Поляризация рассеянного света

5. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Поляризация рассеянного света

При рассеянии света также происходит поляризация электромагнитных волн. Степень поляризации тем выше, чем меньше размеры частиц, на которых происходит рассеяние. Солнечный свет сильно поляризуется, рассеиваясь на молекулах воздуха, причем в разных направлениях относительно Солнца по-разному.

Поляризацию рассеянного света можно наблюдать с помощью николя или поляризационного светофильтра. А можно воспользоваться куском стекла, затемненным с одной стороны. Если на такое стекло падает луч под углом, близким к углу Брюстера, отраженный от него свет будет почти полностью поляризован. Колебания вектора напряженности в отраженном луче перпендикулярны к плоскости падения.

Если Солнце находится в зените, стекло нужно расположить приблизительно в 20 см над уровнем глаз, так чтобы отраженный луч шел к наблюдателю под углом, близким к углу Брюстера.

Если теперь поворачиваться вокруг направления луча, идущего от Солнца, держа стекло так, чтобы в нем отражался один и тот же участок неба, то можно обнаружить, что изображение этого участка максимально яркое, если вы стоите лицом или спиной к Солнцу, и темнее, когда вы стоите под прямым углом к этому направлению. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба.

Солнечный свет сильно поляризован в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце, а колебания вектора напряженности направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через Солнце, наблюдаемую точку и глаз.

Если Солнце стоит низко на западе или востоке, можно проделать следующий эксперимент.

Положите затемненное стекло на стол и посмотрите на отражение в нем небольших облаков, расположенных на высоте  на юге или на севере, где в этом случае свет неба поляризован сильнее всего.

Можно убедиться, что небольшие облака, с трудом различимые в воздухе, отчетливо отражаются в стекле. Это обусловлено тем, что свет их неполяризован и поэтому ослабляется в меньшей степени, чем поляризованный свет неба.

Поляризацию неба можно наблюдать и в сумерках при помощи призмы Николя, вращая ее вокруг оси.

Выберите звезду, свет от которой едва различим, и посмотрите, как она будет видна при различных положениях призмы Николя. Так как свет звезды неполяризован, то она будет видна тем лучше, чем темнее фон.

Изменение видимости звезды указывают на изменение яркости фона, а, следовательно, на поляризацию излучения неба.

Таким образом, если рассматривать сквозь поляризатор чистое голубое небо, так чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса.

Щетка Гайдингера

Эту полосу некоторые люди могут заметить простым глазом (по данным академика Сергея Вавилова, этой способностью обладают 25–30 % людей) как желтоватую полоску с закругленными концами. Еще слабее заметны голубоватые пятнышки по краям от ее центра.

Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера (или щетка Гайдингера), она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 г.

Размеры ее весьма значительны, в 8 раз больше диаметра полной Луны, но яркость и контрастность очень малы. Желтая часть фигуры Гайдингера направлена к Солнцу.

Это показывает, что колебания вектора напряженности рассеянного света происходят перпендикулярно к плоскости, проходящей через Солнце, молекулу воздуха и глаз.

При определенном навыке и после долгих тренировок многим удается видеть фигуру Гайдингера и без поляризатора, невооруженным глазом. Свыше столетия назад Л.Н.

 Толстой очень точно описал это явление, определяемое поляризацией света неба и особенностями зрения, о которых не только тогда, но и теперь знает лишь узкий круг специалистов. В 1855 г.

в своей повести «Юность», по-видимому, совершенно не подозревая физического смысла явления, он очень четко описал желтое поляризационное пятнышко на фоне неба: «Иногда оставшись один в гостиной, когда Любочка играет какую-нибудь старинную музыку, я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное, желтоватое пятнышко и снова исчезает…».

До сих пор не вполне понятно, каким образом глаз видит поляризованный свет. Герман Гельмгольц, немецкий физик и естествоиспытатель, много занимавшийся физиологией зрения, считал, что причина кроется в структуре сетчатки.

Светочувствительные клетки глаза обладают анизотропией и поглощают синие лучи сильнее, чем желтые. Однако это не объясняет, почему некоторые видят фигуру Гайдингера в виде синей полосы с желтыми пятнами по бокам. Возможно, это связано с различиями в индивидуальной структуре сетчатки.

Но все равно остается непонятным, почему, когда глаз устает, некоторым кажется то желтое, то синее пятно.

Из древних скандинавских саг известно, что викинги почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Они смотрели на облачное небо через специальный «солнечный камень», который позволял увидеть на небе темную полоску в 90° от направления на Солнце, если облака не слишком плотны.

По этой полосе можно судить, где находится Солнце. «Солнечным камнем» мог быть прозрачный минерал, обладающий поляризационными свойствами, например, исландский шпат. Появление на небе более темной полосы объясняется тем, что проникающий через облака свет неба остается в какой-то степени поляризованным.

Поляризационные эффекты наблюдаются и на таких небесных оптических явлениях, как радуга и гало. Вращая поляризатор, можно сделать радугу или гало почти невидимыми. Это обусловлено тем, что в образовании и радуги, и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния.

Многие насекомые, например пчелы, различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость.

И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно.

Им достаточно видеть небольшой кусочек синего неба в разрывах облаков, чтобы точно определить направление, ориентируясь в пространстве по степени поляризации неба.

Крабовидная туманностьРисунок взят с сайта nature.web.ru

Поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Крабовидная туманность – это результат взрыва сверхновой звезды.

Хотя взрыв сверхновой в Крабовидной туманности произошел 900 лет назад, туманность продолжает расширяться и светиться.

Свет, испускаемый ею, – это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.

На рисунке области различной поляризации окрашены в разные цвета. Составление карт поляризации света источника помогает понять, какие физические процессы рождают такое излучение.

Туманность ЯйцоАвторы фотографии: W. Sparks (STScI) и R. Sahai (JPL),группа наследия косм. телескопаим.Хаббла (STScI / AURA), NASA

На снимке, полученном с помощью усовершенствованной камеры для обзоров на космическом телескопе им. Хаббла, приведена фотография туманности Яйцо. Цвета на фотографии условны и предназначены для выделения направления поляризации.

Звезда в центре этой туманности сбрасывает оболочки газа и пыли и медленно превращается в белый карлик. Туманность Яйцо находится от Земли на расстоянии одного светового года. На небе ее можно увидеть в созвездии Лебедя.

Плотные слои пыли закрывают от нас центральную звезду, а пылевые оболочки, находящиеся дальше от центра, отражают свет этой звезды. Эффект поляризации проявляется в том, что преимущественное отражение пылью испытывают световые волны, вектор напряженности которых колеблется в плоскости, проходящей через наблюдателя и центральную звезду.

Определив ориентацию поляризованного света для туманности Яйцо, можно определить местоположение спрятанного источника.

Поляризация света помогает изучать свойства космической пыли. В обычном излучении звезд имеются волны, колеблющиеся во всех направлениях. Когда поток света встречает на своем пути сферическую пылинку, все эти волны поглощаются одинаково. Но если пылинка вытянута вдоль одной оси, то колебания, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем перпендикулярные.

В потоке света, прошедшем через облако вытянутых, одинаково ориентированных пылинок, присутствуют уже не все направления колебаний, то есть излучение становится поляризованным. Измерение степени поляризации света звезд позволяет судить о форме и размерах пылевых частиц. А иногда по пути поляризации можно определить и электрические свойства межзвездной пыли.

В пределах Солнечной системы наблюдения поляризации электромагнитного излучения позволяют получить ценную информацию о химическом составе облаков, покрывающих планеты, о составе и строении комет и других объектов. Так, по поляризации излучения было обнаружено заметное количество серной кислоты в атмосфере Венеры.

Поляризованное излучение комет объясняется рассеянием солнечного света на ориентированных ассиметричных пылинках в голове и хвосте кометы, а также рассеянием солнечного излучения молекулами плотной газовой оболочки, окружающей ядро кометы.

Изучение поляризованного излучения комет позволило установить силикатную природу пылинок, входящих в состав головы ряда исследованных комет.

Источник: https://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/g5_4_inter.html

Поляризация рассеянного света

Поляризация рассеянного света

При возникновении рассеянного естественного света в замутненном веществе зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния можно представить как:

где $I_0$ — интенсивность света, который рассеян под углом $\varphi =\frac{\pi }{2}$ к направлению распространения первичного пучка света.

В случае, при котором молекулы, выступающие центрами рассеивания, являются изотропными, то рассеиваемый свет становится частично поляризованным. Только под углом $\varphi =\frac{\pi }{2}$ он оказывается полностью поляризованным.

В таком случае плоскость его поляризации, то есть плоскость, в которой совершает колебания вектор $\overrightarrow{E},$ перпендикулярна направлению первичного пучка света.

Если частицы (рассеивающие центры) много меньше длины волны света, то при рассевании происходит поляризация. Рассеиваемый пучок порождает в частицах колебания зарядов. Направления данных колебаний лежат в плоскости, которая перпендикулярна к пучку.

При этом колебания вектора напряженности электрического поля во вторичной волне идут в плоскости, которая проходит через направление колебания зарядов. Следовательно, свет, который рассеивают частицы в направлениях нормальных к лучу, будет полностью поляризован (рис.1).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Рисунок 1.

В случае, при котором размер неоднородностей можно сравнить с длинной волны света, электроны в разных точках неоднородностей совершают несинфазные колебания, что существенно усложняет явление рассеяния. Закон Рэлея при этом не выполняется. Интенсивность рассеянного света становится пропорциональна квадрату частоты:

При этом свет, рассеиваемый под углом $\varphi =\frac{\pi }{2}$, является частично поляризованным.

В случае, при котором размер неоднородностей существенно больше длины волны света, то спектральный состав рассеянного света почти совпадает со спектральным составом первичного пучка.

Спектральный состав рассеянного света

Теория спектрального состава рассеянного света на сегодняшний момент хорошо проработана.

В том случае, если рассеянию подвергается строго монохроматический свет, то в спектре рассеянного света кроме несмещенной спектральной линии появляются новые линии, имеющие частоты, равные суммам или разностям частот падающего света ($u $) и частот собственных колебаний молекул (${u }_i$) рассеивающей среды. Такое рассеяние было названо комбинационным.

Линии в спектре комбинационного рассеяния имеющие частоты меньше, чем частота падающего света называют стоксовыми (красными) спутниками, линии имеющие частоты больше частоты падающего света носят название антистоксовых (фиолетовых) спутников. Анализируя спектры рассеяния, делают следующие выводы:

  • линии спутников расположены симметрично по обеим сторонам от несмещенной линии,
  • частоты ${u }_i$не зависят от частоты падающего света. Они определены только особенностями рассеивающего вещества, то есть они характеризуют его состав и структуру,
  • количество спутников определено рассеивающим веществом,
  • интенсивность антистоксовых спутников меньше, чем интенсивность стоксовых спутников. Интенсивность антистоксовых спутников с ростом температуры рассеивающей среды увеличивается, для стоксовых спутников интенсивность от температуры почти не зависит.

Замечание 1

Законы комбинационного рассеяния получили объяснение в квантовой теории. Рассеяние света рассматривается как процесс, в котором один фотон поглощается молекулой и один испускается. В том случае, если энергии таких фотонов равны, то в рассеянном свете наблюдают несмещенную линию.

Если таковые энергии фотонов различны, то молекула переходит из нормального состояния в возбужденное или из возбужденного состояния в нормальное. Так, рассеяние света сопровождают переходы молекул между разными колебательными уровнями, как результат появляется совокупность симметрично расположенных спутников.

Количество спутников определено энергетическим спектром молекул. Количество возбужденных молекул меньше, чем находящихся в нормальном состоянии, поэтому интенсивность антистоксовых спутников меньше.

При увеличении температуры количество молекул в состоянии возбуждения увеличивается, как следствие, растет интенсивность антистоксовых спутников.

Молекулярные спектры используют при исследованиях строения молекул в спектральном анализе, лазерной спектроскопии, квантовой электронике.

Спектры молекулярного рассеянного света применяют для изучения поверхностных рэлеевских волн, которые распространяются по поверхности границы двух сред и вызваны шероховатостью поверхности раздела. Спектры молекулярного рассеяния позволяют определять скорость звука с частотой порядка ${10}{10}Гц.$

Особый интерес вызывает изучение спектра молекулярного рассеяния в бинарных растворах, в которых имеется замкнутая область расслаивания, если добавляется третья компонента.

Пример 1

Объясните, почему рассеянный свет поляризован частично, если плоско поляризованная волна света падает на вещество с анизотропными молекулами.

Решение:

Пусть молекулы газа (среды) анизотропны. Падающий свет плоско поляризован, рассеянный свет будет поляризован частично. Данная деполяризация рассеянного света вызвана анизотропией молекул. Допустим, что световой вектор падающей волны ($\overrightarrow{E}$) направлен по оси X. Если молекула обладает сферической симметрией (изотропная), то ее дипольный момент можно определить как:

\[\overrightarrow{p}=\beta \overrightarrow{E}\left(1.1\right),\]

то есть дипольный момент сонаправлен с вектором $\overrightarrow{E}.$ В таком случае свет, рассеянный молекулой будет поляризован линейно, с плоскостью колебаний, которая проходит через ось диполя и линию наблюдения. В случае если вещество состоит из изотропных молекул, то векторы $\overrightarrow{p}$ и $\overrightarrow{E}$ не параллельны.

Возникнут составляющие вектора $\overrightarrow{p}$ по осям Y и Z. При тепловом движении молекул ориентация молекулы в пространстве постоянно и хаотично изменяется, то поляризуемости молекул по осям координат будут иметь флуктуации. Компоненты $p_y\ и\ p_z$ порождают рассеянные волны с поляризацией, отличающейся от поляризации излучения, которое дает $p_x$.

Что ведет к деполяризации рассеянного света.

Пример 2

Если волна света плоско поляризована и рассеивается на веществе, состоящем из изотропных молекул, какой поляризацией будет обладать рассеянная волна.

Решение:

Пусть падающая волна линейно поляризована, тогда векторы поля волны ($\overrightarrow{E}$) и дипольный момент молекулы ($\overrightarrow{p}$) параллельны одному постоянному направлению. Электрическое поле диполя на больших расстояниях от него (в зоне волны) определено формулой:

\[E_{иe}=cB_{\varphi }=-\frac{1}{4\pi {\varepsilon }_0}\frac{{\omega }2}{c2}\frac{{sin \left(\theta \right)\ }}{r}p\left(t-\frac{r}{v}\right),\ E_r=E_{\varphi }=0,\ B_r=B_{\varphi }=0\left(2.1\right),\]

где $\varphi $ — полярный и аксиальный углы, $r-$расстояние от диполя до точки, в которой определяется поле, $v=\frac{c}{n}$ — скорость света в исследуемой среде. $\theta $- угол между осью диполя и направлением рассеянного излучения. Рассеянный свет плоско поляризован, при этом электрический вектор лежит в плоскости, которая проходит через ось диполя и направление излучения.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/optika/polyarizaciya_rasseyannogo_sveta/

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Поляризация рассеянного света

Cтраница 3

Если поляризации лазера и рассеянного света еь и es параллельны осям кристалла ( или ж, или /), LO рассеяние происходит при скрещенных поляризациях возбуждающего и рассеянного света.

РџСЂРё вычислении матричного элемента деформационного потенциала электрон-фононного взаимодействия для четных С‚ осцилляции uz РІ точности взаимоуничтожаются, Рё рассеяние остается запрещенным.  [32]

Асимметрия формы коллоидных частиц проявляется и в светорассеянии. Поляризация рассеянного света оказывается наибольшей в направлении, перпендикулярном направлению падающего луча.

Кришнан показал, что если поляризация рассеянного света РЅРµ полная даже РІ том случае, РєРѕРіРґР° падающий свет является вертикально поляризованным, то это обстоятельство СЃ несомненностью указывает РЅР° геометрическую или оптическую анизотропию коллоидных частиц. Р�нтенсивность светорассеяния РїСЂРё поляризованном падающем свете также зависит РѕС‚ формы частиц, возрастая РІ том случае, если электрический вектор падающего поляризованного луча параллелен длине палочкообразной частицы или плоскости пластинчатой частицы. Вызывая ориентацию асимметричных частиц течением жидкости, можно наблюдать, что относительное возрастание интенсивности светорассеяния РІ поляризованном падающем свете более значительно РїСЂРё течении растворов СЃ палочкообразными частицами, чем СЃ пластинчатыми частицами.  [33]

Асимметрия формы коллоидных частиц проявляется и в светорассеянии. Поляризация рассеянного света оказывается наибольшей в направлении, перпендикулярном направлению падающего луча.

Кришнан показал, что если поляризация рассеянного света РЅРµ полная даже РІ том случае, РєРѕРіРґР° падающий свет является вертикально поляризованным, то это обстоятельство указывает РЅР° геометрическую или оптическую анизотропию коллоидных частиц.  [34]

Далее, рассеянный свет поляризован, причем РїСЂРё наблюдении перпендикулярно Рє направлению распространения первичного пучка степень поляризации должна быть равна максимальному значению — 100 %, что хорошо подтверждается для газов. Однако поляризация рассеянного света РЅРµ всегда бывает максимальной. Для некоторых газов, например, степень деполяризации невелика Рё составляет несколько процентов, Р° для жидкостей РѕРЅР° может достигать десятков процентов.  [36]

ХАНЛЕ ЭФФЕКТ — РѕРґРёРЅ РёР· эффектов магнитооптики, состоит РІ изменении диаграммы направленности Рё РІ уменьшении степени поляризации света резонансной частоты, рассеянного атомами, находящимися РІ слабом внеш. Характер поляризации рассеянного света существенным образом зависит РѕС‚ величины Рё направления поля Рё направления наблюдения. Эффект РЅРѕСЃРёС‚ РёРјСЏ Р’. Атом, возбужденный линейно поляризованным светом ( СЃРј. Поляризация света) РЅР° резонансной частоте, рассматривается как электрич.  [37]

Следовательно, результаты исследования степени деполяризации, относящиеся к нестационарному распределению светового поля внутри сильно рассеивающей среды, являются неоднозначными.

Поэтому для характеристики поляризации рассеянного света нужно использовать данные, относящиеся только к глубинному режиму светового поля.

Безусловно, последнее утверждение имеет силу Рё для коэффициента рассеяния среды.  [38]

Р�ндикатриса рассеяния РїРѕ мере роста ka становится РЅРµ симметричной ( СЂРёСЃ. 4), Р° вытягивается вперед. Так же резко меняется поляризация рассеянного света.  [40]

Для этих частиц РІ направлении максимальной поляризации рассеянного света распространяются практически только отраженные лучи, так как дважды преломленные лучи заключены РІ РєРѕРЅСѓСЃРµ СЃ углом раствора Рмакс, значительно меньшим, чем углы СЂ 1, Р° доля лучей высших РїРѕСЂСЏРґРєРѕРІ пренебрежимо мала.  [41]

Сильно меняется распределение рассеянного излучения РїРѕ направлениям Рё поляризация рассеянного света.  [42]

Выше было показано, что благодаря поперечности световой волны при наблюдении под прямым углом к направлению первичного пучка естественного света ( 6л / 2 на рис. 2.

14) рассеянный свет должен быть полностью линейно поляризован в перпендикулярной первичному пучку плоскости.

Однако при рассеянии в газе или жидкости с анизотропными молекулами поляризация рассеянного света обычно не бывает полной.

Объясняется это тем, что направление вектора индуцированного падающей волной дипольного момента анизотропной молекулы РЅРµ совпадает, вообще РіРѕРІРѕСЂСЏ, СЃ направлением электрического поля волны. Деполяризация рассеянного света будет выражена тем сильнее, чем больше анизотропия поляризуемости молекул среды.  [43]

Рассеяние света на флуктуациях анизотропии значительно слабее рассеяния на флуктуациях плотности.

Однако РѕРЅРѕ представляет большой научный интерес, так как РёР· анализа спектрального состава Рё поляризации рассеянного света можно получить ценные сведения относительно электрических свойств Рё строения анизотропных молекул.  [44]

Законы поверхностного рассеяния отличны от законов объемного рассеяния.

Так, интенсивность поверхностно рассеянного света обратно пропорциональна второй степени длины волны ( Р° РЅРµ четвертой); своеобразны также Рё условия поляризации рассеянного света.  [45]

Страницы:      1    2    3    4

Источник: https://www.ngpedia.ru/id289180p3.html

§ 2. Поляризация рассеянного света

Поляризация рассеянного света

Первый примерполяризационных явлений, который мыуже ранее обсуждали, есть рассеяниесвета. Рассмотрим прохо­дящий в воздухепучок света, например солнечного света.Электрическое поле возбуждает колебаниязарядов в воздухе,.

и в результате этихколебаний излучается свет, интенсивностькоторого максимальна в плоскости,перпендикулярной движе­нию зарядов.Пучок солнечного света неполяризован,т. е.

направление поляризации постоянноменяется, а следователь­но, изменяетсяи направление колебаний зарядов ввоздухе.

Возьмем пучок света, рассеянныйпод углом 90°; он возникает от излучениятолько тех частиц воздуха, которыеколеблются перпендикулярно линии зрениянаблюдателя, и, следовательно, пучокрассеянного света будет поляризован внаправлении этих колебаний. Такимобразом, рассеяние дает нам примерполучения поляризованного света.

§ 3. Двойное лучепреломление

Есть еще один интересныйфакт из области поляризационных явлений.Встречаются среды, показатель преломлениякоторых различен для света, линейнополяризованного в том или другомнаправлении.

Допустим, например, чтоимеется некий материал, состоящий извытянутых несферических молекул, длинакоторых больше их ширины; предположим,что молекулы в веществе выстроены так,чтобы их большие оси оказалисьпараллельными.

Что произойдет, когдана тело подействует осциллирующееэлектрическое поле? Предположим, чтотакая структура моле­кул способствуеттому, что электроны в материале легчепод­даются колебаниям вдоль осимолекулы, чем поперек нее. При такихусловиях следует ожидать, что поляризацияв одном направлении будет вызывать одинэффект, а поляризация, направленная подпрямым углом к первой, — совсем другой.

Назовем направление осей молекулоптической осью. Показа­тель преломленияпринимает разные значения в зависимостиот того, направлена ли поляризация вдольоптической оси или перпендикулярно ей.Среда с такими свойствами называетсядвоякопреломяяющей. Она обладает двумяразными способами преломления, т. е.двумя показателями преломления взависи­мости от поляризации света всреде.

Какие материалы обладаютэтим свойством?Из разных соображений вытекает, чтодвояко-преломляющая среда должна иметьнекоторое количество ори­ентированныхнесферических молекул. Ясно, чтокубический кристалл, имеющий симметриюкуба, не может быть двояко-преломляющим.А вот длинные игловидные кристаллы,без­условно, содержат несимметричныемолекулы, и в них легко . наблюдать эффектдвойного лучепреломления.

Попробуем сообразить,что получится, если направитьполя­ризованный луч на пластинкудвоякопреломляющего материа­ла. Еслиполяризация параллельна оптическойоси, свет прой­дет через пластинку содной скоростью, а если поляризацияпер­пендикулярна — с другой скоростью.

Интересная ситуация возникает, еслилуч света поляризован, например, подуглом в 45° к направлению оптическойоси. Тогда поляризация, как известно,представляется в виде суммы поляризацийв направле­нии х и у с равными амплитудамии фазами, что показано на фиг. 33.2, а.

Поскольку лучи с поляризациями вдольосей х и у движутся в среде с разнойскоростью, фазы обеих компонент полябудут расти по-разному.

Таким образом,несмотря на совпадение фаз х- и у-компонентвначале, внутри среды между ними появитсяразность фаз, пропорциональная глубинепроникновения света в среду. Изменениеполяризации света в процессе прохождениячерез среду показано в серии рисунковна фиг. 33.2. Если пластинка имеет такуютолщину, что разность фаз на выходемежду поля­ризациями по осям х и уравна 90° (фиг. 33.

2, в), то свет выйдет изпластинки поляризованным по кругу.Пластинки такой толщины называютсяпластинками в четверть волны, посколькуони приводят к разности фаз в однучетвертую цикла. Пропус­кая линейнополяризованный свет через две пластинкив чет­верть волны, снова получаемлинейно поляризованный свет, нонаправление поляризации повернется напрямой угол (это легко понять из фиг.33.2, в).

Явлениедвойного лучепреломления легкопродемонстриро­вать с помощью листкацеллофана. Целлофан состоит из длин­ныхмолекул — волокон, и его структуранеизотропна, посколь­ку волокна побольшей части вытянуты в одном направлении.

Для наблюдения явления двойноголучепреломления необходим пучок линейнополяризованного света, который нетруднополучить, пропуская неполяризованныйсвет через пластинку поляроида.

Ополяроиде мы еще будем говорить болееподробно, а пока отметим одно его важноесвойство: свет, поляризованный вдольоси поляроида, проходит через него почтисвободно, а свет, поляризованныйперпендикулярно оси, сильно погло­щаетсяполяроидом.

Когда неполяризованныйсвет пропус­кается через пластинкуполяроида, то проходит только та частьсвета, колебания которой параллельныоси поляроида, поэтомупрошедшийчерез пластинку луч окажется линейнополяризо­ванным.

Фиг. 33.3. Схемаэксперимента по двойному лучепреломлениюв целлофане.

Векторы электрического поля световойволны изображены пунктирными стрел­ками.Направления поляризации, про­пускаемыеполяроидами, и оптические оси целлофанаизображены сплошными стрелками. Падающийлуч света непо­ляризован.

Этосвойство поляроида используют такжедля опре­деления направления поляризациилинейно поляризованного света; крометого, с помощью поляроида можно определить,есть ли у света вообще линейная поляризацияили нет. Для этого достаточно пропуститьсвет через пластинку поляроида иповорачивать ее в плоскости, перпендикулярнойлучу.

Линейно поляризованный свет неможет пройти через поляроид, когда осьполяроида перпендикулярна направлениюполяризации луча. Повернув пластинкуна 90°, мы увидим прошедший через нее лучлишь чуть-чуть менее ярким, чем падающийпучок света.

Если яркость луча, пропущенногополяроидом, не зави­сит от ориентацииполяроида, падающий пучок света не имеетлинейной поляризации.

Для демонстрациидвойного лучепреломления в целлофаневозьмем два поляроида и расположим их,как показано на фиг. 33.3. Из первогополяроида выходит линейно поляризован­ныйпучок света; мы пропускаем его черезцеллофан, а затем через другой поляроид,чтобы учесть действие целлофана налинейно поляризованный свет.

Сначаларасположим оси поля­роидов перпендикулярнодруг другу и уберем листок целло­фана.Через второй поляроид свет не проходитсовсем. Теперь поставим листок целлофанамежду поляроидами и будем пово­рачиватьего вокруг оси пучка света.

При этом,вообще говоря, некоторая часть светабудет все время проходить через второйполяроид. Имеются, однако, две ориентациилистка целлофана, перпендикулярныедруг другу, при которых свет через второйполяроид не проходит.

Ясно, что этиориентации целлофана не влияют налинейную поляризацию проходящего черезнего света и должны поэтому совпадатьс направлением оптической оси целлофанаи перпендикулярным к нему направлением.

Здесь мы предполагаем, что скоростьсвета, проходящего через целлофан,различна для указанных двух направленийполяризации, но само направлениеполяризации при прохож­дении светане меняется. Если выбрать промежуточнуюориен­тацию целлофана где-то междудвумя главными направлениями, как нафиг. 33.3, то через второй поляроид пройдетяркий аучок света.

Оказывается,толщина обычного целлофана, используемогов магазинах для упаковки, равна почтиточно половине длины волны для большинствацветов в спектральном разложении белогосвета.

Целлофан такой толщины поворачиваетнаправле­ние поляризации линейнополяризованного света на 90°, если этонаправление в падающем пучке образуетугол 45° с опти­ческой осью целлофана.

Таким образом, выходящий из целло­фаналуч обладает как раз такой поляризацией,что может прой­ти второй поляроид.

Если в нашем опытеиспользовать пучок белого света, тотолько для одной компоненты егоспектрального разложения толщинацеллофана совпадет с половиной длиныволны, и пу­чок, пропущенный вторымполяроидом, будет иметь цвет именноэтой компоненты.

Цвет пучка, прошедшегочерез наше устрой­ство, будет зависетьот толщины листа целлофана, а эффектив­нуютолщину целлофана мы можем менять,наклоняя листок под некоторым углом итаким образом заставляя свет прохо­дитьбольший путь внутри целлофана.

Принаклоне листка целлофана цвет пропущенногопучка меняется. Используя целлофанразной толщины, можно сконструироватьфильтры, пропускающие лучи вполнеопределенного цвета.

Эти фильтры обладаюттем замечательным свойством, что онипропускают один цвет, когда оси двухполяроидов перпендикулярны, идополнительный к нему цвет, когда осиполяроидов параллельны.

Системы ориентированныхмолекул имеют еще одно, на этот развполне практическое применение. Некоторыепластики состоят из очень длинных исложных молекул, скрученных между собой.

При очень тщательном проведении процессаза­твердевания пластика молекулы,скручиваясь, образуют сплош­ную массуи ориентируются равномерно в самыхразных направ­лениях, так что пластикобычно не проявляет свойства двойноголучепреломления.

Но при затвердеваниичасто образуются дефекты и напряжения,которые приводят к некоторой неодно­родностиматериала. Напряжения, возникающие впластике, как бы вытягивают целую связкумолекул, и молекулярные нити ориентируютсяпреимущественно вдоль направлениянатяжения.

Благодаря внутреннимнапряжениям пластик становитсядвоякопреломляющим, и эффект двойноголучепре­ломления можно наблюдать,пропуская через него поляризо­ванныйсвет. Анализируя пропущенный пластикомпучок с по­мощью поляроида, мы заметимтемные и светлые полосы (окра­шенныев разные цвета, если берется пучок белогосвета).

Если образец подвергнутьрастяжению, вся совокупность полосначинает сдвигаться, а подсчитав полосыи определив место их наибольшегоскопления, можно найти внутренниенапряже­ния, возникающие в образце.Инженеры обычно используютэто явлениекак способ определения напряжений вдеталях, форма которых трудно поддается расчету.

Еще один интересныйпример — двойное лучепреломление вжидкостях. Рассмотрим жидкость, состоящуюиз длинных асимметричных молекул,которые несут вблизи своих концовраспределенный положительный илиотрицательный заряд, т. е. молекулыявляются электрическими диполями.

Сталки­ваясь, молекулы в жидкостипринимают любую ориентацию, причемкакого-либо преимущественного направленияориента­ции не существует. Но еслиприложить электрическое поле, молекулыначнут выстраиваться вдоль поля и вэтот самый момент жидкость становитсядвоякопреломляющей средой.

Взяв дваполяроида и прозрачную ячейку с жидкостьютакого сорта, можно создать устройство,которое пропускает свет только привключении электрического поля. Врезультате мы получаем электрическийпереключатель для света, который называютячейкой Керра.

А сам эффект, когда вжидкости возникает двой­ноелучепреломление под действиемэлектрического поля, назы­ваетсяэффектом Керра.

Источник: https://studfile.net/preview/6449206/page:2/

Booksm
Добавить комментарий