Stupanj polarizacije djelomično polarizirane svjetlosti: definicija, opis i formula. Polarizacija svjetlosti za lutke: definicija, suština fenomena i suština

Svjetlost koju emitira pojedini atom je elektromagnetski val, tj. kombinacija dva poprečna međusobno okomita vala - električnog (nastaje titranjem vektora jakosti električnog polja i magnetskog (nastaje titranjem vektora jakosti magnetskog polja koji teče duž zajednička ravna crta koja se naziva svjetlosna zraka (slika 337) ).

Zraka (svjetlost) u kojoj se električno titranje događa cijelo vrijeme u jednoj i samo jednoj ravnini naziva se polarizirana zraka (svjetlost); Naravno, u ovom slučaju, magnetske oscilacije se događaju u drugoj (okomitoj) ravnini (zvanoj ravnina polarizacije svjetlosti). Iz ove definicije proizlazi da je svjetlost koju emitira pojedini atom polarizirana (barem tijekom cijelog perioda zračenja tog atoma).

Iskustvo i teorija pokazuju da su kemijski, fiziološki i drugi oblici utjecaja svjetlosti na materiju uzrokovani uglavnom električnim vibracijama. Stoga, a i radi pojednostavljenja crteža koji prikazuju svjetlosni val (ili zraku), ubuduće ćemo govoriti samo o električnim oscilacijama, a ravninu u kojoj se one događaju nazivat ćemo ravninom svjetlosnih oscilacija ili jednostavno ravninom oscilacija. Tada se snop polarizirane svjetlosti može shematski prikazati kao na sl. 338, a (zraka je okomita na ravninu crteža; vektori odgovaraju vrijednostima amplitude jakosti električnog polja

U praksi se nikada ne susrećemo sa svjetlom jednog pojedinačnog atoma, budući da se svaki stvarni izvor svjetlosti (svjetleće tijelo) sastoji od mnogo atoma koji emitiraju nasumično, odnosno emitiraju svjetlosne valove sa svim mogućim orijentacijama ravnine titranja. Ovi se valovi međusobno preklapaju, zbog čega će svaka zraka koja izlazi iz stvarnog (prirodnog) izvora svjetlosti odgovarati mnogim različito usmjerenim ravninama osciliranja (Sl. 338, b). Takav snop (svjetlost) je nepolariziran i naziva se prirodni snop (svjetlost).

Obično je intenzitet zračenja svakog od atoma koji čine svjetleće tijelo u prosjeku isti; dakle, prirodno svjetlo ima iste amplitudne (maksimalne) vrijednosti vektora u svim ravninama vibracija. Postoje, međutim, slučajevi kada se vrijednosti amplitude vektora svjetlosnog snopa pokažu nejednakima za različite ravnine oscilacija; takav se snop naziva djelomično polariziran. Na sl. 338, c prikazuje djelomično polariziranu zraku, u kojoj se oscilacije javljaju pretežno u okomitoj ravnini.

Za razliku od prirodnog svjetla, polarizirano svjetlo karakterizira ne samo intenzitet (ovisno o amplitudi jakosti polja i boji (ovisno o valnoj duljini X), već i položaj

ravnina osciliranja. Stoga, na primjer, polarizirane zrake 1, 2 i 3 (si. 339), čiji su intenzitet i boja isti, nisu međusobno identične. Međutim, ljudsko oko ne detektira razliku između polariziranih zraka koje imaju različitu orijentaciju ravnine vibracije i općenito ne razlikuje polariziranu svjetlost od prirodne svjetlosti.

Prirodno svjetlo se može polarizirati, odnosno pretvoriti u polarizirano svjetlo. Da bi se to postiglo, potrebno je stvoriti uvjete pod kojima bi se oscilacije vektora jakosti električnog polja mogle dogoditi samo u jednom određenom smjeru. Takvi se uvjeti mogu, primjerice, pojaviti kada prirodno svjetlo prolazi kroz medij koji je anizotropan u odnosu na električne vibracije. Kao što je poznato, anizotropija je karakteristična za kristale (vidi § 51). Stoga možemo očekivati polarizaciju svjetlosti koja prolazi kroz kristal. Doista, iskustvo pokazuje da mnogi prirodni i umjetno stvoreni kristali polariziraju prirodnu svjetlost koja prolazi kroz njih.

U najopćenitijim crtama, fizikalna suština procesa polarizacije svjetlosti koja prolazi kroz kristal je sljedeća. Prema Maxwellovoj elektromagnetskoj teoriji (vidi § 105), izmjenično električno polje svjetlosnog vala uzrokuje izmjeničnu struju polarizacije u kristalnom dielektriku, odnosno izmjenično pomicanje nabijenih čestica (atoma, iona) koje čine kristalnu rešetku. Polarizacijska struja stvara Jouleovu toplinu; Posljedično, u kristalu se događa pretvorba svjetlosne energije u toplinu.

Zbog anizotropije kristala, mogući pomak njegovih čestica, a time i jakost polarizacijske struje, različiti su za različite ravnine kristalne rešetke. Očito je da svjetlosni val koji putuje u ravnini koja odgovara značajnim mogućim pomacima čestica uzrokuje jaku polarizacijsku struju i stoga ga kristal gotovo potpuno apsorbira. Ako svjetlosni val putuje u ravnini koja odgovara malim pomacima čestica, tada uzrokuje slabu polarizacijsku struju i prolazi kroz kristal bez značajne apsorpcije.

Dakle, od električnih vibracija prirodnog svjetla, koje imaju sve moguće smjerove, kroz kristal (bez apsorpcije) prolaze samo one koje se javljaju u ravnini koja odgovara minimumu polarizacijske struje; preostale vibracije su oslabljene do jednog ili drugog stupnja, budući da samo njihove projekcije na ovu ravninu prolaze kroz kristal. Kao rezultat toga, svjetlost koja prolazi kroz kristal podvrgava se električnim oscilacijama samo u jednoj određenoj ravnini, tj. ispada da je svjetlost polarizirana.

Prirodni kristali koji polariziraju svjetlost uključuju, na primjer, turmalin. Prirodna zraka koja prolazi kroz turmalinsku ploču usporedno s optičkom osi kristala potpuno je polarizirana i ima električne vibracije samo u glavnoj ravnini u ravnini koja sadrži optičku os i zraku (sl. 340).

U svakom kristalu postoji smjer u odnosu na koji su atomi (ili ioni) kristalne rešetke smješteni simetrično; naziva se optička os kristala. Naglasimo da optička os nije samo jedna linija, već određeni pravac u kristalu; sve ravne linije povučene paralelno s tim smjerom u kristalu su optičke osi.

Ako prirodna zraka ide duž optičke osi, tada su sve njene električne vibracije okomite na nju. U tom slučaju (zbog simetričnog rasporeda kristalnih čestica u odnosu na optičku os) sve električne vibracije se javljaju pod istim uvjetima i sve prolaze kroz kristal. Stoga prirodna zraka koja putuje duž optičke osi nije polarizirana. Za sve ostale smjerove snopa dolazi do njegove polarizacije.

Ako se druga turmalinska ploča 2 postavi iza ploče 1, orijentirana tako da je njezina optička os okomita na optičku os ploče, tada zraka neće proći kroz drugu ploču (budući da su njezine električne vibracije okomite na glavnu ravninu ploče). ploča 2). Ako optičke osi ploča 1 i 2 zaklapaju kut različit od tada svjetlost (zraka) prolazi kroz ploču 2. Međutim, kao što slijedi sa sl. 341, amplituda svjetlosnih vibracija koje prolaze kroz ploču 2 bit će manja od amplitude svjetlosnih vibracija koje padaju na ovu ploču:

Budući da je intenzitet svjetlosti proporcionalan kvadratu amplitude svjetlosnih titraja, onda

gdje je intenzitet svjetlosti koja pada na ploču 2, Y je intenzitet svjetlosti koja prolazi kroz ovu ploču. Odnos (12) naziva se Malusov zakon.

Dakle, rotacija ploče 2 oko polarizirane zrake je popraćena promjenom intenziteta svjetlosti koja prolazi kroz ovu ploču; maksimalni intenzitet javlja se na minimumu (što odgovara potpunom gašenju svjetla) - pri

Ploča 7, koja polarizira prirodnu svjetlost, naziva se polarizator, a ploča 2, preko koje se mijenja intenzitet polarizirane svjetlosti (i time detektira činjenicu polarizacije), naziva se analizator. Jasno je da su obje ploče potpuno iste (mogu se zamijeniti); Ovi nazivi karakteriziraju samo svrhu zapisa.

Treba napomenuti da turmalin ima značajnu selektivnu apsorpciju - propušta pretežno zelenu svjetlost; Ovo je nedostatak turmalina kao polarizatora (i analizatora).

Posljednjih godina takozvani polaroidi (polarizacijski filtri) naširoko se koriste za polarizaciju svjetlosti. Polaroid je prozirni polimerni film približno debljine koji sadrži mnogo malih umjetnih kristala - polarizatora, na primjer kristale herapatita (kinin jodid sulfat). Optičke osi svih kristala herapatita usmjerene su u istom smjeru tijekom procesa proizvodnje polaroida. Polaroid film je relativno jeftin, vrlo fleksibilan, ima veliku površinu i ima gotovo jednaku (neznatnu) apsorpciju za sve valne duljine vidljive svjetlosti.

Jedna od zanimljivih praktičnih primjena Polaroida je njegova uporaba u vozilima za zaštitu vozača od svjetla nadolazećih farova. U tu svrhu na vjetrobransko staklo i stakla prednjih svjetala lijepe se polaroidne folije čije su optičke osi paralelne i čine 45° s horizontom. Zatim, kao što se može vidjeti na Sl. 342, optička os polaroida vjetrobranskog stakla jednog automobila bit će okomita na optičku

Polaroidne osi prednjih svjetala nadolazećeg automobila (orijentacija optičkih osi prikazana je na slici strelicama). Prema Malusovom zakonu, s takvom orijentacijom optičkih osi polaroida, polarizirana svjetlost farova neće proći kroz vjetrobransko staklo nadolazećeg automobila; stoga vozač praktički ne vidi svjetla nadolazećih automobila (ali će, naravno, vidjeti te automobile u svjetlima svog automobila).

Polarizacija za elektromagnetske valove je pojava usmjerenog osciliranja vektora jakosti električnog polja E ili jakosti magnetskog polja H. Koherentno elektromagnetsko zračenje može imati: Polarizacijsku elipsu Linearnu ... ... Wikipedia

I. Definicije. II. Pravocrtno polarizirana svjetlost. III. Eliptično polarizirana svjetlost. IV. Izvori polarizirane svjetlosti. V. Prepoznavanje polarizirane svjetlosti. VI. Refleksija i lom polarizirane svjetlosti. VII. Rotacija ravnine P...

Sadržaj: 1) Osnovni pojmovi. 2) Newtonova teorija. 3) Huygensov eter. 4) Huygensov princip. 5) Načelo interferencije. 6) Huygens Fresnel princip. 7) Princip transverzalnih vibracija. 8) Završetak eterične teorije svjetlosti. 9) Osnova teorije etera.… … Enciklopedijski rječnik F.A. Brockhaus i I.A. Efron

Najjednostavniji polarizacijski uređaji, jedna od klasa optičkih prizmi, služe kao linearni polarizatori, pomoću kojih se proizvodi linearno polarizirano optičko zračenje (vidi POLARIZACIJA SVJETLOSTI). Obično se P. stavke sastoje od dva ili više... ... Fizička enciklopedija

Ujedinjuje srodne optike. metode proučavanja optički aktivnih (kiralnih) spojeva: polarimetrija (PM), optička disperzija. rotacija (ROV) i kružni dikroizam (CD). X. m. temelje se na interakciji. polarizirana svjetlost s kiralnim strukturama, koja... ... Kemijska enciklopedija

- (optika) pojava koja se javlja kada zrake polarizirane svjetlosti prolaze kroz određene kristale, tekućine i pare koji su u prirodnom stanju ili pod utjecajem magnetizma. Svjetlosne zrake koje izlaze iz samosvjetlećih tijela (sunce, ... ... Enciklopedijski rječnik F.A. Brockhaus i I.A. Efron

Ilustracija polarizacije reflektirane svjetlosti koja pada na granicu pod Brewsterovim kutom Brewsterov zakon je zakon optike koji izražava odnos između indeksa loma dielektrika i takvog kuta n ... Wikipedia

Prikaz polarizacije reflektirane svjetlosti koja pada na sučelje pod kutom Brewsterov zakon Brewsterov zakon je optički zakon koji izražava odnos indeksa loma s kutom pod kojim će svjetlost reflektirana od sučelja biti potpuno ... .. Wikipedia

Postoje dvije vrste valova. U longitudinalnim oscilatornim poremećajima paralelan je smjer njihovog širenja. Primjer je prolazak zvuka kroz zrak. Transverzalni valovi se sastoje od poremećaja koji su pod kutom od 90° u odnosu na smjer kretanja. Na primjer, val koji vodoravno prolazi kroz tijelo vode uzrokuje vertikalne vibracije na njegovoj površini.

Otkriće fenomena

Brojni zagonetni optički efekti uočeni sredinom 17. stoljeća objašnjeni su kada se polarizirano i prirodno svjetlo počelo smatrati valnim fenomenom i kada su otkriveni smjerovi njegovih vibracija. Prvi takozvani polarizacijski efekt otkrio je danski liječnik Erasmus Bartholin 1669. godine. Znanstvenik je primijetio dvostruki lom, ili dvolom, u islandskom špatu ili kalcitu (kristalni oblik kalcijevog karbonata). Kada svjetlost prolazi kroz kalcit, kristal ga cijepa, stvarajući dvije slike pomaknute jedna od druge.

Newton je bio svjestan ovog fenomena i sugerirao je da možda korpuskule svjetlosti imaju asimetriju ili "jednostranost" koja može uzrokovati formiranje dviju slika. Huygens, Newtonov suvremenik, uspio je objasniti dvostruki lom svojom teorijom elementarnih valova, ali nije razumio pravo značenje efekta. Dvolom je ostao misterij sve dok francuski fizičar Augustin-Jean Fresnel nije predložio da su svjetlosni valovi transverzalni. Jednostavna ideja omogućila je objašnjenje što je polarizirano i prirodno te je pružila prirodnu i nekompliciranu osnovu za analizu učinaka polarizacije.

Dvolomljenost je uzrokovana kombinacijom dviju okomitih polarizacija, svaka s vlastitom brzinom vala. Zbog razlike u brzini, dvije komponente imaju različite indekse loma, pa se različito lome kroz materijal, stvarajući dvije slike.

Polarizirano i prirodno svjetlo: Maxwellova teorija

Fresnel je brzo razvio složeni model transverzalnih valova, što je dovelo do dvoloma i niza drugih optičkih učinaka. Četrdeset godina kasnije, elektromagnetska znanost elegantno je objasnila transverzalnu prirodu svjetlosti.

Maxwellovi elektromagnetski valovi sastoje se od magnetskih i električnih polja koja osciliraju okomito na smjer kretanja. Polja su međusobno pod kutom od 90°. U tom slučaju pravci prostiranja magnetskog i električnog polja čine desni koordinatni sustav. Za val s frekvencijom f i duljine λ (povezani su ovisnošću λf = c), koji se kreće u pozitivnom smjeru x, polja su opisana matematički:

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

Jednadžbe pokazuju da su električno i magnetsko polje u fazi jedno s drugim. U bilo kojem trenutku u vremenu, oni istovremeno postižu svoje maksimalne vrijednosti u prostoru, jednake E 0 i B 0. Ove amplitude nisu neovisne. Maxwellove jednadžbe pokazuju da je E 0 = cB 0 za sve elektromagnetske valove u vakuumu.

Smjerovi polarizacije

U opisivanju orijentacije magnetskog i električnog polja, svjetlosni valovi obično označavaju samo smjer električnog polja. Vektor magnetskog polja određen je zahtjevom da su polja okomita i okomita na smjer gibanja. Prirodno i linearno polarizirano svjetlo razlikuju se po tome što kod potonjeg polja osciliraju u fiksnim smjerovima dok se val kreće.

Moguća su i druga stanja polarizacije. U slučaju kružnog vektora, magnetsko i električno polje rotiraju u odnosu na smjer širenja s konstantnom amplitudom. Eliptično polarizirana svjetlost je posrednik između linearne i kružne polarizacije.

Nepolarizirana svjetlost

Atomi na površini zagrijane niti koji stvaraju elektromagnetsko zračenje djeluju neovisno jedan o drugome. Svaka emisija može se grubo modelirati kao kratki nizovi koji traju od 10 -9 do 10 -8 sekundi. Elektromagnetski val koji izlazi iz užarene niti je superpozicija ovih vlakova, od kojih svaki ima svoj vlastiti smjer polarizacije. Zbroj nasumično orijentiranih vlakova tvori val, čiji se vektor polarizacije mijenja brzo i nasumično. Takav val se naziva nepolariziran. Sve uključujući Sunce, žarulje sa žarnom niti, fluorescentne svjetiljke i plamen proizvodi takvo zračenje. Međutim, prirodno svjetlo često je djelomično polarizirano zbog višestrukog raspršenja i refleksije.

Dakle, razlika između polarizirane svjetlosti i prirodne svjetlosti je u tome što se kod prve vibracije događaju u jednoj ravnini.

Izvori polariziranog zračenja

Polarizirano svjetlo može se proizvesti u slučajevima kada je određena prostorna orijentacija. Jedan primjer je gdje se visokoenergetske nabijene čestice kreću u magnetskom polju i emitiraju polarizirane elektromagnetske valove. Postoje mnogi poznati astronomski izvori koji emitiraju prirodno polariziranu svjetlost. To uključuje maglice, ostatke supernove i aktivne galaktičke jezgre. Proučava se polarizacija kozmičkog zračenja kako bi se odredila svojstva njegovih izvora.

Polaroid filter

Polarizirana i prirodna svjetlost se odvajaju kada prolaze kroz brojne materijale, od kojih je najčešći polaroid, koji je stvorio američki fizičar Edwin Land. Filtar se sastoji od dugih lanaca molekula ugljikovodika usmjerenih u jednom smjeru kroz proces toplinske obrade. Molekule selektivno apsorbiraju zračenje čije je električno polje paralelno s njihovom orijentacijom. Svjetlost koja izlazi iz polaroida je linearno polarizirana. Njegovo električno polje je okomito na smjer molekularne orijentacije. Polaroid se koristi u mnogim primjenama, uključujući sunčane naočale i filtre koji smanjuju efekte reflektirane i raspršene svjetlosti.

Prirodna i polarizirana svjetlost: Malusov zakon

Godine 1808. fizičar Etienne-Louis Malus otkrio je da je svjetlost reflektirana od nemetalnih površina djelomično polarizirana. Opseg ovog učinka ovisi o upadnom kutu i indeksu loma reflektirajućeg materijala. U jednom ekstremnom slučaju, kada je tangens kuta upadanja zrake u zrak jednak indeksu loma reflektirajućeg materijala, reflektirana svjetlost postaje potpuno linearno polarizirana. Taj je fenomen poznat kao Brewsterov zakon (nazvan po svom otkriću, škotskom fizičaru Davidu Brewsteru). Smjer polarizacije je paralelan s reflektirajućom površinom. Budući da se dnevno blještavilo obično javlja kada se reflektira od vodoravnih površina kao što su ceste i voda, sunčane naočale često koriste filtre za uklanjanje vodoravno polarizirane svjetlosti i stoga selektivno uklanjaju refleksije svjetlosti.

Rayleighovo raspršenje

Raspršenje svjetlosti na vrlo malim objektima, čije su dimenzije puno manje od valne duljine (tzv. Rayleighovo raspršenje po engleskom znanstveniku Lordu Rayleighu), također stvara djelomičnu polarizaciju. Kada sunčevo zračenje prolazi kroz zemljinu atmosferu, raspršuje ga molekula zraka. Raspršena polarizirana i prirodna svjetlost dopire do zemlje. Stupanj njegove polarizacije ovisi o kutu raspršenja. Budući da ljudi ne razlikuju prirodno i polarizirano svjetlo, ovaj učinak obično prolazi nezapaženo. Međutim, oči mnogih insekata reagiraju na to i koriste relativnu polarizaciju raspršenog zračenja kao navigacijski alat. Uobičajeni filtar kamere koji se koristi za smanjenje pozadinskog zračenja pri jakoj sunčevoj svjetlosti je jednostavan linearni polarizator koji odvaja prirodnu i Rayleigh polariziranu svjetlost.

Anizotropni materijali

Učinci polarizacije opaženi su u optički anizotropnim materijalima (u kojima se polarizacija mijenja sa smjerom), kao što su dvolomni kristali, neke biološke strukture i optički aktivni materijali. Tehnološke primjene uključuju polarizacijske mikroskope, zaslone s tekućim kristalima i optičke instrumente koji se koriste za istraživanje materijala.

1. Svjetlo je prirodno i polarizirano.

2. Prolaz svjetlosti kroz polarizator. Malusov zakon.

3. Metode za proizvodnju polarizirane svjetlosti.

4. Rotacija ravnine polarizacije optički aktivnih tvari.

5. Primjena polarizirane svjetlosti za rješavanje medicinskih i bioloških problema. Polarimetrija. Fotoelastičnost.

6. Osnovni pojmovi i formule.

7. Zadaci.

22.1. Prirodno i polarizirano svjetlo

Analizirajući fenomen interferencije svjetla, saznali smo da prirodno svjetlo je zbirka ogromnih brojeva vlakovi, emitiraju različite molekule (atomi) u različito vrijeme. U snopu prirodne svjetlosti jednako su vjerojatni svi smjerovi oscilacija svjetlosnog vektora, okomiti na smjer prostiranja snopa.

Prirodno svjetlo- skup elektromagnetskih valova (vlakova) sa svim mogućim jednako vjerojatnim smjerovima svjetlosnih vektora (E), okomitih na smjer prostiranja svjetlosti.

prirodni Sveta.

Na slici 22.1, A presjek snopa O prikazan je ravninom okomitom na njegov smjer, te kaotična orijentacija svjetlosnih vektora raznih nizova u tom presjeku. Ovaj odjeljak se zove normalni odjeljak. Na slici 22.1, b prikazuje presjek grede O ravninom koja prolazi kroz samu gredu. Ovaj odjeljak se zove aksijalni Svjetlosni vektori vlakova koji leže u osnom presjeku prikazani su crticama, a svjetlosni vektori vlakova okomitih na presjek prikazani su točkama. Broj točaka i crtica je isti.

Riža. 22.1. Presjek snopa prirodne svjetlosti u dvije ravnine: a - normalni presjek; b - aksijalni presjek

Od prirodnog svjetla pomoću posebnih uređaja - polarizatori- moguće je dobiti svjetlost s istom orijentacijom svih svjetlosnih vektora. Ovakvo svjetlo se zove plane polarized.

Ravno polarizirano svjetlo - svjetlost u čijem je snopu usmjerenost svjetlosnih vektora svih vlakova ista.

Aksijalni presjek snopa ravno polarizirane svjetlosti u kojem leže svi svjetlosni vektori naziva se ravnina polarizacije.

Ispod je grafički prikaz grede plane polarized Sveta.

Na slici 22.2, A prikazano normalan presjek snopa O - svi svjetlosni vektori osciliraju duž jedne ravne linije. Na slici 22.2, b prikazuje aksijalni presjek u kojem leže svi svjetlosni vektori (prikazani crticama) - to je ravnina polarizacije. Na slici 22.2, V prikazan je aksijalni presjek grede, okomito svjetlosni vektori (predstavljeni točkama).

Svjetlost u kojoj postoji povlašteni smjer oscilacija svjetlosnog vektora E naziva se djelomično polarizirano svjetlo. Ovo svjetlo je smjesa prirodno i ravno polarizirano svjetlo.

Na slici 22.3 prikazan je grafički prikaz grede djelomično polariziran Sveta.

Riža. 22.2. Presjek snopa ravno polarizirane svjetlosti različitim ravninama:

a - normalni presjek; b - aksijalni presjek koji sadrži svjetlosne vektore (ravnina polarizacije); c - aksijalni presjek okomit na svjetlosne vektore

Riža. 22.3. Odsječci snopa djelomično polarizirane svjetlosti: a - normalni presjek; b - aksijalni presjek u kojem prevladavaju svjetlosni vektori koji leže u njegovoj ravnini; c - aksijalni presjek u kojem prevladavaju svjetlosni vektori okomiti na njegovu ravninu

22.2. Prolaz svjetlosti kroz polarizator. Malusov zakon

Proces pretvaranja prirodne svjetlosti u polariziranu svjetlost (polarizacija) može se provesti pomoću posebnih uređaja - polarizatora.

Polarizator - uređaj za proizvodnju potpuno ili (rjeđe) djelomično polarizirane svjetlosti.

Razmotrit ćemo samo kompletan linearna polarizacija, u kojoj iz polarizatora izlazi ravno polarizirana svjetlost.

Polarizator samo prenosi projekcija svjetlosni vektor E na neku ravninu, koja se zove glavna ravnina

polarizator. Ta ravnina prolazi kroz točku upadanja zrake, a njezinu prostornu orijentaciju određuje polarizacijski uređaj.

Pomoću analizatora možete otkriti prisutnost polarizacije svjetlosti i odrediti njezin stupanj. analizator je polarizator koji se koristi za određivanje stupnja polarizacije.

Ako se analizator postavi na putanju snopa polarizirane svjetlosti i rotira oko snopa, tada će se intenzitet izlazne svjetlosti promijeniti od određene maksimalne vrijednosti I 0 do nule. Mjereći intenzitet svjetlosti koja prolazi kroz analizator, E.L. Malus je utvrdio (1810.) da se pokorava sljedećem zakonu (Malusov zakon):

Ovdje je I 0 intenzitet svjetlosti koja pada na analizator; I je intenzitet propuštene svjetlosti; φ je kut između glavnih ravnina polarizatora i analizatora.

S matematičkog gledišta, Malusov zakon znači da polarizator prenosi samo projekciju svjetlosnog vektora E na glavnu ravninu polarizatora (sl. 22.4).

Riža. 22.4. Prolaz polarizirane svjetlosti kroz analizator (zraka je okomita na ravninu uzorka)

Ako prirodna (nepolarizirana) svjetlost pada na polarizator, tada Malusov zakon vrijedi za svaki pojedini niz. U prirodnom svjetlu svi su smjerovi svjetlosnih vektora jednako vjerojatni.

22.3. Metode za proizvodnju polarizirane svjetlosti

Rad većine linearnih polarizatora koji proizvode ravno polariziranu svjetlost temelji se na jednom od tri fizikalna fenomena: dvolomu, linearnom dikroizmu i polarizaciji svjetlosti tijekom refleksije i refrakcije.

Polarizacija refleksijom i lomom

Kada svjetlosna zraka padne na granicu između dva izotropna dielektrika (na primjer, zrak i staklo), ona se djelomično reflektira i djelomično prodire u drugi medij. U ovom slučaju, obje zrake ispadaju djelomično polariziran. Kod reflektirane zrake prevladavaju pravci vektora E, okomiti na ravninu upada, a kod lomljene zrake oni su s njom paralelni. Stupanj polarizacije ovisi o upadnom kutu. Pod određenim upadnim kutom reflektirana zraka bit će polarizirana potpuno, a stupanj polarizacije lomljene zrake bit će maksimalan (sl. 22.5).

Riža. 22.5. Polarizacija svjetlosti pri refleksiji i lomu

Taj se kut naziva Brewsterov kut(i B) i određena je uvjetom:

Stupanj polarizacije lomljene zrake može se znatno povećati ponovljenim lomom. Dakle, pri prolasku kroz jednu staklenu ploču, stupanj polarizacije lomljene zrake ne prelazi 15%. Ali nakon što prođe kroz hrpu od 16 postavljenih ploča, svjetlost koja se pojavi bit će gotovo potpuno polarizirana.

Takva zbirka ploča naziva se Stoletovljevo stopalo. Nedostaci ove metode uključuju nizak intenzitet rezultirajuće polarizirane svjetlosti.

Polarizacija kod dvoloma

Kada se svjetlosni snop lomi na granici s nekim anizotropnim medijem, uočava se fenomen dvolomnost- prelomljena zraka se dijeli na dva. U tom slučaju obje su zrake potpuno polarizirane.

Mnogi kristali pokazuju optičku anizotropiju zbog asimetrije svojih rešetki (na primjer, islandski spar).

Dvoloma- bifurkacija svjetlosnog snopa pri prolasku kroz neke anizotropne medije, zbog ovisnosti indeksa loma svjetlosti o njezinoj polarizaciji i smjeru širenja.

Jedna zraka se pokorava zakonima loma i zove se obično "o". Za drugu zraku ovi zakoni nisu zadovoljeni, a tzv izvanredno"e". Fenomen dvostrukog loma ilustriran je na sl. 22.6.

Budući da je s dvolomom zadatak dobivanja potpuno polariziranog

Riža. 22.6. Dvoloma

svjetlo se rješava automatski, sve što ostaje je od dva zrake istaknuti jedan. Za to se koriste dvije metode.

1. Nikoljska prizma. Ovaj polarizator (sl. 22.7) izrađen je od islandskog špata, za koji su indeksi loma običnih i izvanrednih zraka različiti: n 0 = 1,65, n e = 1,48. Prizma je dijagonalno izrezana i zalijepljena Canada balzamom i "srednji" indeks loma n kb = 1,55.

Riža. 22.7. Put zraka u Nicolasovoj prizmi

Pod odgovarajućim upadnim kutom na površinu prizme, obična zraka "o" prolazi kroz potpunu unutarnju refleksiju na sloju kanadskog balzama i apsorbira je pocrnjela gornja strana. Izvanredna zraka "e" prolazi kroz rub i izlazi iz prizme paralelno s donjom stranom.

2. Dihroizam, polaroidi. U nekim dvolomnim kristalima obična zraka "o" apsorbira se mnogo jače od izvanredne zrake "e". Ova pojava se zove dikroizam. Turmalin, na primjer, pokazuje dikroizam u području vidljive svjetlosti. U turmalinskoj ploči debljine 1 mm, uz upadnu vidljivu svjetlost, “o” zraka se gotovo potpuno apsorbira. Izlazi samo "e" zraka.

Polarizatori koji koriste dikroizam nazivaju se polaroidi. Trenutno su naučili kako proizvesti polaroide u obliku tankih filmova s velikom površinom, što omogućuje dobivanje širokih snopova polarizirane svjetlosti. Takvi se filmovi široko koriste u zaslonima kalkulatora i LCD zaslonima računalnih monitora. Polaroid naočale smanjuju odsjaj sunca na vodi ili snijegu. U iste svrhe koriste se polarizacijski filtri pri snimanju videa.

22.4. Rotacija ravnine polarizacije optički aktivnih tvari

Prolaz polarizirane svjetlosti kroz neke anizotropne medije prati rotacija ravnine njezine polarizacije oko smjera prostiranja svjetlosti. Ova pojava se zove rotacija ravnine polarizacije. Tvari kod kojih se uočava ova pojava nazivaju se optički aktivan. Primjeri krutih optički aktivnih tvari su krute tvari kvarc, šećer, cinober.

Kut zakreta ravnine polarizacije (a) proporcionalan je debljini sloja optički aktivne tvari (L):

Koeficijent proporcionalnosti α 0 ovisi o građi tvari i naziva se konstanta rotacije(stupnjevi/mm). Sposobnost predenja jako ovisi o frekvenciji svjetla. Na primjer, kvarcna ploča debljine 1 mm zakreće ravninu polarizacije crvene svjetlosti za 15°, a ravninu polarizacije ljubičaste svjetlosti za 51°.

Otopine nekih tvari također imaju sposobnost zakretanja ravnine polarizacije. Na primjer, vodena otopina šećera i glukoze, terpentin, vinska kiselina, nikotin. Za njih kut rotacije također ovisi o koncentraciji (C):

Ovdje [α 0 ] - specifična rotacija(stupanj cm 2 /g), čija vrijednost ovisi o kemijskoj prirodi otopljene tvari i otapala, o temperaturi i valnoj duljini svjetlosti ([α 0 ] ~1/λ 2).

Optički aktivne tvari dijele se u dvije skupine. U prvom od njih, optička aktivnost povezana je s asimetričnom strukturom molekule, koja nema ni središte ni ravnine simetrije, tj. kiralni. U ovom slučaju, optička aktivnost tvari očituje se u svim agregatnim stanjima i otopinama. U drugu skupinu spadaju tvari čija je optička aktivnost povezana s asimetričnom strukturom same tvari (kristalne rešetke).

Optički aktivne tvari mogu se desnorotatorni I ljevoruk. Dekstrorotatorna tvar rotira ravninu polarizacije u smjeru kazaljke na satu(ako gledate prema gredi).

pozitivan(α> 0). Levorotatorna tvar rotira ravninu polarizacije u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Količina rotacijskog kapaciteta za to negativan(α< 0).

Kiralne molekule mogu postojati u dva zrcalno simetrična oblika - desno i lijevo. Ova dva izomerna oblika nazivaju se antipodi. Važno je znati da u živoj prirodi (barem na Zemlji) postoje sve najvažnije biološke molekule u samo jednom od dva moguća oblika. Stoga, ako na bilo koji način napravimo hranu od drugih antipoda, životinje je neće moći asimilirati. Razlog za to je čisto geometrijski. Sve kemijske reakcije započinju s pravilno postavljenim molekulama jedna u odnosu na drugu. Tek nakon toga počinje međudjelovanje njihovih elektrona. Za kiralne molekule čija orijentacija ne odgovara jedna drugoj to je nemoguće postići, kao što je nemoguće staviti lijevu rukavicu na desnu ruku.

Poznato je da je biološki šećer desnorotatorni a kemijski proizvedeni šećer je mješavina koja sadrži desno i lijevo antipodi u jednakim količinama. Ova smjesa se zove racemski. Racemske smjese nemoj rotirati ravnini polarizacije, budući da se pozitivni i negativni učinci u njima kompenziraju. Ako se bakterije stave u otopinu sintetičkog šećera, nakon nekog vremena otopina će postati ljevoruk. To znači da bakterije metaboliziraju samo desnorotirajuće molekule šećera.

22.5. Primjena polarizirane svjetlosti za rješavanje medicinskih i bioloških problema

Polarizacija i s njom povezani učinci naširoko se koriste u biomedicinskim istraživanjima.

Polarimetrija

Polarimetrija je optička metoda za proučavanje medija s prirodnom ili magnetskim poljem izazvanom optičkom aktivnošću, koja se temelji na mjerenju količine rotacije ravnine polarizacije svjetlosti.

Ova se metoda koristi za određivanje optičke aktivnosti serumskih proteina za dijagnostiku raka, za određivanje razine šećera u krvi i urinu, u biofizičkim istraživanjima, a također iu prehrambenoj industriji. Odgovarajući mjerni instrumenti nazivaju se polarimetri ili saharimetri(ako su posebno prilagođeni za mjerenje koncentracije šećera).

Polarizacijska mikroskopija

Polarizacijski mikroskop razlikuje se od konvencionalnog optičkog mikroskopa po tome što se ispred kondenzora nalazi polarizator koji osvjetljava predmet polariziranom svjetlošću. Analizator se nalazi u cijevi između leće i okulara. Ako su glavne osi polarizatora i analizatora ukrštene, tada su kroz mikroskop vidljivi samo oni fragmenti biološkog objekta koji rotiraju ravninu polarizacije. U ovom slučaju, što je veći kut rotacije, veća je svjetlina promatranih fragmenata.

Fotoelastičnost

Mehanička naprezanja nastala u prozirnim tijelima mogu promijeniti njihova optička svojstva: optički izotropna tijela mogu postati anizotropna, a anizotropna tijela mogu promijeniti svoju anizotropiju. Kompleks takvih pojava naziva se fotoelastičnost.

Fenomen fotoelastičnosti koristi se u traumatologiji za određivanje mehaničkog naprezanja koje se javlja u koštanom tkivu. Model spoja se izrađuje od prozirnog materijala (često pleksiglasa). Kada se isprazni u prekriženim polaroidima, ovaj model je homogen i izgleda tamno. Pod utjecajem mehaničkog opterećenja sličnog onom kojem je kost izložena u stvarnim uvjetima, dolazi do anizotropije modela, kao rezultat - rotacija ravnine polarizacije. Kut rotacije proporcionalan je mehaničkom naprezanju. U tom slučaju pojavljuje se karakterističan uzorak pruga i mrlja. Iz ove slike, kao i iz promjena koje nastaju povećanjem ili smanjenjem opterećenja, može se zaključiti o mehaničkim naprezanjima koja nastaju u modelu, a time iu stvarnom spoju.

22.6. Osnovni pojmovi i formule

Nastavak tablice

Kraj stola

22.7. Zadaci

1. Koliki je kut φ između glavnih ravnina polarizatora i analizatora ako se intenzitet prirodne svjetlosti koja prolazi kroz polarizator i analizator smanji 4 puta?

2. Odredite specifičnu rotaciju [α 0 ] za otopinu šećera ako je pri prolasku svjetlosti kroz cijev s otopinom kut rotacije ravnine polarizacije α = 22°. Duljina cijevi je L = 10 cm, koncentracija otopine C = 0,33 g/cm 3.

3. Odredite debljinu L kvarcne ploče kojoj je kut zakreta ravnine polarizacije svjetlosti valne duljine λ = 509 nm jednak α = 180°. Konstanta rotacije u kvarcu za ovu valnu duljinu je α 0 = 29,7 deg/mm.

4. Otopina šećera ulivena u cijev duljine L = 20 cm zakrene ravninu polarizacije svjetlosti (λ = 0,5 μm) za kut a = 30°. Odredite koncentraciju šećera u otopini ako je specifična rotacija uzrokovana otopinom šećera za ovu valnu duljinu [α 0 ] = 6,67 deg*cm 2 /g.

5. Otopina glukoze koncentracije C 1 = 0,28 g/cm 3, ulivena u kivetu saharimetra, zakreće ravninu polarizacije svjetlosti za kut a 1 = 32°. Odredite koncentraciju C 2 glukoze u kiveti iste duljine ako otopina zakrene ravninu polarizacije za kut.

6. Na kojoj visini sunca iznad horizonta se sunčeva svjetlost reflektira od površine jezera na ravninski polariziran način? Indeks loma vode u području vidljive svjetlosti je n = 1,33.

Prirodno svjetlo je optičko zračenje s brzim i nasumičnim mijenjanjem smjerova električnog magnetskog intenziteta. polja, a svi smjerovi oscilacija okomito na svjetlosne zrake jednako su vjerojatni.

Polarizirana - svjetlost u kojoj su smjerovi oscilacija vektora svjetlosti na neki način poredani.

Djelomično polarizirana svjetlost - ako se kao rezultat bilo kakvih vanjskih utjecaja pojavi prevladavajući smjer oscilacija vektora E.

Plane-polarizirano – ako se oscilacije vektora E događaju samo u jednoj ravnini.

Jačina svjetlosti nakon polarizatora određena je Malusovim zakonom. I=I 0 *cos 2 α

I 0 - intenzitet prije polarizatora; I – intenzitet nakon polarizatora; α je kut između vektora E i ravnine polarizacije.

Neka prirodno svjetlo pada na 2 polarizatora.

I 1 =1/2*I jede

I 2 =1/2*I jede *cos 2 α=I 1 *cos 2 α

Stupanj polarizacije snopa Δ=(Imax-Imin)/(Imax*Imin)

22. Polarizacija svjetlosti pri refleksiji i lomu. Brewsterov zakon.

Polarizirano svjetlo može se proizvesti refleksijom ili lomom svjetlosti od dielektričnih izotropnih medija. Ako je upadni kut svjetlosti na granici između dva dielektrika različit od nule, reflektirane i lomljene zrake su djelomično polarizirane. Stupanj polarizacije obje zrake ovisi o kutu upada zrake. Za svaki par prozirnih medija postoji upadni kut pri kojem reflektirana svjetlost postaje potpuno ravno polarizirana, a lomljena zraka ostaje djelomično polarizirana, ali je stupanj njezine polarizacije pod tim kutom maksimalan. Taj se kut naziva Brewsterov kut. Brewsterov kut se određuje iz uvjeta: tgφ Br =n 21 =n 2 /n 1

23. Prirodno i polarizirano svjetlo. Rotacija ravnine polarizacije.

Ravnina u kojoj oscilira vektor E naziva se ravnina titranja, a vektor H ravnina polarizacije.

Ako su oscilacije vektora E uređene na bilo koji način, svjetlost se naziva polarizirana. Ako je u jednoj ravni – plansko polariziran.

Ako vibracije E u jednoj ravnini prevladavaju nad ostalima, svjetlost je djelomično polarizirana.

U prirodnom svjetlu, vektor E nema asimetriju u odnosu na smjer širenja zrake.

Ravno polarizirano svjetlo dobiva se pomoću uređaja koji se nazivaju polarizatori.

Svjetlosni intenzitet polja polarizatora određuje se prema Malusovom zakonu: I=I o COS 2 α, gdje je I o intenzitet prije polarizatora, I poslije, α kut između E i ravnine polarizacije.

Stupanj polarizacije snopa je vrijednost jednaka: Δ=(I max -I min)/(I max +I min)

Za prirodno svjetlo Δ=0, za ravno polarizirano svjetlo Δ=1, za djelomično polarizirano svjetlo 0<Δ<1.

Ravno polarizirana svjetlost dobiva se refleksijom od sučelja između dva medija ako je upadni kut jednak Brewsterovom kutu: tanα br =n 21 =n 2 /n 1

Kada svjetlost prolazi kroz optički aktivnu tvar, vektor E rotira. Taj se fenomen naziva rotacija ravnine polarizacije.

Kut zakreta ravnine polarizacije za kristale i čiste tekućine: ϕ=αd; za rješenja: ϕ=[α]cd, gdje je d prijeđeni put svjetlosti u optički aktivnoj tvari, a ([a]) je tzv. specifična rotacija, numerički jednaka kutu rotacije ravnine polarizacije svjetlosti slojem optički aktivne tvari jedinične debljine (jedinica koncentracije - za otopine), C - masena koncentracija optički aktivne tvari u otopini, kg/m3. Specifična rotacija ovisi o prirodi tvari, temperaturi i valnoj duljini svjetlosti u vakuumu.

Fenomen rotacije ravnine polarizacije može se objasniti pomoću dvije Fresnelove pretpostavke:

Bilo koji ravni polarizirani val može se predstaviti kao 2 vala polarizirana u krugu s desnom i lijevom rotacijom

Brzine rotacije u optički aktivnoj tvari su različite.