§1 Естественный и поляризованный свет

Испускание кванта света происходит в результате перехода электрона из возбужденного состояния в основное. Электромагнитная волна, испускаемая в результате этого перехода, является поперечной, то есть вектора и взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения. Колебания вектора происходят в одной плоскости. Свет, в котором вектор колеблется только в одном направлении, называется плоско поляризованным светом (или электромагнитной волной). Поляризованным называется свет, в котором направления колебания вектора упорядочены каким-либо образом.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волна независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, харак-теризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора . Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным . Свет, в котором имеется преимущественное направление колебаний вектора и незначительная амплитуда колебаний вектора в других направлениях, называется частично поляризованным . В плоско поляризованном свете плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью поляризации, плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний.

Вектор называют световым вектором потому, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Различает также эллиптически поляризованный свет : при распростра-нении электрически поляризованного света вектор описывает эллипс, и циркулярно поляризованный свет (частный случай эллиптически поляризованного света) - вектор описывает окружность (сравните со сложением взаимно перпендикулярных колебаний: возможны: прямая линия, эллипс и окружность).

Степенью поляризации называется величина

где I max и I min - максимальная и минимальная компоненты интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам вектора (то есть Е х и Е у - составляющие). Для плоско поляризованного света Е у = Е , Е х = 0, следовательно, Р = 1. Для естественного света Е у = Е х = Е и Р = 0. Для частично поляризованного света Е у = Е , Е х = (0...1)Еу , следовательно, 0 < Р < 1.

Если вектор в эллиптически поляризованном свете вращается при распространении света по часовой стрелке, то поляризация называется правой, против - левой. В эллиптически поляризованном свете колебания полностью упорядочены. К эллиптически поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо, так что Р=1 всегда.

§2 Анализ поляризованного света при отражении и преломлении.

Закон Брюстера. Закон Малюса

Наиболее просто поляризационный свет можно получить из естественного света при отражении световой волны от границы раздела двух диэлектриков.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлек-триков (например, воздух-стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

Закон Брюстера:

При угле падения, равном углу Брюстера і Б р: 1. отраженный от границы раздела двух диэлектриков луч будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения; 2. степень поляризации преломленного луча достигает максимального значения меньшего единицы; 3. преломленный луч будет поляризован частично в плоскости падения; 4. угол между отраженным и преломленным лучами будет равен 90°; 4. тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления

Закон Брюстера.

n 12 - показатель преломления второй среды относительно первой. Угол падения (отражения) - угол между падающим (отраженным) лучом и нормалью к поверхности. Плоскость падения - плоскость, проходящая через падающий луч и нормаль к поверхности.

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена многократным преломлением при условии падения света на границу раздела под углом Брюстера. Если для стекла (n = 1,53) степень поляризации преломленного луча составляет ≈15 %, то после преломления на 8-10 наложенных друг на друга стеклянных пластинках, вышедший свет будет практически полностью поляризован - стопа Столетова .

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов - анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин).

Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором.

Если на анализатор падает плоско поляризованный свет амплитудой Е 0 и интенсивности I 0 (), плоскость поляризации которого составляет угол φ с плоскостью анализатора, то падающее электромагнитное колебание можно разложить на два колебания; с амплитудами и , параллельное и перпендикулярное плоскости анализатора.

Сквозь анализатор пройдет составляющая параллельная плоскости анализатора, то есть составляющая , а перпендикулярная составлявшая будет задержана анализатором. Тогда интенсивность прошедшего через анализатор света будет равна ():

- закон Малюса

Закон Малюса : Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света I 0 и квадрату косинуса угла между плоскостью падающего света и плоскостью поляризатора.

Если на поляризатор падает естественный свет, то интенсивность вышедшего из поляризатора света I 0 равна половине I ест , и тогда из анализатора выйдет

§ 3 Двойное лучепреломление

Все кристаллы, кроме кристаллов кубической система — изотропных кристаллов, являются анизотропными, то есть свойства кристаллов зависят от направления. Явление двойного лучепреломления впервые было обнаружено Барталином в 1667 г. на кристалле исландского шпата (разновидность СаСО 3). Явление двойного лучепреломления заклю-чается в следующем: луч света, падающий на анизотропный кристалл, разделяется в нем на два луча: обыкновенный и необыкновенный, распространяющиеся с разными скоростями в различных направлениях.

Анизотропные кристаллы подразделяются на одноосные и двуосные.

У одноосных кристаллов имеются одно направление, называемое оптической осью, при распространении вдоль которого не происходит разделения на обыкновенный и необыкновенный лучи. Любая прямая параллельная направлению оптической оси будет также являться оптической осью. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристаллам.

Отличия между обыкновенными и необыкновенными лучами:

Различие скоростей U о и U е для всех направлений, кроме направ-ления оптической оси, обуславливает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах. У двуосных кристаллов имеется два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления.

Понятие обыкновенного и необыкновенного лучей имеет место пока эти лучи распространяются в кристалле, при выходе из кристалла эти понятия теряют смысл, то есть лучи отличаются только плоскостями поляризаций.

Природа двулучепреломления связана с тем, что обыкновенные и необыкновенные лучи имеют разные скорости, а так как , то для обыкновенного и необыкновенного лучей будут разные показатели преломления n 0 и n е , а так как то можно сказать, что перво-причиной двойного лучепреломления является анизотропия диэлектрич-еской проницаемости кристалла. Кристаллы, у которых V е < V 0 (n е > n 0 ) называются положительными, а у которых V е > V 0 (n е < n 0 )называются отрицательными.

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.

Теперь пришло время поговорить о том, в чем заключается сущность поляризации света .

В самом общем смысле правильнее говорить о поляризации волн. Поляризация света, как явление, представляет собой частный случай поляризации волны. Ведь свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне, воспринимаемом глазами человека.

Что такое поляризация света

Поляризация – это характеристика поперечных волн. Она описывает положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Если этой темы не было на лекциях в университете, то вы, вероятно, спросите: что это за колеблющаяся величина и какому направлению она перпендикулярна?

Как выглядит распространение света, если посмотреть на этот вопрос с точки зрения физики? Как, где и что колеблется, и куда при этом летит?

Свет – это электромагнитная волна, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля E и вектором напряженности магнитного поля Н . Кстати, интересные факты о природе света можно узнать из нашей статьи.

Согласно теории Максвелла , световые волны поперечны. Это значит, что векторы E и H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Поляризация наблюдается только на поперечных волнах.

Для описания поляризации света достаточно знать положение только одного из векторов. Обычно для этого рассматривается вектор E .

Если направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, свет называется поляризованным.

Возьмем свет на рисунке, который приведен выше. Он, безусловно, поляризован, так как вектор E колеблется в одной плоскости.

Если же вектор E колеблется в разных плоскостях с одинаковой вероятностью, то такой свет называется естественным.

Поляризация света по определению – это выделение из естественного света лучей с определенной ориентацией электрического вектора.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Откуда берется поляризованный свет?

Свет, который мы видим вокруг себя, чаще всего неполяризован. Свет от лампочек, солнечный свет – это свет, в котором вектор напряженности колеблется во всех возможных направлениях. Но если вам по роду деятельности приходится весь день смотреть в ЖК-монитор, знайте: вы видите поляризованный свет.

Чтобы наблюдать явление поляризации света, нужно пропустить естественный свет через анизотропную среду, которая называется поляризатором и «отсекает» ненужные направления колебаний, оставляя какое-то одно.

Анизотропная среда – среда, имеющая разные свойства в зависимости от направления внутри этой среды.

В качестве поляризаторов используются кристаллы. Один из природных кристаллов, часто и давно применяемых в опытах по изучению поляризации света - турмалин .

Еще один способ получения поляризованного света - отражение от диэлектрика. Когда свет падает на границу раздела двух сред, луч разделяется на отраженный и преломленный. При этом лучи являются частично поляризованными, а степень их поляризации зависит от угла падения.

Связь между углом падения и степенью поляризации света выражается законом Брюстера .

Когда свет падает на границу раздела под углом, тангенс которого равняется относительному показателю преломления двух сред, отраженный луч является линейно поляризованным, а преломленный луч поляризован частично с преобладанием колебаний, лежащих в плоскости падения луча.

Линейно поляризованный свет - свет, который поляризован так, что вектор E колеблется только в одной определенной плоскости.

Практическое применение явления поляризации света

Поляризация света – не просто явление, которое интересно изучать. Оно широко применяется на практике.

Пример, с которым знакомы почти все – 3D-кинематограф. Еще один пример – поляризационные очки, в которых не видно бликов солнца на воде, а свет фар встречных машин не слепит водителя. Поляризационные фильтры применяются в фототехнике, а поляризация волн используется для передачи сигналов между антеннами космических аппаратов.

Поляризация - не самое сложное для понимания природное явление. Хотя если копнуть глубоко и начать основательно разбираться с физическими законами, которым она подчиняется, могут возникнуть сложности.

Чтобы не терять время и преодолеть трудности максимально быстро, обратитесь за советом и помощью к нашим авторам . Мы поможем выполнить реферат, лабораторную работу, решить контрольные задания на тему "поляризация света".

До сих пор мы говорили о средах, показатель преломления которых различен для разных направлений поляризации падающего светового пучка. Большое значение для практических применений имеют и другие среды, у которых в зависимости от поляризации света меняется не только показатель преломления, но и коэффициент поглощения. Как и в случае двойного лучепреломления, легко понять, что поглощение может зависеть от направления вынужденных колебаний зарядов только в анизотропных средах. Первый, старый, ставший уже знаменитым пример - это турмалин, а другой - поляроид. Поляроид состоит из тонкого слоя маленьких кристаллов герапатита (соль йода и хинина), выстроенных своими осями параллельно друг другу. Эти кристаллы поглощают свет, когда колебания происходят в одном каком-то направлении, и почти не поглощают света, когда колебания совершаются в другом направлении.

Направим на поляроид пучок света, поляризованный под углом к его оси. Какая интенсивность будет у пучка, прошедшего через поляроид? Разложим наш пучок света на две компоненты: одну с поляризацией, перпендикулярной той, которая проходит без ослабления (она пропорциональна ), и вторую - продольную компоненту, пропорциональную . Через поляроид пройдет только часть, пропорциональная ; компонента, пропорциональная , поглотится. Амплитуда света, прошедшего через поляроид, меньше амплитуды падающего света и получается из нее умножением на . Интенсивность света пропорциональна квадрату . Таким образом, если падающий свет поляризован под углом к оси поляроида, пропускаемая поляризатором доля интенсивности составляет от полной. Доля интенсивности, поглощаемая в поляроиде, есть, разумеется, .

Интересный парадокс возникает в следующем опыте. Известно, что два поляроида с осями, расположенными перпендикулярно друг другу, не пропускают света. Но если между такими поляроидами поместить третий, ось которого направлена под углом к осям двух других, часть света пройдет через нашу систему. Как мы знаем, поляроид только поглощает свет, создать свет он не может. Тем не менее, поставив третий поляроид под углом , мы увеличиваем количество прошедшего света. Вы можете сами проанализировать это явление в качестве упражнения.

Одно из интереснейших поляризационных явлений, возникающее не в сложных кристаллах и всяких специальных материалах, а в простом и очень хорошо знакомом случае - это отражение от поверхности. Кажется невероятным, но при отражении от стекла свет может поляризоваться, и объяснить физически такой факт весьма просто. На опыте Брюстер показал, что отраженный от поверхности свет полностью поляризован, если отраженный и преломленный в среде лучи образуют прямой угол. Этот случаи показан на фиг. 33.4.

Фигура 33.4. Отражение линейно поляризованного света под углом Брюстера.

Направление поляризации дается пунктирными стрелками: круглые точки изображают поляризацию, перпендикулярную плоскости страницы.

Если падающий луч поляризован в плоскости падения, отраженного луча не будет совсем. Отраженный луч возникает только при условии, что падающий луч поляризован перпендикулярно плоскости падения. Причину этого явления легко понять. В отражающей среде свет поляризован перпендикулярно направлению движения луча, а мы знаем, что именно движение зарядов в отражающей среде генерирует исходящий из нее луч, который называют отраженным. Появление этого так называемого отраженного луча объясняется не просто тем, что падающий луч отражается; мы теперь уже знаем, что падающий луч возбуждает движение зарядов в среде, а оно в свою очередь генерирует отраженный луч.

Из фиг. 33.4 ясно, что только колебания, перпендикулярные плоскости страницы, дают излучение в направлении отраженного луча, а следовательно, отраженный луч поляризован перпендикулярно плоскости падения. Если же падающий луч поляризован в плоскости падения, отраженного луча не будет совсем.

Это явление легко продемонстрировать при отражении линейно поляризованного луча от плоской стеклянной пластинки. Поворачивая пластинку под разными углами к направлению падающего поляризованного луча, можно заметить резкий спад интенсивности при значении угла, равном углу Брюстера. Это падение интенсивности наблюдается только в том случае, когда плоскость поляризации совпадает с плоскостью падения. Если же плоскость поляризации перпендикулярна плоскости паления, заметного спада интенсивности отраженного света не наблюдается.

Сегодня раскроем сущность волновой природы света и связанное с этим фактом явление «степень поляризации».

Способность видеть и свет

Природа света и связанная с ней способность видеть волновала человеческие умы давно. Древние греки, пытаясь объяснить зрение, предполагали: либо глаз испускает некие «лучи», которые «ощупывают» окружающие предметы и тем самым сообщают человеку их вид и форму, либо сами вещи излучают нечто, что улавливают люди и судят о том, как все устроено. Теории оказались далеки от истины: живые существа видят благодаря отраженному свету. От осознания этого факта до умения вычислить, чему степень поляризации равна, оставался один шаг - понять, что свет является волной.

Свет - это волна

При более детальном изучении света выяснилось: при отсутствии помех он распространяется по прямой линии и никуда не сворачивает. Если на пути луча встает непрозрачное препятствие, то образуются тени, а куда уходит сам свет, людей не интересовало. Но стоило излучению столкнуться с прозрачной средой, происходили удивительные вещи: луч менял направление распространения и тускнел. В 1678 году Х. Гюйгенс предположил, что это можно объяснить единственным фактом: свет - это волна. Ученый сформировал принцип Гюйгенса, который чуть позже был дополнен Френелем. Благодаря чему сегодня люди знают, как определить степень поляризации.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Согласно этому принципу, любая точка среды, до которой дошел фронт волны, является вторичным источником когерентного излучения, а огибающая всех фронтов этих точек выступает в качестве фронта волны в следующий момент времени. Таким образом, если свет распространяется без помех, в каждый следующий момент фронт волны будет таким же, как и в предыдущий. Но стоит лучу встретить препятствие, как вступает в силу другой фактор: в непохожих средах свет распространяется с разными скоростями. Таким образом, тот фотон, который успел добраться до другой среды первым, распространится в ней быстрее, чем последний фотон из луча. Следовательно, фронт волны наклонится. Степень поляризации здесь пока что ни при чем, но понимать это явление в полной мере просто необходимо.

Время процессов

Стоит отдельно сказать, что все эти изменения происходят невероятно быстро. Скорость света в вакууме составляет триста тысяч километров в секунду. Любая среда замедляет свет, но не намного. Время, за которое фронт волны исказится при переходе из одной среды в другую (например, из воздуха в воду), чрезвычайно мало. Человеческий глаз не может этого заметить, да и мало какой прибор способен зафиксировать столь короткие процессы. Так что понимать явление стоит чисто теоретически. Теперь, в полной мере осознавая, что такое излучение, читатель захочет понять, как найти степень поляризации света? Не будем обманывать его ожиданий.

Поляризация света

Выше мы уже упоминали, что в разных средах фотоны света имеют различную скорость. Так как свет - это поперечная электромагнитная волна (не является сгущением и разрежением среды), то у нее есть две основные характеристики:

• волновой вектор;
• амплитуда (также

Первая характеристика указывает, куда направляется луч света, при этом возникает вектор поляризации, то есть в какую сторону направлен вектор напряженности электрического поля. Это дает возможность вращения вокруг волнового вектора. Естественный свет, например, излучаемый Солнцем, не имеет поляризации. Колебания распространены во все стороны с равной вероятностью, не существует какого-либо избранного направления или фигуры, вдоль которой колеблется конец волнового вектора.

Виды поляризованного света

Прежде чем научиться вычислять формулу степени поляризации и производить расчеты, стоит понять, какие бывают виды поляризованного света.

1. Эллиптическая поляризация. Конец волнового вектора такого света описывает эллипс.
2. Линейная поляризация. Это частный случай первого варианта. Как понятно из названия, картина при этом - одно направление.
3. Круговая поляризация. По-другому она еще называется циркулярной.

Любой естественный свет можно представить как сумму двух взаимно перпендикулярно поляризованных элементов. При этом стоит помнить, что две перпендикулярно поляризованные волны не взаимодействуют. Их интерференция невозможна, так как с точки зрения взаимодействия амплитуд они как бы не существуют друг для друга. Когда они встречаются, то просто проходят дальше, не изменяясь.

Частично поляризованный свет

Применение эффекта поляризации огромно. Направив на объект естественный свет, а получив частично поляризованный, ученые могут судить о свойствах поверхности. Но как определить степень поляризации частично поляризованного света?

Существует формула Н.А. Умова:

P=(I пер -I пар)/(I пер +I пар), где I пер - это интенсивность света в направлении, перпендикулярном плоскости поляризатора или отражающей поверхности, а I пар - параллельном. Величина Р может принимать значения от 0 (для естественного света, лишенного какой-либо поляризации) до 1 (для плоско поляризованного излучения).

Может ли естественный свет быть поляризованным?

Вопрос на первый взгляд странный. Ведь излучение, в котором нет каких-либо выделенных направлений, принято называть естественным. Однако для обитателей поверхности Земли это в некотором смысле приближение. Солнце дает поток электромагнитных волн различных длин. Это излучение не поляризовано. Но проходя сквозь толстый слой атмосферы, излучение приобретает незначительную поляризацию. Так что степень поляризации естественного света в целом не равна нулю. Но величина настолько мала, что ею часто пренебрегают. Учитывается она только в случае точных астрономических вычислений, где малейшая погрешность может прибавить звезде лет или расстояния до нашей системы.

Почему свет поляризуется?

Выше мы часто говорили, что в непохожих средах фотоны ведут себя по-разному. Но не упомянули почему. Ответ зависит от того, о какой именно среде мы говорим, другими словами, в каком агрегатном состоянии она находится.

1. Среда - кристаллическое тело со строго периодическим строением. Обычно структуру такого вещества представляют как решетку с неподвижными шариками - ионами. Но в целом это не совсем точно. Такое приближение часто бывает оправдано, но не в случае взаимодействия кристалла и электромагнитного излучения. На самом деле каждый ион колеблется около своего положения равновесия, причем не хаотически, а в соответствии с тем, какие у него соседи, на каких расстояниях находятся и сколько их. Так как все эти колебания строго запрограммированы жесткой средой, то и излучить поглощенный фотон этот ион способен только строго определенной формы. Этот факт порождает другой: какова будет поляризация выходящего фотона, зависит от направления, в котором он вошел в кристалл. Это называется анизотропией свойств.
2. Среда - жидкость. Здесь ответ сложнее, так как действуют два фактора - сложность молекул и флуктуации (сгущения-разрежения) плотности. Само по себе сложные длинные органические молекулы имеют определенное строение. Даже простейшие молекулы серной кислоты представляют собой не хаотический шарообразный сгусток, а вполне конкретную крестовидную форму. Другое дело, что все они в нормальных условиях располагаются хаотически. Однако второй фактор (флуктуация) способен создать такие условия, при которых небольшое количество молекул образуют в небольшом объеме нечто вроде временной структуры. При этом либо все молекулы будут сонаправлены, либо будут располагаться относительно друг друга под какими-то определенными углами. Если свет в это время пройдет сквозь такой участок жидкости, он приобретет частичную поляризацию. Отсюда следует вывод, что температура сильно влияет на поляризацию жидкости: чем выше температура, тем серьезнее турбулентность, и тем больше таких участков будет образовываться. Последний вывод существует благодаря теории самоорганизации.
3. Среда - газ. В случае однородного газа поляризация происходит за счет флуктуаций. Именно поэтому естественный свет Солнца, пройдя сквозь атмосферу, приобретает небольшую поляризацию. И именно поэтому цвет неба голубой: средний размер уплотненных элементов такой, что рассеивается электромагнитное излучение голубого и фиолетового цветов. Но если мы имеем дело со смесью газов, то вычислить степень поляризации намного сложнее. Эти проблемы часто решают астрономы, которые исследуют свет звезды, прошедшей сквозь плотное молекулярное облако газа. Поэтому так сложно и интересно изучать далекие галактики и скопления. Но астрономы справляются и дарят изумительные фотографии глубокого космоса людям.