Реферат Поляризація світла

ВСТУП.

Навколишній світ за своєю природою є матеріальним. Фізика – це наука, яка вивчає найзагальніші форми руху матерії ( механічні, теплові, електромагнітні та інші) та їх взаємні перетворення. Матерія може існувати в двох формах: у вигляді речовини та поля. До першої форми матерії належать, наприклад, електрони, протони, атоми, молекули та всі речовини, з яких вони побудовані. До другої – електромагнітні, гравітаційні поля. Різні види матерії можуть переходити одна в одну. Наприклад, електрон і позітрон при взаємодії перетворюються в електромагнітне випромінювання у вигляді фотонів. Можливий і зворотний процес.

Більшість фактичних відомостей про природу і навколишні явища людина отримала за допомогою зорового сприйняття, створеного світлом. Розділ фізики, в якому вивчають світлові явища, називається оптика. Історія розвитку оптики підтверджує одне з основних положень діалектики – закон єдності та боротьби протилежностей.

Світло за своєю природою – явище електромагнітне, але воно одночасно проявляє хвильові ( в явищах інтерференції, дифракції, поляризації, дисперсії) і квантові властивості (в явищах фотоефекту, люмінесценції і т.і.). Із зменшенням довжини хвилі (збільшенням частоти) дедалі чіткіше проявляються квантові властивості світла.

З точки зору сучасних теорій неправильно було б протиставляти хвильові та квантові властивості світла. Навпаки, їх можна порівнювати і поєднувати на основі теорії відносності та сучасних положень квантової фізики. З позицій сучасної фізики немає розбіжностей між квантовими і хвильовими уявленнями про світло – це різні властивості одного явища, і в цьому полягає діалектична єдність матерії.

Явища, в яких світло найбільше виявляє свої хвильові властивості, розглядає хвильова оптика.

1. Природне та поляризоване світло.

Відомо, що світлі хвилі поперечні: вектори напруженостей електричного Е та магнітного H полів взаємно перпендикулярні і коливаються в площині, яка перпендикулярна до вектора швидкості Ư поширення хвилі (тобто до напрямку поширення хвилі). Для описання стану поляризації світлового пучка необхідно мати уявлення про поведінку лише одного з векторів. Говорячи про напрямок світлових коливань, матимемо на увазі напрямок коливань світлового вектора – вектора напруженості Е електричного поля (ця назва обумовлена тим, що при дії світла на речовину основне значення має електрична складова хвилі, яка діє на електрони в атомах речовини). Площина, в якій відбуваються коливання вектора Е, називається площиною поляризації.

Звичайні джерела світла є сукупністю дуже великої кількості швидко висвітлюючи (за 10-7 .10-8 с) елементарних джерел (атомів або молекул), які випромінюють світло незалежно один від одного, з різними фазами та орієнтацією векторів Е і H, внаслідок чого в результуючій хвилі орієнтація векторів Е і H хаотично змінюється з часом. Тому в площині, перпендикулярній до напрямку поширення світла, всі напрямки Е є рівно імовірними (рис.17,а). Світло з найрізноманітнішими рівно імовірними орієнтаціями вектора Е називається природним або неполяризованим.

Поляризація світла

Світло, в якому напрямки коливань якимсь чином впорядковані, називається поляризованим.

Поляризація світла – це така його властивість, яка характеризується просторово-часовою впорядкованістю орієнтації векторів напруженостей електричного та магнітного полів. Під терміном “поляризація світла” розуміють також процес отримання поляризованого світла.

Світло, в якому вектор Е коливається в певній площині, називається плоскополяризованим або лінійно поляризованим(рис.17,б).

Найбільш загальним типом поляризації є еліптична поляризація. В еліптично поляризованій світловій хвилі кінець вектора Е (в певній точці простору) описує деякий еліпс. Лінійно поляризоване світло можна розглядати як один з випадків еліптично поляризованого світла, коли еліпс перетворюється у відрізок прямої лінії., другим випадком є поляризація по колу, коли еліпс перетворюється на коло.

Природне світло можна перетворити в плоскополяризоване за допомогою поляризаторів, пристроїв, які пропускають коливання тільки визначеного напрямку (наприклад, пропускають коливання , паралельні площині поляризатора, і повністю затримують коливання, перпендикулярні до цієї площини). Як поляризатор можна використовувати середовища, анізотропні по відношенню до коливань вектора Е, наприклад, кристал турмаліну.

Розглянемо класичні досліди з турмаліном (рис.18). Спрямуємо природне світло перпендикулярно до пластини турмаліну Т1, яка була вирізана паралельно осі ОО´ (напрямок у кристалі, відносно якого атоми кристалічної решітки розташовані симетрично).Обертаючи кристал Т1 навколо напрямку променя, ніяких змін інтенсивності світла після проходження крізь турмалін не спостерігаємо.

Поляризація світла

Рис.18

Якщо на шляху променя поставити другу пластину турмаліну Т2 і обертати її навколо напрямку променя, то інтенсивність світла після проходження пластини змінюється в залежності від кута α між оптичними осями кристалів за законом Малюса:

І = І0 cos2α , (34)

де І0 і І – відповідно інтенсивності світла, падаючого на другий кристал, і після його проходження. Отже, як видно з рис.19, амплітуда Е світлових коливань після проходження крізь Т2 буде менша від амплітуди світлових коливань Е0, що падають на Т2 : Е = Е0 сosα

Так як інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди, то і отримаємо вираз (34).

Результати дослідів з кристалами турмаліну пояснюються досить просто, якщо виходити з викладених умов пропускання світла поляризатором. Перша пластина турмаліну пропускає коливання тільки означеного напрямку (на рис.18 він показаний стрілкою АВ), тобто перетворює природне світло у плоскополяризоване. Друга пластина турмаліну в залежності від її орієнтації пропускає більшу або меншу частину поляризованого світла, яка відповідає компоненту Е, паралельному осі другого турмаліну. На рис.18 обидві пластини розташовані так, що напрямки коливань АВ і А΄В΄, які вони пропускають, перпендикулярні один до одного. В даному випадку Т1 пропускає коливання, напрямлені вздовж АВ, а Т2 їх повністю гасить, тобто за другу пластину турмаліну світло не проходить.

Поляризація світла

Пластина Т1, що перетворює природне світло у плоскополяризоване, є поляризатором. Пластина Т2 призначена для аналізу ступеня поляризації світла, називається аналізатором. Обидві пластини зовсім однакові (їх можна поміняти місцями).

Отже, закон Малюса (див. вираз (34)) : Інтенсивність І лінійно поляризованого світла після проходження через аналізатор дорівнює добутку інтенсивності І0 падаючого на аналізатор світла і квадрату косинуса кута α, що утворюється між площинами поляризації поляризатора і аналізатора.

2. Поляризація світла при відбиванні та заломленні світла

на межі поділу двох діелектриків.

Якщо природне світло падає на межу поділу двох діелектриків (наприклад, повітря і скло), то частина його відбивається, а частина заломлюється в другому середовищі. Якщо на шляху відбитого і заломленого променів поставити аналізатор (наприклад, турмалін), то можна виявити, що відбитий і заломлений промені частково поляризовані: при обертанні аналізатора навколо променів інтенсивність світла періодично підсилюється і слабне (повного гасіння не спостерігають). Подальші дослідження показали, що у відбитому промені переважають коливання, які перпендикулярні до площини падіння (на рис.20 вони позначені крапками), а у заломленому промені – коливання, паралельні площині падіння (на рис.20 вони позначені стрілками).

Ступінь поляризації (виділення світлових хвиль з означеною орієнтацією електричного і магнітного векторів) залежить від кута падіння променів і показників заломлення речовин. Шотландський фізик Д Брюстер (1781-1868р.р.) встановив закон, згідно з яким прикуті падіння ίВ (кут Брюстера), що визначається співвідношенням:

tg ίB = n21 (35)

(n21 – показник заломлення другого середовища відносно першого), відбитий промінь буде плоскополяризованим (тобто буде мати тільки коливання , перпендикулярні до площини падіння). Заломлене світло при куті падіння ίВ поляризується максимально, але не повністю.

Поляризація світла

Рис.20

Якщо світло падає на межу розподілу під кутом Брюстера, то напрями поширення відбитої і заломленої хвиль взаємно перпендикулярні

(tg ίB = sin ίB/cos ίB, n21 = sin ίB/sin ί2, де ί2 – кут заломлення, звідки cos ίB= sin ί2 . Отже, ίB + ί2 = π/2, але ίB = ί΄B (закон відбиття), тому ί΄B+ ί2 = π/2).

Ступінь поляризації заломленого світла може бути значно більшим завдяки багаторазовим заломленням при умові падіння світла кожен раз на межу розподілу під кутом Брюстера. Якщо, наприклад, для скла ( n = 1,53) ступінь поляризації заломленого променя ≈ 15%, то після заломлення на 8 – 10 однакових скляних пластинках, розміщених одна за одною, світло, яке виходить з такої системи , буде практично повністю поляризоване. Така сукупність пластинок називається стопою. Стопа дає можливість проаналізувати світло як при відбитті, так і при заломленні.

3. Подвійне заломлення променів.

Всі прозорі кристали (крім кристалів кубічної системи, які оптично ізотропні) здатні до подвійного заломлення променів, тобто промінь світла, що падає на поверхню кристала , роздвоюється в ньому на два заломлені промені, які в загальному випадку мають різні напрями. Це явище, вперше виявлене датським вченим Е.Бартоліном (1625-1698р.р.) для ісландського шпату (різновидність кальциту CaCO3), пояснюється особливостями розповсюдження світла в анізотропних середовищах.

Якщо на товстий кристал ісландського шпату падає вузький пучок світла, то з кристалу вийдуть два просторово розділені промені, паралельні один одному і падаючому променю. І в тому випадку, коли первинний пучок падає на кристал нормально, заломлений пучок розподіляється на два, причому один з них є продовженням первинного, а другий відхиляється (рис.21).

Поляризація світла

Рис.21

Перший промінь називається звичайним (0), а другий – незвичайним (е).

У кристалі ісландського шпату існує єдиний напрямок, уздовж якого подвійного заломлення променів не спостерігається. Напрям у кристалі, вздовж якого промінь розповсюджується, не виявляючи подвійного заломлення променів, називається оптичною віссю кристала. Це напрям, а не пряма лінія, що проходить крізь будь-яку точку кристалу. Кожна пряма, яка проходить паралельно даному напрямку, є оптичною віссю кристала.

Площина, яка проходить через промінь і оптичну вісь кристалу, що перетинає промінь, називається головною площиною, або головним перерізом кристалу. Аналіз світла (наприклад, за допомогою турмаліну або скляного дзеркала) показує, що після проходження кристала промені стають плоскополяризованими у взаємно перпендикулярних площинах: коливання світлового вектора (вектора напруженості Е електричного поля) у звичайному промені проходять перпендикулярно до головної площини, а в незвичайному – в головній площині (рис.21). Неоднакове заломлення звичайного і незвичайного променів вказує на різницю їх показників заломлення. Очевидно, що для будь-якого напрямку звичайного променя коливання світлового вектора перпендикулярні до оптичної осі кристалу, тому звичайний промінь розповсюджується по всіх напрямках з однаковою швидкістю, отже , показник заломлення n0 для нього є сталою величиною. Незвичайний промінь має між напрямком коливань світлового вектора і оптичною віссю кут, відмінний від прямого, який залежить від напрямку променя, тому незвичайні промені розповсюджуються в різних напрямках з різними швидкостями. Отже, показник заломлення ne незвичайного променя є змінною величиною, яка залежить від напряму променя. Таким чином, звичайний промінь підпорядковується закону заломлення (звідси і назва – “звичайний”), а для незвичайного променя цей закон не виконується. Після проходження кристала, якщо не брати до уваги поляризацію у взаємно перпендикулярних площинах, ці два промені не відрізняються один від одного.

4.Поляризаційні призми та поляроїди.

В основа роботи поляризаційних пристроїв, які використовують для отримання поляризованого світла, лежить явище подвійного заломлення променів. Найчастіше для цього застосовують призми та поляроїди.

Поляризаційні призми побудовані за принципом повного відбиття одного з променів (наприклад, звичайного) від межі розподілу, в той час як другий промінь, з іншим показником заломлення , проходить крізь цю межу. Як приклад поляризатора, в якому використовується явище подвійного заломлення променів, розглянемо призму шотландського вченого В.Ніколя (1768-1861 р.р.), яку ще називають нікелем. Призма Ніколя – це подвійна призма з ісландського шпату, склеєна вздовж лінії АВ (рис.22) канадським бальзамом з n = 1,55 для світла з λ = 5,89 10-7м. Оптична вісь 00΄ призми утворює з вхідною гранню кут 48о На передній грані призми природний промінь, паралельний ребру СВ, роздвоюється на два промені: звичайний (nо = 1,658) та незвичайний (nе = 1,515).

Рис.22

Поляризація світлаПри відповідному підборі кута падіння , що дорівнює граничному куту або більший за нього, звичайний промінь зазнає повного внутрішнього відбиття (канадський бальзам для нього є середовищем оптично меншої густини), а потім поглинається в оправі призми бічною поверхнею СВ. Незвичайний промінь вільно проходить крізь шар канадського бальзаму і після заломлення на задній грані СД виходить з призми паралельно падаючому променю.

Виявлено, що всі двозаломлюючі кристали тією чи іншою мірою поглинають світло. Поглинання в кристалах анізотропне, оскільки коефіцієнт поглинання залежить від орієнтації електричного вектора світлової хвилі, тобто неоднаковий для звичайного і незвичайного променів, а також залежить від напрямку поширення світла в кристалі. Це явище називають дихроїзмом. Прикладом сильно дихроїчного природного кристала є турмалін, в якому коефіцієнт поглинання для звичайного променя в багато разів більший ніж для незвичайного. Пластинка турмаліну товщиною всього лише 1 мм практично повністю поглинає звичайний промінь, так що світло, яке проходить крізь неї, буде лінійно поляризованим. Коефіцієнт поглинання незвичайного променя в турмаліні великою мірою залежить від частоти світла. Тому при освітленні білим світлом пластинки турмаліну в світлі, що проходить будуть переважати хвилі, частоти яких відповідають жовто – зеленій області видимого світла.

Ще сильніше виявляють дихроїзм кристали герапатиту (сірчанокислого йод-хініну), які при товщині ≈ 0,1мм повністю поглинають звичайні промені видимої області спектра. Розміри кристалів герапатиту малі. Тому, щоб побудувати поляризатор з великою площею поверхні, застосовують целулоїдні плівки, в які введено велике число однаково орієнтованих кристаликів герапатиту. Такі плівки називають поляроїдами.

Перевага поляроїдів перед плавками - це можливість виготовити їх з площами поверхні до декількох квадратних метрів. Але ступінь поляризації світла в них сильно залежить від довжини хвилі (більше ніж в призмах). Поляроїди мають також меншу, ніж призми, прозорість(приблизно 30%) і невелику термостійкість, що не дозволяє використовувати їх при могутніх світлових потоках. Так, поляроїди застосовують для захисту водіїв від осліплюючої дії сонячних променів і фар зустрічного автотранспорту.

5.Штучна оптична анізотропія.

Подвійне заломлення променів має місце в природних анізотропних середовищах. Проте існують різні способи отримання штучної оптичної анізотропії, тобто надання її від природи ізотропним речовинам.

Оптично ізотропні речовини стають оптично анізотропними під дією:

1)одностороннього стискання або розтягу (кристали кубічної системи, скло, .); 2) електричного поля (ефект Керра, рідини, аморфні тіла, гази); 3) магнітного поля (рідини, скло, колоїди). У перелічених випадках речовина набуває властивостей одноосного кристала, оптична вісь якого збігається з напрямком деформації, або напрямками дії електричного чи магнітного полів.

Мірою оптичної анізотропії є різниця показників заломлення звичайного і незвичайного променів у напрямку, перпендикулярному до оптичної осі:

при дії деформації – (n0 – ne) = k1σ;

при дії електричного поля - (n0 – ne) = k2E2;

при дії магнітного поля - (n0 – ne) = k3H2., (36)

де k1, k2, k3 – сталі, які характеризують речовину, σ – нормальна напруга, Е і Н – відповідно напруженості електричного і магнітного полів.

На рис.23 зображена принципова схема для спостереження ефекта Керра у рідинах ( установки для вивчення розглянутих явищ подібні ).

Поляризація світла

A

Комірка Керра (кювета з рідиною, наприклад нітробензолом), в яку занурено обкладки плоского конденсатора, розміщена між схрещеними (α = 900 ) поляризатором Р та аналізатором А. При відсутності електричного поля світло не проходить крізь систему. Під дією однорідного електричного поля рідина поляризується і набирає властивостей одноосного двозаломлюючого кристала. При зміні різниці потенціалів між електродами змінюється ступінь анізотропії речовини, а звідси – і інтенсивність світла, яке проходить крізь аналізатор. На шляху l між звичайним і незвичайним променями виникає різниця ходу Δ = l (n0 - ne) = k2lE2 ( з урахуванням виразу (36))

і відповідно різниця фаз δ = 2πΔ/λ = 2πBlE 2, де B = k2/λ - стала Керра.

Ефект Керра - оптична анізотропія речовини під дією електричного поля – пояснюється різною поляризацією молекул рідини в різних напрямках. Це явище практично безінерційне, тобто перехід речовини з ізотропного стану в анізотропний при вмикання поля (і навпаки) не перевищує 10-10с. Тому комірка Керра широко використовується як швидкодіючий світловий затвор у швидкоплинних процесах (записування та відтворення звуку, швидкісна фото- і кінозйомка, визначення швидкості поширення світла і т.п.) .

Штучна оптична анізотропія під дією механічної деформації дозволяє вивчати напруги, що виникають в прозорих тілах. В даному випадку про ступінь деформації окремих ділянок (наприклад, залишкових внутрішніх напруг у склі при його загартуванні) роблять висновок по розподілу в об’єкті забарвлення. Оптичний метод вивчення на прозорих моделях розподілу внутрішніх напруг у різних непрозорих частинах машин і споруд широко застосовують у сучасній техніці. Для цього використовують моделі, виготовлені з прозорих матеріалів, а потім роблять відповідний перерахунок на конструкцію, яка проектується.

6. Обертання площини поляризації.

Деякі речовини (наприклад, з твердих тіл – кварц, цукор, кіновар, з рідин – водні розчини цукру, глюкози, скипидар, винна кислота), які називали оптично активними, мають властивість обертати площину поляризації.

Обертання площини поляризації можна спостерігати на такому досліді (рис.24).

Поляризація світла

A

Якщо між схрещеними поляризатором Р і аналізатором А, які дають темне поле зору, розмістити оптично активну речовину (наприклад, кювету з розчином цукру), то поле зору аналізатора просвітлюється. При обертанні аналізатора на деякий кут φ, можна знову отримати темне поле зору. Кут φ і є кутом, на який оптично активна речовина обертає площину поляризації світла, що проходить крізь поляризатор. Оскільки обертанням аналізатора можна отримати темне поле зору, то світло, що проходить крізь оптично активну речовину, можна вважати плоскополяризованим.

Досліди показують, що кут обертання площини поляризації для оптично активних кристалів і чистих рідин дорівнює φ = αd,

для оптично активних розчинів φ = [α]Cd, (37)

де α([α]) – так зване питоме обертання, яке чисельно дорівнює куту оберту площини поляризації світла шаром оптично активної речовини одиничної товщини (для розчинів – одиничної концентрації); С – об’ємно-вагова концентрація оптично активної речовини в розчині, кг/м3; d – товщина шару оптично активної речовини, який пройдений світлом.

Питоме обертання площини поляризації і ,зокрема, формула (37) лежить в основі дуже точного методу швидкого визначення концентрації розчинів оптично активних речовин, який називають поляриметрією. Для цього використовують установку, що показана на рис. 24. Вимірявши кут оберту площини поляризації φ та знаючи [α] з формули (37), можна визначити концентрацію розчиненої речовини.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т. Оптика – К.: Вища шк , 1995.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1989,т.3.

3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1989.

4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Наука, 1989, т.3.

5. Горбань І.С. Оптика. – К.: Вища шк , 1979.



Отзывы по реферату Поляризація світла:

олег: привет




Ознакомившись с рефератом Поляризація світла, Вы можете оставить отзыв о реферате:
Ваше имя:
Сообщение:
Код:



 
© 2008 Нет реферата - реферат Поляризація світла
Главная   Вузы   Преподаватели   Рефераты   Контакты