Дисперсия и поляризация света

Дифракция и дисперсия света. Не путать!

Дисперсия и поляризация света

Дифракция и дисперсия — такие красивые и похожие слова, которые звучат как музыка для ушей физика! Как все уже догадались, сегодня мы говорим уже не о геометрической оптике, а о явлениях, обусловленных именно волновой природой света.

Дисперсия света

Итак, в чем заключается явление дисперсии света? В прошлой статье мы рассмотрели закон преломления света. Тогда мы не задумывались, а точнее — не вспоминали о том, что свет (электромагнитная волна) имеет определенную длину. Давайте вспомним:

Свет – электромагнитная волна. Видимый свет – это волны, имеющие длину в интервале от 380 до 770 нанометров.

Так вот, еще старина Ньютон заметил, что показатель преломления зависит от длины волны. Другими словами, красный свет, падая на поверхность и преломляясь, отклонится на другой угол, нежели желтый, зеленый и так далее. Эта зависимость и называется дисперсией.

Радуга — результат дисперсии

Пропуская белый свет через призму, можно получить спектр, состоящий из всех цветов радуги. Это явление напрямую объясняется дисперсией света. Раз показатель преломления зависит от длины волны, значит, он зависит и от частоты. Соответственно, скорость света для разных длин волн в веществе также будет различна

Дисперсия света – зависимость скорости света в веществе от частоты.

Где применяется дисперсия света? Да повсюду! Это не только красивое слово, но и красивое явление. Дисперсия света в быту, природе, технике и искусстве. Вот, например, дисперсия красуется на обложке альбома группы Pink Floyd.

Дисперсия и Пинк Флойд

Дифракция света

Перед дифракцией нужно сказать про ее «подругу» — интерференцию. Ведь интерференция и дифракция света — это явления, которые наблюдаются одновременно.

Интерференция света – это когда две когерентные световые волны при наложении усиливают друг друга или наоборот ослабляют.

Волны является когерентными, если разность их фаз постоянна во времени, а при сложении получается волна той же частоты. Будет результирующая волна усилена (интерференционный максимум) или наоборот ослаблена (интерференционный минимум) — зависит от разности фаз колебаний. Максимумы и минимумы при интерференции чередуются, образуя интерференционную картину.

Интерференция волн

Дифракция света – еще одно проявления волновых свойств. Казалось бы, луч света всегда должен распространяться по прямой. Но нет! Встречая препятствие, свет отклоняется от первоначального направления как бы огибая преграду.

Какие условия необходимы для наблюдения дифракции света? Собственно, это явление наблюдается на предметах любых размеров, но на больших предметах его наблюдать трудно и почти невозможно. Лучше всего это удается сделать  на препятствиях, сопоставимых по размерам с длиной волны.

В случае со светом — это очень маленькие препятствия.

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления при прохождении вблизи преграды.

Дифракция проявляется не только для света, но и для других волн. Например, для звуковых. Или для волн на море.

Отличный пример дифракции – это то, как мы слышим песню группы Пинк Флойд из проезжающей мимо машины, когда сами стоим за углом.

Если бы звуковая волна распространялась прямо, она бы просто не достигла наших ушей, и мы бы стояли в полной тишине. Согласитесь, скучно. Зато с дифракцией гораздо веселее.

Дифракция в природе. Паутина работает, как дифракционная решетка

Для наблюдения явления дифракции используется специальный прибор – дифракционная решетка.

Дифракционная решетка представляет собой систему препятствий, которые по размеру сопоставимы с длиной волны.

Это специальные параллельные штрихи, выгравированные на поверхности металлической или стеклянной пластины. Расстояние между краями соседних щелей решетки называется периодом решетки или ее постоянной.

Что происходит со светом при прохождении дифракционной решетки? Попадая на решетку и встречая препятствие, световая волна проходит через систему прозрачных и непрозрачных областей, в результате чего разбивается на отдельные пучки когерентного света, которые после дифракции интерферируют друг с другом. Каждая длина волны отклоняется при этом на определенный угол, и происходит разложение света в спектр. В результате мы наблюдаем дифракцию света на решетке

Работа дифракционной решетки

Формула дифракционной решетки:

Здесь d – период решетки, фи – угол отклонения света после прохождения решетки, k – порядок дифракционного максимума, лямбда – длина волны.

Сегодня мы узнали, в чем чем заключается явления дифракции и дисперсии света. В курсе оптики очень сильно распространены задачи по теме интерференция, дисперсия и дифракция света. Авторы учебников очень любят подобные задачи.

Чего нельзя сказать о тех, кому приходится их решать. Если Вы хотите легко справиться с заданиями, разобраться в теме, а заодно и сэкономить время, обратитесь к нашим авторам.

Они помогут  Вам справиться с любой задачей!

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/difrakciya-i-dispersiya-ne-putat/

Глава 29. дисперсия и поляризация света

Дисперсия и поляризация света

Видимый свет

Свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз, т.е. вызывает зрительные ощущения. Наш глаз воспринимает из всего диапазона электромагнитных волн узкий участок, называемый видимым светом.

Свет представляет собой электромагнитные волны, длины которых лежат в пределах примерно от 380 до 780 нм (1 нм = = 10-9м). Электромагнитные волны несут с собой энергию. Чувствительность нашего глаза к свету с разными длинами волн не одинакова.

Наибольшее зрительное ощущение вызывают соответствующие желто-зеленому свету волны с длиной, равной 555 нм.

Электромагнитные волны с длиной, меньшей 400 нм и большей 760 нм, не вызывают зрительного ощущения — им соответствуют световые потоки, равные нулю. За красной границей видимого света лежит область инфракрасного излучения, простирающаяся примерно от 760 нм до 0,3 мм.

Инфракрасное излучение не вызывает зрительного ощущения, но оказывает тепловое действие. За фиолетовой границей видимого света в интервале примерно от 400 до 10 нм расположена область ультрафиолетового излучения. Оно оказывает сильное химическое и биологическое действие.

Ультрафиолетовые лучи могут убивать живые микроорганизмы и клетки, оказывают губительное действие на сетчатку глаза.

Дисперсия света

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света или зависимость фазовой скорости световых волн от его частоты. Дисперсия света представляется в виде зависимости

n = f(λ). (29.1)

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму.

Рассмотрим дисперсию света в призме (рис.29.1). Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом А и показателем преломления n под углом α1. После двухкратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол φ. Получено: Рис.29.1.

φ = А (n-1), (29.2)

т.е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы. Угол отклонения лучей призмой зависит от величины (n-1), а n- функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы окажутся отклоненными на разные углы, т.е. пучок белого света за призмой разлагается в спектр.

С помощью призмы, так же как и с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.

Величина D =dn/dλ, (29.3)

называемая дисперсией вещества, показывает, как быстро изменяется показатель преломления с длиной волны.

Показатель преломления для прозрачных веществ с уменьшением длины волны увеличивается; следовательно, величина dn/dλ по модулю также увеличивается с уменьшением λ. Такая дисперсия называется нормальной.

А вблизи линий и полос поглощения будет иным: n уменьшается с уменьшением λ. Такой ход зависимости n от λ называется аномальной дисперсией.

Из электромагнитной теории Максвелла следует, что абсолютный показатель преломления среды

n = , (29.4)

где ε – диэлектрическая проницаемость среды, μ – магнитная проницаемость. В оптической области спектра для всех веществ μ~1, поэтому n = . Выявляются некоторые противоречия с опытом: величина n, являясь переменной, остается в то же время определенной постоянной .

Значения n, получаемые из этого выражения, не согласуются с опытными данными. Трудности объяснения дисперсии света с точки зрения электромагнитной теории Максвелла устраняются электронной теорией Лоренца.

В электронной теории дисперсия света рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны.

Применим электронную теорию дисперсии света для однородного диэлектрика, предположив, что дисперсия света является следствием зависимости ε от частоты ω световых волн. Диэлектрическая проницаемость веществ по определению равна

ε =1+Р/( ε0Е), (29.5)

где ε0 – электрическая постоянная, Р— мгновенное значение поляризованности, Е-вектор напряженности. Тогда

n2 =1+Р/( ε0Е), (29.6)

т.е. зависит от Р. В данном случае основное значение имеет электронная поляризация, т.е. вынужденные колебания электронов под действием электрической составляющей поля волны.

В первом приближении можно считать, что вынужденные колебания совершают только внешние, наиболее слабо связанные с ядром электроны- оптические электроны.

Для простоты рассмотрим колебания только одного оптического электрона. Наведенный дипольный момент электрона, совершающего колебания, равен

р=ех, (29.7)

где е-заряд электрона, х— смещение электрона под действием электрического поля световой волны. Тогда мгновенное значение поляризованности

Р=ех n0, (29.8)

n0 – концентрация электронов. Получим

n2 =1+е х n0/( ε0Е). (29.9)

Следовательно, задача сводится к определению смещения х электрона под действием внешнего поля Е.

Уравнение вынужденных колебаний электрона (без учета силы сопротивления) запишется в виде

+ ω02x = (F0/m) соsωt = (еЕ0/m) соsωt, (29.10)

где F0 = еЕ0 –амплитудное значение силы, действующей на электрон со стороны поля волны, ω0 – собственная частота колебаний электрона, m –масса электрона.

Решив это уравнение найдем зависимость n2 = ε от констант атома и ω-частоты внешнего поля

Решение уравнения можно записать в виде:

х = А соsωt, (29.11)

где А = . (29.12)

Подставим в уравнение (29.10) вместо х уравнения (29.11) и (29.12). Получим

n2 = 1+ . (29.12)

Если в веществе имеются различные заряды ei, совершающие вынужденные колебания с различными собственными частотами ω0i, то

n2 = 1+ , (29.13)

где mi – масса i –го заряда.

29.3. Естественный и поляризованный свет

Следствием теории Максвелла, является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости V распространения волны.

Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов.

Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора — вектора напряженности Е электрического поля (это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества).

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное) направление колебаний вектора Е, то имеем дело с частично поляризованным светом.

Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоскополяризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.

Степенью поляризации называется величина

Р= , (29.14)

где Іmаx и Іmin — соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для естественного света Іmаx = Іmin и Р=0, для плоскополяризованного Іmin =0 и Р=1.

Степень поляризации степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора) зависит от угла падения лучей и показателя преломления.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления. В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например кристаллы. Из природных кристаллов — турмалин.

Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис.29.2). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т1, вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО'.

Вращая кристалл Т1 вокруг направления луча никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем.

Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т2 и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла a (рис.29.3) между оптическими осями кристаллов по закону Малюса:

Рис.29.3.

I = I0соs2 a , (29.15)

где I0 и I — соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него. Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при a=π/2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при a= 0 (оптические оси пластинок параллельны).

Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. это направление показано стрелкой АВ), т.е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

Вторая пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть. На рис. обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебаний АВ и А'В' перпендикулярны друг другу.

В данном случае Т1 пропускает колебания, направленные по АВ, а Т2 их полностью гасит, т. е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит.

Пластинка Т1, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т2, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде.

Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается).

Степень поляризации зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Д. Брюстер установил закон, согласно которому при угле падения (угол Брюстера), определяемого соотношением

tgiВ = n21, (29.16)

(п21 — относительный показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения) (рис.29.4). Преломленный же луч при угле падения поляризуется Рис.29.4.

максимально, но не полностью.

Источник: https://megaobuchalka.ru/5/26556.html

Дисперсия и поляризация света

Дисперсия и поляризация света

Дисперсия света в природе

Поляризация света в природе

Свет имеет особое значение для нас и окружающего нас мира. Исследование волн света и их свойств дают возможность углубиться в природу света и наблюдать явления, которые с ним связаны.

Немаловажную роль играют такие явления как поляризация света и дисперсия. Перед тем как приступить к изучению данных явлений, необходимо понять, что именно собой представляет свет.

Определение

С точки зрения физики, свет является совокупностью волн электромагнитного типа и различных значений длины и частоты.

Глаза человека способны воспринимать только те цвета, чья длина волн находится в диапазоне 380 — 760 нм. Прочие разновидности цветов наши глаза не способны увидеть. К таковым, как пример, относятся излучения инфракрасного и ультрафиолетового типа.

В своих работах Исаак Ньютон описывал свет как направленный поток мелких частиц. В дальнейшем физиками было доказано то, что по своей природе свет является волной.

Одновременно с этим версия Ньютона оказалась правильной в некоторых деталях.

Как выяснилось, свет обладает не только волновыми, но также и корпускулярными свойствами, чему ярким подтверждением может послужить такое известное явление, как фотоэффект. Следовательно, потоку света свойственна двойственная природа.

Доступный человеческому зрению белый цвет представляет собой сочетание конкретных волн, каждая из которых обладает собственной энергией фотонов и частотой. Таким образом, белый цвет может быть разложен на разноцветные монохроматические волны. Каждому конкретному цвету будет соответствовать определенный частотный диапазон, длина волн, а также фотонная энергия.

Энергия, которая излучается или поглощается веществом, распределяется с учетом вышеуказанных характеристик, чем и объясняется существование светового спектра в природе.

Дисперсия света в природе

Такое природное явление как переливание лучей на граненых изделиях из стекла оказывается возможным благодаря дисперсии.

Замечание

Под дисперсией подразумевается эффект отражения зависимости показателя преломления, вещества или среды от частоты волны света, которая проходит сквозь объект.

Рост показателя преломления происходит в случае увеличения частоты, либо уменьшения длины волн. Самым известным примером природной дисперсии является радуга, которая создается путем рассеивания лучей солнца при прохождении через множество каплей дождя.

Проходя через призму, поток света распадается на цветовой спектр, который довольно детально был рассмотрен еще Ньютоном. В результате выполненных им исследований в 1672 году была открыта дисперсия.

Стоит отметить, что научный интерес к световым характеристикам проявился еще несколько тысячелетий назад. Еще Аристотелем было обнаружено свойство светового потока — проявлять себя в разных оттенках. Древнегреческий философ указывал на зависимость характера цвета от присутствующего в белом свете «количества темноты». По сути, белый цвет является главным для лучей света.

Исаак Ньютон смог опроверг вышеупомянутую теорию. Он смог доказать, что структурно белый свет является составным, и в его формировании задействованы все цвета спектра света. Он ставил опыты, которые актуальны и в наше время. Как пример, сейчас проводятся такие эксперименты:

  • скрещивание призм;
  • применением зеркала и двух призм;
  • пропуск света через перфорированный экран и призмы.

Свет раскладывается на цветовой спектр из-за различной скорости прохождения волн (частота и длина) через вещество с прозрачными свойствами. Вследствие этого удалось выяснить, что некоторые волны способны выходят из призмы быстрее других. Такой способ помогает осуществить разложение потока света.

Благодаря последующим исследованиям были совершены новые открытия, так или иначе относящиеся к дисперсии. Как пример, французским ученым Леру было установлено нарушение в определенных средах зависимости, которые выражали явление дисперсии. Более тщательно данный вопрос был изучен Кундтом.

В качестве основы для своих исследований Кундт задействовал метод Ньютона с использованием пары скрещенных призм. Однако он внес в данный опыт небольшое изменение — она из призм была заменена на призматический сосуд, который содержал в себе раствор цианида.

Как в итоге оказалось, при прохождении света через призмы показатель преломления не уменьшается, как это демонстрировали опыты Ньютона, а наоборот, растет.

Физику удалось выяснить, что этот парадокс может быть объяснен поглощением света веществом.

В своем опыте он прибегнул к раствору цианида, который был задействован в качестве среды поглощения, а дисперсия для случаев такого типа была названа аномальной.

Сейчас физике данный термин используется крайне редко. В наше время нормальная и аномальная разновидности дисперсии рассматриваются как два явления с единой природой, которые относятся к одному учению.

Поляризация света в природе

Волны электромагнитного типа могут быть разложены на две поляризованные составляющие не как в теоретическом, так и в практическом смысле:

  • горизонтально поляризованные волны;
  • волны, вертикально поляризованные волны.

Также не исключены и другие варианты разложений (как пример, на пару составляющих с правой и левой поляризацией кругового типа).

Параллельно с этим попытка разложить волну линейно поляризованного типа с учетом круговых поляризаций станет причиной появления двух составляющих интенсивности половинного типа.

Замечание

Будучи тепловым излучением, солнечный свет не обладает поляризацией, но одновременно рассеянный небесный свет в природе обладает частичной линейной поляризацией, которая также изменяется в момент отражения.

Об оптических постоянных и разновидностях поверхностной структуры можно судить, отталкиваясь от изменений поляризации света при его отражении от поверхности.

Если поляризовать свет рассеянного типа, тогда, за счет использования поляризационного фильтра оказывается возможным ограничение прохождения потока света.

Интенсивность света, который проходит через соответствующие поляризаторы света, подчиняется закону Малюса. На аналогичном принципе основывается работа дисплеев жидкокристаллического типа.

Пример

Некоторые виды насекомых способны распознавать линейную поляризацию света, благодаря которой они превосходно ориентируются в пространстве, а некоторые даже способны различать свет с круговой поляризацией.

В начале девятнадцатого века французский физик Э. Малюс, прибегнув к куску исландского шпата, смотрел на окна парижского дворца, которые блистали вследствие попадания на них лучей солнца. Он обратил внимание на то, что при определенном положении кристалла можно видеть только одно изображение.

Основываясь на этом и ряде других опытов, а также отталкиваясь от положения из корпускулярной теории света, Малюс предположил, что беспорядочная ориентированность корпускулов в солнечном свете является изначальной. Параллельно с этим, при отражении от поверхности они получают конкретную ориентацию. Свет такого типа называют поляризованным.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/dispersiya-i-polyarizaciya-sveta/

Природа света

Определение 1

Свет с физической точки зрения – это совокупность электромагнитных волн и различных значений частоты и длины.

Человеческому глазу доступны для восприятия исключительно те цвета, длина волн которых будет колебаться в пределах 380 — 760 нм. Остальные цветовые разновидности остаются невидимыми для наших глаз. К таковым, например, можно отнести ультрафиолетовые и инфракрасные излучения.

И. Ньютон представил свет в качестве направленного потока мельчайших частиц. Позднее физики доказали, что по своей природе свет на самом деле – это есть волна. При этом версия Ньютона оказалась частично правильной.

Все дело – в обладании света не просто волновыми, но также и корпускулярными характеристиками, что подтверждается таким общеизвестным явлением, как фотоэффект. Таким образом, световой поток обладает двойственной природой.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Доступный зрению человека белый цвет представляет собой сочетание определенных волн, абсолютная любая из них характеризуется при этом собственной частотой и энергией фотонов.

Это позволяет разложить его на разноцветные волны, каждая из них будет называться монохроматической, а определенному цвету при этом будет соответствовать собственный диапазон частоты и длины волн, а также — энергии фотонов.

Таким образом, излучаемая веществом энергия (или поглощаемая им) распределяется согласно вышеуказанным характеристикам, что объясняет существование в природе светового спектра.

Дисперсия света в природе

Такое наблюдаемое нами в природе явление, как переливание лучей на граненых стеклянных изделиях происходит благодаря дисперсии света.

Замечание 1

Дисперсия представляет собой эффект отражения зависимости показателя преломления предмета (среды, вещества) от длины (частоты) световой волны, проходящей сквозь рассматриваемый предмет.

Рисунок 1. Дисперсия света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Показатель преломления растет с повышением частоты и уменьшением длины волн. Дисперсия нередко встречается в природе. Самым ярким и завораживающим ее проявлением считается радуга, создаваемая рассеянием солнечных лучей в момент их прохождения сквозь многочисленные дождевые капли.

Световой поток, проходя сквозь призму, разлагается на цветовой спектр, достаточно детально рассмотренный в свое время Ньютоном. Результатом проведенных им исследований стало открытие явления в физике — дисперсии (1672 г.)

Интересно, что интерес науки к свойствам света проявился еще до нашей эры. Знаменитый ученый Аристотель уже тогда обнаружил свойство света проявлять себя в различных оттенках. Так, он говорил о зависимости характера цвета от «количества темноты», которая присутствует в белом свете. При этом белый цвет может считаться основным для световых лучей.

Ньютон, в свою очередь, опроверг такую теорию, доказав, что белый свет является по своей структуре составным и формируется всеми цветами светового спектра (монохроматическими). Ученый ставил опыты, до сих пор применяемые в физике. К примеру, проводятся эксперименты:

  • со скрещенными призмами;
  • с применением двух призм и зеркала;
  • пропускания света через призмы и перфорированный экран.

Разложение света на цветовой спектр осуществляется посредством разной скорости прохождения волн (разной длины и частоты) через прозрачное вещество. Следствием этого становится тот факт, что одни волны выходят из призмы раньше, а другие — позднее. Таким способом осуществляется разложение светового потока.

Дальнейшие исследования ученых позволили сделать новые открытия на тему дисперсии. Так, француз Леру установил нарушение в некоторых средах (например, в парах йода) зависимости, выражающей явление дисперсии. За более детальное изучение этого вопроса взялся немецкий физик Кундт.

В своем исследовании он основывался на один из методов Ньютона (опыт с задействованием двух скрещенных призм). Разница заключалась только в том, что одну из них ученый заменил призматическим сосудом с раствором цианида.

Оказалось в итоге, что показатель преломления в момент прохождения света через такие призмы растет, а не уменьшается, как это демонстрируют эксперименты Ньютона с простыми призмами.

Физик выяснил, что данный парадокс объясняется таким явлением, как поглощение света веществом.

В его опыте в качестве поглощающей среды выступил раствор цианида, а дисперсия света для подобных случаев была названа аномальной.

В современной физике данный термин практически не используется. На сегодняшний день такие виды дисперсии как нормальная и аномальная рассматриваются в формате двух явлений, относящихся к одному учению и обладающих общей природой.

Рисунок 2. Явление дисперсии света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Поляризация света в природе

Электромагнитная волна может как в практическом, так и в теоретическом смысле быть разложена на две поляризованные составляющие:

  • поляризованные горизонтально волны;
  • волны, поляризованные вертикально.

При этом не исключаются и другие виды разложений (например, на две составляющие с правой и левой круговыми поляризациями).

При этом попытка разложить линейно поляризованную волну на основании круговых поляризаций спровоцирует появление двух составляющих половинной интенсивности.

Рисунок 3. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 2

Солнечный свет, являясь тепловым излучением, не имеет поляризации, но при этом рассеянный свет неба приобретает в природе частичную линейную поляризацию. Поляризация света изменяется также в момент отражения (на этом факте основывается использование в фотографии поляризующих фильтров). Излучение антенн обычно имеет линейную поляризацию.

Исходя из изменения поляризации света в условиях отражения от поверхности, можно судить о разновидности структуры поверхности и оптических постоянных.

Если поляризовать рассеянный свет, то, благодаря применению поляризационного фильтра, можно ограничивать прохождение светового потока. Интенсивность прошедшего через поляризаторы света контролируется законом Малюса.

На подобном принципе основана работа жидкокристаллических экранов.

Пример 1

Некоторые насекомые (в частности, пчелы) обладают способностью различать линейную поляризацию света, что позволяет им прекрасно ориентироваться в пространстве. Также некоторые животные (например, рак-богомол) различают свет с круговой поляризацией.

В 1808 году французский ученый-физик Э. Малюс, при взгляде через кусок исландского шпата на блестевшие от лучей заходящего солнца окна Люксембургского дворца (в Париже), заметил такой факт: при определенном положении кристалла, заметным становится только одно изображение.

Основываясь на этот и некоторые другие опыты, и опираясь на положения из корпускулярной теории света Ньютона, физик предположил изначально беспорядочную ориентированность корпускулов в солнечном свете. При этом, при отражении от поверхности (прохождении через анизотропный кристалл) они получают определенную ориентацию. Такой упорядоченный свет был назван поляризованным.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskaya_optika/dispersiya_i_polyarizaciya_sveta/

Что такое дисперсия света – открытие Ньютона, что нужно знать

Дисперсия и поляризация света

Пока ученые не объяснили видимые природные явления, когда все цвета выстраиваются в определенном порядке или мигрируют один в другой (радуга, северное сияние), людям казалось это чем-то волшебным. Сейчас мы понимаем, что это происходит из-за преломления солнечного потока. Но давайте разберемся в этом явлении чуть глубже.  Что представляет собой дисперсия света?

Определение дисперсии света

Солнце проходит через прозрачные или условно прозрачные вещества, такие как вода, стекло, хрусталь. При этом белый луч, который мы считаем бесцветным, раскладывается на составляющие его радужные цвета.

Это происходит из-за того, что волны, попадая из одного вещества в другое, частично или полностью меняют свое направление. Такое изменение направления называется преломлением.

Но почему поток из белого, превращается в разноцветный? Это объясняется тем, что он не монохромный, а как раз содержит в себе весь цветовой ряд. Когда диапазоны всех цветов сливаются, мы видим белое излучение. При этом каждый цвет имеет разную длину волны. И в зависимости от нее по-своему меняет угол преломления.

Например, для зеленого диапазона угол отклонения будет больше, чем для оранжевого, а для синего больше, чем для зеленого. При этом скорость распространения изменяется при прохождении через другую среду, а вот частота остается прежней.

Объяснив эти наблюдения, можно дать определение такому понятию, как разложение белого света на составляющие.

Дисперсия — это зависимость показателя преломления от длины волны, или зависимость скорости света в веществе от длины волны. Это определение можно представить в виде формулы:  n = f(v) или n = f(v), где

n — показатель приломления, λ — длина, а ν — частота.

Где встречается в природе

Разложение волнового потока в природе мы наблюдаем часто, но порой даже не догадываемся, что это дисперсия.

  • Солнце на заходе, окрашивает все в красный или оранжевый цвет. Это происходит из-за разложения освещения в среде газа, который составляет нашу атмосферу.
  • На дне аквариума или водоема с достаточно прозрачной водой мы можем видеть радужные блики. Это солнечный диапазон, преломленный в воде, раскладывается на цветовой спектр.
  • Бриллианты, огранённый хрусталь, фиониты переливаются всеми гранями при ярком освещении.

Первые шаги на пути к открытию дисперсии

Еще задолго до того, как явление разложение спектра было описано и объяснено с точки зрения современной физики и представлений о волновой природе облучения, люди наблюдали и пытались понять суть этого явления.

Древнегреческий ученый Аристотель еще в 3 веке до н.э. активно изучал и пытался дать объяснение некоторым свойствам светового потока. Он наблюдал дисперсию света в природе и даже пытался экспериментально выяснить, как устроено солнечное излучение.

Так он выяснил, что солнечные лучи могут иметь разный цвет. И попытался описать суть этого явления. Ученый объяснил это тем, что разный оттенок свет приобретает из-за разного «количества темноты» в нем. Если темноты много, тогда освещение становится фиолетовым, если мало, то красным.

Уже тогда ученый сделал предположение, что белый спектр является основным и состоит из множества оттенков.

Открытие Ньютона

Конечно, первым, кто экспериментально доказал и описал зависимость преломления светового потока от длины волны, был Исаак Ньютон. С 1666 года он активно занимался изучением явления преобразования бесцветного диапазона.

В солнечный день ученый затемнил комнату и оставил только небольшой просвет в окне, через который проходила тонкая полоска солнца. Ньютон поставил треугольную хрустальную призму, чтобы на нее попадал луч. Пройдя через прозрачный хрусталь, белый свет превратился в ряд разноцветных полос.

Цвета были расположены строго по порядку от красного до фиолетового. Ученый выделил семь полос разного оттенка и назвал этот ряд спектром (от латинского видимый).

Сегодня для опытного наблюдения разложения диапазона применяют дифракционные решетки. Это стеклянные пластины с нанесенными бороздками и тонкими отверстиями. С помощью них можно наблюдать разложение не только цветового спектра, но и расщепление самого луча.

Советуем посмотреть видео:

Аномальная дисперсия

Нормальная дисперсия характеризуется тем, что чем выше частота излучения, тем больше угол преломления.

Аномальная же — это разновидность обычного расщипления видимого диапазона, когда при распространении света в веществе показатель преломления уменьшается с увеличением частоты светового потока. То есть обратная зависимость.

На практике отличия между двумя видами явлений можно увидеть в парах некоторых газов. При разложении луча красные волны преломляются больше чем синие, а некоторый диапазон поглощается веществом.

Источник: https://LampaSveta.com/teoriya/dispersiya-sveta

Глава 29. Дисперсия и поляризация света

Дисперсия и поляризация света

Свет– это излучение,способное вызывать ощущение яркостипри воздействии на человеческий глаз,т.е. вызывает зрительные ощущения. Нашглаз воспринимает из всего диапазонаэлектромагнитных волн узкий участок,называемый видимымсветом.

Свет представляет собой электромагнитныеволны, длины которых лежат в пределах примерно от 380 до 780 нм (1 нм = = 10-9м).Электромагнитные волны несут с собойэнергию. Чувствительность нашего глазак свету с разными длинами волн неодинакова.

Наибольшее зрительноеощущение вызывают соответствующиежелто-зеленому свету волны с длиной,равной 555 нм.

Электромагнитныеволны с длиной, меньшей 400 нм и большей760 нм, не вызывают зрительного ощущения— им соответствуют световые потоки,равные нулю. За красной границей видимогосвета лежит область инфракрасногоизлучения,простирающаяся примерно от 760 нм до 0,3мм.

Инфракрасное излучение не вызываетзрительного ощущения, но оказываеттепловое действие. За фиолетовой границейвидимого света в интервале примерно от400 до 10 нм расположена областьультрафиолетовогоизлучения.Онооказывает сильное химическое ибиологическое действие.

Ультрафиолетовыелучи могут убивать живые микроорганизмыи клетки, оказывают губительное действиена сетчатку глаза.

29.2. Дисперсия света

Дисперсиейсветаназывается зависимость показателяпреломления вещества от частоты (длиныволны) света или зависимость фазовойскорости световых волн от его частоты.Дисперсия света представляется в видезависимости

n= f(λ). (29.1)

Следствиемдисперсииявляется разложение в спектр пучкабелого света при прохождении его черезпризму.

Рассмотримдисперсию света в призме (рис.29.1). Пустьмонохроматический пучок света падаетна призму с преломляющим углом Аи показателемпреломленияnподуглом α1.После двухкратного преломления (налевой и правой гранях призмы) лучоказывается отклоненным от первоначального направления на угол φ.Получено: Рис.29.1.

φ= А(n-1), (29.2)

т.е.угол отклонения лучей призмой тембольше, чем больше преломляющий уголпризмы. Угол отклонения лучей призмойзависит от величины (n1),аn-функциядлины волны, поэтому лучи разных длинволн после прохождения призмы окажутсяотклоненными на разные углы, т.е. пучокбелого света за призмой разлагается вспектр.

Спомощью призмы,так же как и с помощью дифракционнойрешетки,разлагая свет в спектр, можно определитьего спектральный состав.

Величина D=dn/dλ, (29.3)

называемаядисперсиейвещества,показывает, как быстро изменяетсяпоказатель преломления с длиной волны.

Показатель преломления для прозрачныхвеществ с уменьшениемдлины волны увеличивается;следовательно, величина dn/dλпо модулю также увеличивается суменьшением λ.Такая дисперсияназываетсянормальной.

Авблизи линий и полос поглощения будетиным: nуменьшается с уменьшением λ.Такойход зависимости n от λназываетсяаномальной дисперсией.

Изэлектромагнитнойтеории Максвелла следует,что абсолютный показатель преломлениясреды

n= , (29.4)

гдеε– диэлектрическая проницаемость среды,μ– магнитная проницаемость. В оптическойобласти спектра для всех веществ μ~1,поэтому n=.Выявляются некоторыепротиворечияс опытом:величина n, являясь переменной, остаетсяв то же время определенной постоянной.Значения n, получаемые из этого выражения,не согласуются с опытными данными.

Трудности объяснения дисперсии светас точки зрения электромагнитной теорииМаксвелла устраняются электроннойтеорией Лоренца. Вэлектроннойтеории дисперсия света рассматриваетсякак результат взаимодействияэлектромагнитных волн с заряженнымичастицами, входящими в состав веществаи совершающими вынужденные колебанияв переменном электромагнитном полеволны.

Применимэлектронную теорию дисперсии света дляоднородного диэлектрика, предположив,что дисперсиясвета является следствием зависимостиεот частоты ωсветовых волн. Диэлектрическаяпроницаемость веществ по определениюравна

ε=1+Р/(ε0Е), (29.5)

гдеε0–электрическая постоянная, Р-мгновенное значение поляризованности,Е-векторнапряженности. Тогда

n2=1+Р/(ε0Е), (29.6)

т.е.зависит от Р.В данном случае основноезначение имеет электронная поляризация,т.е. вынужденные колебания электроновпод действием электрической составляющейполя волны.

Впервом приближении можно считать, чтовынужденные колебания совершают тольковнешние,наиболее слабо связанные с ядромэлектроны- оптическиеэлектроны.

Дляпростоты рассмотрим колебания толькоодного оптического электрона. Наведенныйдипольный момент электрона, совершающегоколебания, равен

р=ех, (29.7)

гдее-зарядэлектрона, х-смещение электрона под действиемэлектрического поля световой волны.Тогда мгновенное значение поляризованности

Р=ехn0, (29.8)

n0–концентрация электронов. Получим

n2=1+ехn0/(ε0Е). (29.9)

Следовательно,задача сводится к определению смещенияхэлектрона под действием внешнего поляЕ.

Уравнениевынужденных колебаний электрона (безучета силы сопротивления) запишется ввиде

+ ω02x=(F0/m)соsωt = (еЕ0/m)соsωt, (29.10)

гдеF0= еЕ0–амплитудное значение силы, действующейна электрон со стороны поля волны,ω0– собственная частота колебанийэлектрона, m–масса электрона.

Решивэто уравнение найдем зависимость n2= εот констант атома и ωчастотывнешнего поля

Решениеуравнения можно записать в виде:

х= Асоsωt, (29.11)

где А= . (29.12)

Подставимв уравнение (29.10) вместо х уравнения(29.11) и (29.12). Получим

n2= 1+ . (29.12)

Еслив веществе имеются различные зарядыei,совершающие вынужденные колебания сразличными собственными частотами ω0i,то

n2= 1+ , (29.13)

гдеmi– масса i–го заряда.

Источник: https://studfile.net/preview/5921684/page:86/

Booksm
Добавить комментарий