальнейшем говорить только об электрических колебаниях, а плоскость, в которой они совершаются, называть плоскостью световых колебаний, или просто плоскостью колебаний. Тогда луч поляризованного света можно схематически изобразить так, как это сделано на рис. 338, а (луч перпендикулярен плоскости рисунка; векторы соответствуют амплитудным значениям напряженности электрического поля

На практике мы никогда не встречаемся со светом от одного отдельного атома, поскольку всякий реальный источник света (светящееся тело) состоит из множества атомов, излучающих беспорядочно, т. е. испускающих световые волны со всевозможными ориентациями плоскости колебаний. Эти волны налагаются друг на друга, в результате чего любому лучу, исходящему от реального (естественного) источника света, будет соответствовать множество разнообразно ориентированных плоскостей колебания (рис. 338, б). Такой луч (свет) является неполяризованным и называется естественным лучом (светом).

Обычно интенсивность излучения каждого из атомов, составляющих светящееся тело, в среднем одинакова; поэтому у естественного света амплитудные (максимальные) значения вектора одинаковы во всех плоскостях колебания. Бывают, однако, случаи, когда у светового луча амплитудные значения вектора оказываются неодинаковыми для различных плоскостей колебания; такой луч называется частично поляризованным. На рис. 338, в изображен частично поляризованный луч, у которого колебания совершаются преимущественно в вертикальной плоскости.

В отличие от естественного поляризованный свет характеризуется не только интенсивностью (зависящей от амплитуды напряженности поля и цветом (зависящим от длины волны X), но еще и положением

плоскости колебаний. Поэтому, например, поляризованные лучи 1, 2 и 3 (рис. 339), интенсивность и цвет которых одинаковы, не тождественны друг другу. Однако человеческий глаз не обнаруживает различия между поляризованными лучами, имеющими различную ориентацию плоскости колебания, и вообще не отличает поляризованного света от естественного.

Естественный свет можно поляризовать, т. е. превратить его в поляризованный свет. Для этого надо создать такие условия, при которых колебания вектора напряженности электрического поля могли бы совершаться только вдоль одного определенного направления. Подобные условия могут, например, иметь место при прохождении естественного света через среду, анизотропную в отношении электрических колебаний. Как известно, анизотропия свойственна кристаллам (см. § 51). Поэтому можно ожидать поляризации света, проходящего через кристалл. Действительно, опыт показывает, что многие природные и искусственно созданные кристаллы поляризуют проходящий через них естественный свет.

В самых общих чертах физическая сущность процесса поляризации света, проходящего через кристалл, состоит в следующем. Согласно электромагнитной теории Максвелла (см. § 105), переменное электрическое поле световой волны вызывает в кристаллическом диэлектрике переменный поляризационный ток, т. е. переменное смещение заряженных частиц (атомов, ионов), составляющих кристаллическую решетку. Поляризационный ток выделяет джоулево тепло; следовательно, в кристалле происходит превращение световой энергии в теплоту.

Благодаря анизотропии кристалла возможная величина смещения его частиц, а следовательно, и сила поляризационного тока оказываются неодинаковыми для различных плоскостей кристаллической решетки. Очевидно, что световая волна, идущая в плоскости, соответствующей значительным возможным смещениям частиц, вызывает сильный поляризационный ток и потому практически полностью поглощается кристаллом. Если же световая волна идет в плоскости, соответствующей малым смещениям частиц, то она вызывает слабый поляризационный ток и проходит через кристалл без существенного поглощения.

Таким образом, из электрических колебаний естественного света, имеющих всевозможные направления, через кристалл проходят (без поглощения) только те, которые совершаются в плоскости, соответствующей минимуму поляризационного тока; остальные колебания в той или иной мере ослабляются, так как через кристалл проходят только их проекции на эту плоскость. В результате у света, прошедшего через кристалл, электрические колебания совершаются лишь в одной определенной плоскости, т. е. свет оказывается поляризованным.

К природным кристаллам, поляризующим свет, относится, например, турмалин. Естественный луч, прошедший через пластинку турмалина вырезанную параллельно оптической оси кристалла, полностью поляризуется и имеет электрические колебания только в главной плоскости в плоскости, содержащей оптическую ось и луч (рис. 340).

В каждом кристалле имеется направление, относительно которого атомы (или ионы) кристаллической решетки расположены симметрично; оно называется оптической осью кристалла. Подчеркнем, что оптическая ось - это не какая-то одна линия, а определенное направление в кристалле; все прямые, проведенные в кристалле параллельно этому направлению, являются оптическими осями.

Если естественный луч идет вдоль оптической оси, то все его электрические колебания перпендикулярны ей. В таком случае (благодаря симметричному расположению частиц кристалла относительно оптической оси) все электрические колебания совершаются в одинаковых условиях и все они проходят через кристалл. Поэтому естественный луч, идущий вдоль оптической оси, не поляризуется. При всех иных направлениях луча имеет место его поляризация.

Если за пластинкой 1 помещена вторая пластинка турмалина 2, ориентированная так, что ее оптическая ось перпендикулярна оптической оси пластинки то через вторую пластинку луч не пройдет (так как его электрические колебания перпендикулярны главной плоскости пластинки 2). Если же оптически оси пластинок 1 и 2 составляют угол а, отличный от то свет (луч) проходит через пластинку 2. Однако, как это следует из рис. 341, амплитуда световых колебаний, прошедших через пластинку 2, будет меньше амплитуды световых колебаний, падающих на эту пластинку:

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний, то

где интенсивность света, падающего на пластинку 2, У - интенсивность света, прошедшего через эту пластинку. Соотношение (12) называется законом Малюса.

Таким образом, поворот пластинки 2 вокруг поляризованного луча сопровождается изменением интенсивности света, прошедшего через эту пластинку; максимум интенсивности имеет место при минимум (соответствующий полному гашению света) - при

Пластинка 7, поляризующая естественный свет, называется поляризатором, а пластинка 2, посредством которой изменяется интенсивность поляризованного света (и тем самым обнаруживается факт поляризации), называется анализатором. Понятно, что обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами); данные названия характеризуют лишь назначение пластинок.

Следует отметить, что турмалин обладает значительным селективным поглощением - пропускает преимущественно зеленый свет; это является недостатком турмалина как поляризатора (и анализатора).

В последние годы для поляризации света широко применяются так называемые поляроиды (поляризационные фильтры). Поляроид представляет собой прозрачную полимерную пленку толщиной около содержащую множество мелких искусственных кристалликов - поляризаторов, например кристалликов герапатита (сульфат иодистого хинина). Оптические оси всех кристалликов герапатита ориентируются в одном направлении в процессе изготовления поляроида. Поляроидная пленка сравнительно недорога, весьма эластична, имеет большую площадь, обладает почти одинаковым (незначительным) поглощением для всех длин волн видимого света.

Одним из интересных практических применений поляроида является его использование на автотранспорте для защиты водителей от слепящего действия фар встречных автомашин. С этой целью на ветровое стекло и на стекла фар наклеиваются поляроидные пленки, оптические оси которых параллельны и составляют 45° с горизонтом. Тогда, как это видно на рис. 342, оптическая ось поляроида ветрового стекла одной машины будет перпендикулярна оптической

оси поляроида фар встречной машины (ориентация оптических осей показана на рисунке стрелками). Согласно закону Малюса, при такой ориентации оптических осей поляроидов поляризованный свет фар не пройдет через ветровое стекло встречной машины; следовательно, водитель практически не видит света фар встречных машин (но увидит, конечно, эти машины в свете фар своего автомобиля).

Поляризация для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь: Эллипс поляризации Линейную… … Википедия

I. Определения. II. Прямолинейно поляризованный свет. III. Эллиптически поляризованный свет. IV. Источники поляризованного света. V. Распознавание поляризованного света. VI. Отражение и преломление поляризованного света. VII. Вращение плоскости П …

Содержание: 1) Основные понятия. 2) Teopия Ньютона. 3) Эфир Гюйгенса. 4) Принцип Гюйгенса. 5) Принцип интерференции. 6) Принцип Гюйгенса Френеля. 7) Принцип поперечности колебаний. 8) Завершение эфирной теории света. 9) Основание эфирной теории.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Содержание: 1) Основные понятия. 2) Теория Ньютона. 3) Эфир Гюйгенса. 4) Принцип Гюйгенса. 5) Принцип интерференции. 6) Принцип Гюйгенса Френеля. 7) Принцип поперечности колебаний. 8) Завершение эфирной теории света. 9) Основание эфирной теории.… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Простейшие поляризационные приборы, один из классов призм оптических П. п. служат линейными поляризаторами с их помощью получают линейно поляризованное оптическое излучение (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА). Обычно П. п. состоят из двух или более… … Физическая энциклопедия

Объединяют родственные оптич. методы исследования оптически активных (хиральных) соед.: поляриметрию (ПМ), дисперсию оптич. вращения (ДОВ) и круговой дихроизм (КД). X. м. основаны на взаимод. поляризованного света с хиральными структурами, к рые… … Химическая энциклопедия

- (оптика) явление, происходящее с лучами поляризованного света, проходящими через некоторые кристаллы, жидкости и пары, находящиеся в естественном состоянии или же под влиянием магнетизма. Световые лучи, исходящие от самосветящихся тел (солнце,… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Иллюстрация поляризации отражённого света, падающего на границу раздела сред под углом Брюстера Закон Брюстера закон оптики, выражающий связь показателя преломления диэлектрика с таким углом п … Википедия

Иллюстрация поляризации отражённого света, падающего на границу раздела сред под углом Брюстера Закон Брюстера закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью… … Википедия

Иллюстрация поляризации отражённого света, падающего на границу раздела сред под углом Брюстера Закон Брюстера закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью… … Википедия

Волны бывают двух видов. В продольных колебательное возмущение параллельно направлению их распространения. Примером может служить прохождение звука в воздухе. Поперечные волны состоят из возмущений, которые находятся под углом 90° к направлению перемещения. Так, например, волна, проходя горизонтально через массу воды, вызывает вертикальные колебания на ее поверхности.

Открытие явления

Ряд загадочных оптических эффектов, наблюдаемых в середине XVII века, был объяснен, когда поляризованный и естественный свет начал рассматриваться как волновой феномен и были обнаружены направления его колебаний. Первый так называемый эффект поляризации был открыт датским врачом Эразмом Бартолином в 1669 году. Ученый наблюдал двойную рефракцию, или двойное лучепреломление, в исландском шпате, или кальците (кристаллической форме карбоната кальция). Когда свет проходит через кальцит, кристалл расщепляет его, производя два изображения, смещенные относительно друг друга.

Ньютон знал об этом явлении и предположил, что, возможно, корпускулы света обладают асимметрией или «односторонностью», которая могла бы быть причиной формирования двух изображений. Гюйгенс, современник Ньютона, смог объяснить двойное преломление своей теорией элементарных волн, но он не понял истинного смысла эффекта. Двойное лучепреломление оставалось загадкой, пока и физик из Франции Огюстен-Жан Френель не предположили, что световые волны являются поперечными. Простая идея позволила объяснить, что такое поляризованный и естественный обеспечило естественную и неосложненную основу для анализа поляризационных эффектов.

Двойное лучепреломление вызвано комбинацией двух перпендикулярных поляризаций, каждая из которых обладает своей скоростью волны. Из-за разницы в скорости две составляющие имеют различные показатели преломления, и поэтому они по-разному преломляются через материал, производя два изображения.

Поляризованный и естественный свет: теория Максвелла

Френель быстро разработал комплексную модель поперечных волн, которые приводили к двойному лучепреломлению и ряду других оптических эффектов. Через сорок лет электромагнитная элегантно объяснила поперечную природу света.

Электромагнитные волны Максвелла составлены из магнитных и электрических полей, колеблющихся перпендикулярно направлению перемещения. Поля находятся под углом 90° друг другу. При этом направления распространения магнитного и электрического полей образуют правую систему координат. Для волны с частотой f и длиной λ (они связаны зависимостью λf = с ), которая движется в положительном направлении х, поля описываются математически:

• E(x, t) = E 0 cos (2 π x/λ - 2 π ft)y^;
• B(x, t) = B 0 cos (2 π x/λ - 2 π ft)z^.

Уравнения показывают, что электрическое и магнитное поля находятся в фазе друг с другом. В любой данный момент времени они одновременно достигают своих максимальных значений в пространстве, равных Е 0 и В 0 . Эти амплитуды не являются независимыми. Уравнения Максвелла показывают, что Е 0 = cB 0 для всех электромагнитных волн в вакууме.

Направления поляризации

В описании ориентации магнитного и электрического полей волны света обычно указывают только направление электрического поля. Вектор магнитного поля определяется требованием о перпендикулярности полей и их перпендикулярности к направлению движения. Естественный и линейно поляризованный свет отличаЕтся тем, что в последнем поля осциллируют в фиксированных направлениях по мере перемещения волны.

Возможны и другие состояния поляризации. В случае круговой векторы магнитного и электрического полей вращаются относительно направления распространения с постоянной амплитудой. Эллиптически поляризованный свет находится в промежуточном положении между линейной и круговой поляризациями.

Неполяризованный свет

Атомы на поверхности нагретой нити накаливания, которые генерируют электромагнитное излучение, действуют, независимо друг от друга. Каждое излучение можно приблизительно смоделировать в виде коротких цугов продолжительностью от 10 -9 до 10 -8 секунды. Электромагнитная волна, исходящая от нити накаливания, представляет собой суперпозицию этих цугов, каждый из которых имеет собственное направление поляризации. Сумма ориентированных случайным образом цугов образует волну, вектор поляризации которой изменяется быстро и беспорядочно. Такая волна называется неполяризованной. Все включая Солнце, лампы накаливания, люминесцентные лампы и пламя, производят такое излучение. Однако естественный свет часто бывает частично поляризован из-за множественного рассеяния и отражения.

Таким образом, отличие поляризованного света от естественного состоит в том, что в первом колебания совершаются в одной плоскости.

Источники поляризованного излучения

Поляризованный свет может быть произведен в случаях, когда определена пространственная ориентация. Одним из примеров является при котором высокоэнергичные заряженные частицы движутся в магнитном поле и излучают поляризованные электромагнитные волны. Существует много известных астрономических источников, излучающих естественно поляризованный свет. В их число входят туманности, остатки сверхновых и активные галактические ядра. Поляризация космического излучения изучается для того, чтобы определить свойства его источников.

Фильтр поляроид

Поляризованный и естественный свет разделяются при прохождении через ряд материалов, наиболее распространенным из которых является поляроид, созданный американским физиком Эдвином Лэндом. Фильтр состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, ориентированных в одном направлении путем процесса термической обработки. Молекулы избирательно поглощают излучение, электрическое поле которого параллельно их ориентации. Свет, выходящий из поляроида, линейно поляризован. Его электрическое поле перпендикулярно направлению ориентации молекул. Поляроид нашел применение во многих областях, включая солнцезащитные очки и светофильтры, снижающие эффект отраженного и рассеянного света.

Естественный и поляризованный свет: закон Малюса

В 1808 году физик Этьен-Луи Малюс обнаружил, что свет, отраженный от неметаллических поверхностей, частично поляризуется. Степень этого эффекта зависит от угла падения и показателя преломления отражающего материала. В одном из крайних случаев, когда тангенс угла падения луча в воздухе равен показателю преломления отражающего материала, отраженный свет становится полностью линейно поляризованным. Это явление известно как закон Брюстера (назван так в честь его первооткрывателя, шотландского физика Дэвида Брюстера). Направление поляризации параллельно отражающей поверхности. Так как дневные блики, как правило, возникают при отражении от горизонтальных поверхностей, таких как дороги и вода, в солнечных очках часто используются фильтры, чтобы снять горизонтально поляризованный свет и, следовательно, выборочно удалить отблески света.

Рэлеевское рассеяние

Рассеяние света очень мелкими объектами, размеры которых намного меньше длины волны (так называемое рэлеевское рассеяние по имени английского ученого лорда Рэлея), также создает частичную поляризацию. Когда солнечное излучение проходит через земную атмосферу, оно рассеивается молекулами воздуха. Земли достигает рассеянный поляризованный и естественный свет. Степень его поляризации зависит от угла рассеяния. Поскольку человек не различает естественный и поляризованный свет, то этот эффект, как правило, остается незамеченным. Тем не менее глаза многих насекомых на него реагируют, и они используют относительную поляризацию рассеянного излучения как навигационный инструмент. Обычный светофильтр фотоаппарата, применяемый для уменьшения фонового излучения при ярком солнечном освещении, представляет собой простой линейный поляризатор, который разделяет естественный и поляризованный свет Рэлея.

Анизотропные материалы

Эффекты поляризации наблюдаются в оптически анизотропных материалах (в которых изменяется с направлением поляризации), таких как двулучепреломляющие кристаллы, некоторые биологические структуры и оптически активные материалы. Технологическое применение включает поляризационные микроскопы, жидкокристаллические дисплеи и оптические приборы, используемые для исследования материалов.

1. Свет естественный и поляризованный.

2. Прохождение света через поляризатор. Закон Малюса.

3. Способы получения поляризованного света.

4. Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами.

5. Применение поляризованного света для решения медико-биологических задач. Поляриметрия. Фотоупругость.

6. Основные понятия и формулы.

7. Задачи.

22.1. Свет естественный и поляризованный

Разбирая явление интерференции света, мы выяснили, что естественный свет представляет собой совокупность огромного числа цугов, испущенных различными молекулами (атомами) в различные моменты времени. В луче естественного света все направления колебаний светового вектора, перпендикулярные направлению распространения пучка, равновероятны.

Естественный свет - совокупность электромагнитных волн (цугов) со всевозможными равновероятными направлениями световых векторов (Е), перпендикулярных направлению распространения света.

естественного света.

На рисунке 22.1, а показано сечение луча О плоскостью, перпендикулярной его направлению, и хаотическая ориентация световых векторов различных цугов в этом сечении. Такое сечение называют нормальным сечением. На рисунке 22.1, б показано сечение луча О плоскостью, проходящей через сам луч. Такое сечение называют осевым. Световые векторы цугов, лежащие в осевом сечении, изображены черточками, а световые векторы цугов, перпендикулярные сечению, изображены точками. Количество точек и черточек одинаково.

Рис. 22.1. Сечение луча естественного света двумя плоскостями: а - нормальное сечение; б - осевое сечение

Из естественного света с помощью специальных устройств - поляризаторов - можно получить свет с одинаковой ориентацией всех световых векторов. Такой свет называют плоскополяризованным.

Плоскополяризованный свет - свет, в луче которого ориентация световых векторов всех цугов одинакова.

Осевое сечение луча плоскополяризованного света, в котором лежат все световые векторы, называют плоскостью поляризации.

Ниже показано графическое изображение луча плоскополяризованного света.

На рисунке 22.2, а показано нормальное сечение луча О - все световые векторы колеблются вдоль одной прямой. На рисунке 22.2, б показано осевое сечение, в котором лежат все световые векторы (изображены черточками), - это плоскость поляризации. На рисунке 22.2, в показано осевое сечение луча, перпендикулярное световым векторам (изображены точками).

Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний светового вектора Е, называют частично поляризованным светом. Такой свет представляет собой смесь естественного и плоскополяризованного света.

На рисунке 22.3 представлено графическое изображение луча частично поляризованного света.

Рис. 22.2. Сечение луча плоскополяризованного света различными плоскостями:

а - нормальное сечение; б - осевое сечение, содержащее световые векторы (плоскость поляризации); в - осевое сечение, перпендикулярное световым векторам

Рис. 22.3. Сечения луча частично поляризованного света: а - нормальное сечение; б - осевое сечение, в котором преобладают световые векторы, лежащие в его плоскости; в - осевое сечение, в котором преобладают световые векторы, перпендикулярные его плоскости

22.2. Прохождение света через поляризатор. Закон Малюса

Процесс превращения естественного света в поляризованный (поляризация) может быть осуществлен посредством специальных устройств - поляризаторов.

Поляризатор - устройство для получения полностью или (реже) частично поляризованного света.

Мы будем рассматривать только полную линейную поляризацию, при которой из поляризатора выходит плоскополяризованный свет.

Поляризатор пропускает только проекцию светового вектора Е на некоторую плоскость, которую называют главной плоскостью

поляризатора. Эта плоскость проходит через точку падения луча, а ее пространственная ориентация определяется устройством поляризатора.

Обнаружить наличие поляризации света и определить ее степень можно с помощью анализатора. Анализатор - это поляризатор, используемый для определения степени поляризации.

Если на пути луча поляризованного света поставить анализатор и поворачивать его вокруг луча, то интенсивность выходящего света будет меняться от некоторого максимального значения I 0 до нуля. Измеряя интенсивность света, прошедшего через анализатор, Э.Л. Малюс установил (1810 г.), что она подчиняется следующему закону (закон Малюса):

Здесь I 0 - интенсивность света, падающего на анализатор; I - интенсивность прошедшего света; φ - угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора.

С математической точки зрения закон Малюса означает, что поляризатор пропускает только проекцию светового вектора Е на главную плоскость поляризатора (рис. 22.4).

Рис. 22.4. Прохождение поляризованного света через анализатор (луч перпендикулярен плоскости рисунка)

Если на поляризатор падает естественный (неполяризованный) свет, то закон Малюса применим к каждому отдельному цугу. В естественном свете все направления световых векторов равновероятны.

22.3. Способы получения поляризованного света

Действие большинства линейных поляризаторов, дающих плоскополяризованный свет, основывается на одном из трех физических явлений: двойном лучепреломлении, линейном дихроизме и поляризации света при отражении и преломлении.

Поляризация при отражении и преломлении

При падении светового луча на границу раздела двух изотропных диэлектриков (например, воздуха и стекла) он частично отражается, а частично проникает во вторую среду. При этом оба луча оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают направления вектора Е, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном - параллельные ей. Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором угле падения отраженный луч будет поляризован полностью, а степень поляризации преломленного луча будет максимальна (рис. 22.5).

Рис. 22.5. Поляризация света при отражении и преломлении

Этот угол называется углом Брюстера (i Б) и определяется условием:

Степень поляризации преломленного луча может быть значительно повышена путем многократного преломления. Так, при прохождении одной стеклянной пластинки степень поляризации преломленного луча не превышает 15 %. Но после прохождения стопы из 16 наложенных друг на друга пластин вышедший свет будет поляризован практически полностью.

Такая совокупность пластинок называется стопой Столетова. К недостаткам этого метода следует отнести низкую интенсивность полученного поляризованного света.

Поляризация при двойном лучепреломлении

При преломлении светового луча на границе раздела с некоторыми анизотропными средами наблюдается явление двойного лучепреломления - преломленный луч раздваивается. При этом оба луча оказываются полностью поляризованы.

Оптической анизотропией обладают многие кристаллы из-за асимметрии их решеток (например, исландский шпат).

Двойное лучепреломление - раздвоение светового луча при прохождении через некоторые анизотропные среды, обусловленное зависимостью показателя преломления света от его поляризации и направления распространения.

Один луч подчиняется законам преломления и называется обыкновенным «о». Для другого луча эти законы не выполняются, и его называют необыкновенным «е». Явление двойного лучепреломления иллюстрирует рис. 22.6.

Поскольку при двойном лучепреломлении задача получения полностью поляризованного

Рис. 22.6. Двойное лучепреломление

света решается автоматически, остается лишь из двух лучей выделить один. Для этого используют два способа.

1. Призма Николя. Этот поляризатор (рис. 22.7) изготавливается из исландского шпата, для которого показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей различны: n 0 = 1,65, n е = 1,48. Призма разрезана по диагонали и склеена канадским бальзамом с «промежуточным» показателем преломления n кб = 1,55.

Рис. 22.7. Ход лучей в призме Николя

При соответствующих углах падения на грань призмы обыкновенный луч «о» претерпевает полное внутреннее отражение на прослойке канадского бальзама и поглощается зачерненной верхней гранью. Необыкновенный луч «е» проходит через границу и выходит из призмы параллельно нижней грани.

2. Дихроизм, поляроиды. В некоторых кристаллах с двойным лучепреломлением обыкновенный луч «о» поглощается значительно сильнее, чем необыкновенный «е». Такое явление называется дихроизмом. Дихроизмом в диапазоне видимого света обладает, например, турмалин. В пластине турмалина толщиной 1 мм при падающем видимом свете луч «о» практически целиком поглощается. Выходит только луч «е».

Поляризаторы, использующие дихроизм, называются поляроидами. В настоящее время научились изготавливать поляроиды в виде тонких пленок с большой площадью, что дает возможность получать широкие пучки поляризованного света. Подобные пленки широко применяются в дисплеях калькуляторов и в жидкокристаллических экранах мониторов компьютеров. Поляроидные очки ослабляют солнечные блики на воде или снегу. Для этих же целей при видеосъемке используют поляризационные фильтры.

22.4. Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами

Прохождение поляризованного света через некоторые анизотропные среды сопровождается поворотом плоскости его поляризации вокруг направления распространения света. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Вещества, в которых наблюдается это явление, называют оптически активными. Примерами твердых оптически активных веществ являются твердые вещества кварц, сахар, киноварь.

Угол поворота плоскости поляризации (а) пропорционален толщине слоя оптически активного вещества (L):

Коэффициент пропорциональности α 0 зависит от структуры вещества и называется постоянной вращения (град/мм). Вращательная способность очень сильно зависит от частоты света. Например, кварцевая пластинка толщиной 1 мм поворачивает плоскость поляризации красного света на 15°, а плоскость поляризации фиолетового света - на 51°.

Способностью поворачивать плоскость поляризации обладают также растворы некоторых веществ. Например, водный раствор сахара и глюкозы, скипидар, винная кислота, никотин. Для них угол поворота зависит еще и от концентрации (С):

Здесь [α 0 ] - удельное вращение (градхсм 2 /г), величина которого зависит от химической природы растворенного вещества и растворителя, от температуры и длины волны света ([α 0 ] ~1/λ 2).

Оптически активные вещества делятся на две группы. В первой из них оптическая активность связана с асимметричным строением молекулы, не имеющей ни центра, ни плоскостей симметрии, т.е. хиральной. В этом случае оптическая активность вещества проявляется во всех агрегатных состояниях и растворах. Ко второй группе относятся вещества, оптическая активность которых связана с асимметричной структурой самого вещества (кристаллической решетки).

Оптически активные вещества могут быть правовращающими и левовращающими. Правовращающее вещество поворачивает плоскость поляризации по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу).

положительна (α> 0). Левовращающее вещество поворачивает плоскость поляризации против часовой стрелки. Величина вращательной способности для него отрицательна (α< 0).

Хиральные молекулы могут существовать в двух зеркально симметричных формах - правой и левой. Эти две изомерные формы называются антиподами. Важно знать, что в живой природе (по крайней мере, на Земле) все важнейшие биологические молекулы существуют только в одной из двух возможных форм. Поэтому если каким-либо способом изготовить пищу из других антиподов, то животные ее не смогут усвоить. Причина этого - чисто геометрическая. Все химические реакции начинаются с того, что молекулы располагаются друг относительно друга должным образом. Только после этого начинается взаимодействие их электронов. Для хиральных молекул, ориентации которых не соответствуют друг другу, добиться этого невозможно, как невозможно надеть левую перчатку на правую руку.

Известно, что биологический сахар является правовращающим, а сахар, изготовленный химическим путем, представляет собой смесь, содержащую правые и левые антиподы в равных количествах. Такая смесь называется рацемической. Рацемические смеси не вращают плоскость поляризации, так как положительный и отрицательный эффекты в них скомпенсированы. Если в раствор синтетического сахара поместить бактерии, то через некоторое время раствор станет левовращающим. Это означает, что бактерии усваивают только «правовращающие» молекулы сахара.

22.5. Применение поляризованного света для решения медико-биологических задач

Поляризация и связанные с нею эффекты широко используются в медико-биологических исследованиях.

Поляриметрия

Поляриметрия - это оптические методы исследования сред с естественной или наведенной магнитным полем оптической активностью, основанные на измерениях величины вращения плоскости поляризации света.

Этот метод используют для определения оптической активности сывороточных белков с целью диагностики рака, для определения содержания сахара в крови и в моче, в биофизических исследованиях, а также в пищевой промышленности. Соответствующие измерительные приборы называются поляриметрами или сахариметрами (если они специально приспособлены для измерения концентрации сахара).

Поляризационная микроскопия

Поляризационный микроскоп отличается от обычного оптического микроскопа тем, что перед конденсором помещен поляризатор, обеспечивающий освещение объекта поляризованным светом. В тубусе между объективом и окуляром помещается анализатор. Если главные оси поляризатора и анализатора скрещены, то в микроскоп видны только те фрагменты биологического объекта, которые вращают плоскость поляризации. При этом яркость наблюдаемых фрагментов тем выше, чем больше угол поворота.

Фотоупругость

Механические напряжения, создаваемые в прозрачных телах, способны изменять их оптические свойства: оптически изотропные тела могут становиться анизотропными, а анизотропные - изменять свою анизотропию. Комплекс таких явлений называют фотоупругостью.

Явление фотоупругости используется в травматологии для определения механического напряжения, возникающего в костных тканях. Из прозрачного материала (часто плексигласа) создают модель сустава. В ненагруженном состоянии в скрещенных поляроидах эта модель однородна и выглядит темной. Под действием механической нагрузки подобной той, которой кость подвергается в реальных условиях, возникает анизотропия модели, как следствие - вращение плоскости поляризации. Угол вращения пропорционален механическому напряжению. При этом появляется характерная картина полос и пятен. По этой картине, а также по тем ее изменениям, которые возникают при увеличении или уменьшении нагрузки, можно делать выводы о механических напряжениях, возникающих в модели, а следовательно, и в реальном суставе.

22.6. Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

22.7. Задачи

1. Чему равен угол φ между главными плоскостями поляризатора и анализатора, если интенсивность естественного света, прошедшего через поляризатор и анализатор, уменьшилась в 4 раза?

2. Определить удельное вращение [α 0 ] для раствора сахара, если при прохождении света через трубку с раствором угол поворота плоскости поляризации равен α = 22°. Длина трубки равна L = 10 см, концентрация раствора равна С = 0,33 г/см 3 .

3. Определить толщину L кварцевой пластинки, для которой угол поворота плоскости поляризации света с длиной волны λ = 509 нм равен α = 180°. Постоянная вращения в кварце для этой длины волны α 0 = 29,7 град/мм.

4. Раствор сахара, налитый в трубку длиной L = 20 см, поворачивает плоскость поляризации света (λ = 0,5 мкм) на угол а = 30°. Найти концентрацию сахара в растворе, если удельное вращение, вызываемое раствором сахара для этой длины волны [α 0 ] = 6,67 град*см 2 /г.

5. Раствор глюкозы с концентрацией С 1 = 0,28 г/см 3 , налитый в кювету сахариметра, поворачивает плоскость поляризации света на угол а 1 = 32°. Определить концентрацию С 2 глюкозы в кювете той же длины, если раствор вращает плоскость поляризации на угол

6. При какой высоте солнца над горизонтом солнечный свет отражается от поверхности озера плоскополяризованным? Показатель преломления воды в области видимого света n = 1,33.

Естественный свет - оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряжённости эл.-магн. поля, причём все направления колебаний, перпендикулярные к световым лучам, равновероятны.

Поляризованный – свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом.

Частично-поляризованный свет – если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное направление колебаний вектора Е.

Плоскополяризованный – если колебания вектора Е происходят только в одной плоскости.

Интенсивность света после поляризатора определяется законом Малюса. I=I 0 *cos 2 α

I 0 -интенсивность до поляризатора; I – интенсивность после поляризатора; α – угол между вектором Е и плоскостью поляризации.

Пусть на 2 поляризатора падает естественный свет.

I 1 =1/2*I ест

I 2 =1/2*I ест *cos 2 α=I 1 *cos 2 α

Степень поляризации луча Δ=(Imax-Imin)/(Imax*Imin)

22. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера.

Поляризованный свет можно получить, используя отражение или преломление света от диэлектрических изотропных сред. Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. Степень поляризации того и другого луча зависит от угла падения луча. У каждой пары прозрачных сред существует такой угол падения, при котором отраженный свет становится полностью плоскополяризованным, а преломленный луч остается частично поляризованным, но степень его поляризации при этом угле максимальна. Этот угол называется углом Бpюстеpа. Угол Брюстера определяется из условия: tgφ Бр =n 21 =n 2 /n 1

23. Естественный и поляризованный свет. Вращение плоскости поляризации.

Плоскость, в которой совершает колебания вектор Е, называется плоскостью колебаний, а вектор Н – плоскостью поляризации.

Если колебания вектора Е упорядочены каким-либо образом, свет называется поляризованным. Если в одной плоскости – плоско-поляризованным.

Если колебания Е в одной плоскости преобладают над другими – свет частично поляризованный.

В естественном свете вектор Е не испытывает асимметрии относительно направления распространения луча.

Плоско поляризованный свет получают с помощью приборов – поляризаторов.

Интенсивность света поле поляризаторов определяют по закону Малюса: I=I o COS 2 α , где I o – интенсивность до поляризатора, I – после, α – угол между Е и плоскостью поляризации.

Степенью поляризации луча называется величина, равная: Δ=(I max -I min)/(I max +I min)

Для естественного света Δ=0, для плоско поляризованного Δ=1, для частично поляризованного 0<Δ<1.

Плоско поляризованный свет получается при отражении от границы раздела двух сред, если угол падения равен углу Брюстера: tgα бр =n 21 =n 2 /n 1

При прохождении света через оптически активное вещество вектор Е поворачивается. Данное явление называется вращением плоскости поляризации.

Угол поворота плоскости поляризации для кристаллов и чистых жидкостей: ϕ=αd; для растворов: ϕ=[α]cd , где d - расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, a ([a]) - так называемое удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концентрации - для растворов), С - массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м3. Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме.

Явление вращения плоскости поляризации можно объяснить с помощью двух предположений Френеля:

Любая плоско поляризованная волна может быть представлена как 2 волны, поляризованные по кругу с правым и левым вращением

Скорости вращения в оптически активном веществе разные.