Вращение плоскости поляризации световой волны


Поляризация света

В явлениях интерференции и дифракции проявляются волновые свойства вещества. Но изучение этих явлений не дает ответа на вопрос: являются ли световые волны поперечными или продольными. На этот вопрос однозначно можно ответить, если пронаблюдать наличие или отсутствие явления поляризации световой волны.

Графически электромагнитную волну изображают правовинтовой тройкой векторов , и (рис. 1).

Рис. 1. Электромагнитная волна

 

Плоскость, в которой колеблется вектор , называют плоскостью колебания, а плоскость, в которой колеблется вектор , - плоскостью поляризации.

При взаимодействии света с веществом переменное электрическое поле воздействует на отрицательно заряженные частицы (электроны) атомов и молекул этого вещества, в то время как действие магнитного поля на заряженные частицы незначительно. Поэтому в процессах распространения света главную роль играет вектор электрической напряженности , который называют световым вектором.

Поляризация — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля или напряженности магнитного поля . Когерентное электромагнитное излучение может иметь:

· Линейную поляризацию — световой вектор колеблется в плоскости, проходящей через луч в направлении, перпендикулярном к лучу (рис. 2а);

· Круговую поляризацию — конец светового вектора описывает винтовую круговую правую либо левую линию, в зависимости от направления вращения вектора индукции (рис. 2б);

· Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями (рис. 2в).

Рис. 2. Поляризация электромагнитной волны:

а – линейная, б – круговая, в - эллиптическая.

 

Линейно поляризованной свет принято называть плоско-поляризованным. Примером такого света может служить излучение атома в . Плоско-поляризованный свет дают современные квантовые генераторы света – лазеры. Солнце, лампы накаливания и другие тепловые источники излучают естественный свет, поскольку состоит из большого количества атомов, излучающих не согласованно, поэтому плоскость колебания вектора непрерывно меняется.

Совокупность световых колебаний, в которых интенсивность одного из колебаний преобладает, называется частично-поляризованным светом.

Свет, поляризованный по эллипсу или по кругу, получается, например, при отражении плоско-поляризованного света от металлов, при излучении в сильных магнитных полях, а также при сложении двух взаимно перпендикулярных гармонических колебаний одинаковой частоты и постоянным сдвигом фаз.

Поляризацию света можно осуществить различными способами, а именно, пропустить через кристаллы некоторых веществ (турмалин, исландский шпат), поляризационные призмы и поляроиды; поляризация света происходит также при отражении, преломлении, рассеянии и двойном лучепреломлении.

Плоско-поляризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами П. Эти же приборы могут быть использованы и для анализа света. В этом случае они называются анализаторами А. П и А отличаются не по существу, а по назначению и могут быть взаимно заменены. Глаз человека, в отличие, например, от плел, весьма чувствительный к окраске (т.е. к длине волны), не способен определить поляризацию света.

Закон Брюстера (1815)

Свет, отраженный от границы двух изотропных диэлектриков, будет плоско-поляризованным (частичная поляризация). Доля поляризованного света при отражении зависит от угла падения и при (угол Брюстера) отраженный луч будет полностью поляризован (содержит только колебания, перпендикулярные к плоскости падения). Степень поляризации преломленного луча в этом случае достигает максимального значения, однако поляризация остается частичной, т.к. преобладают колебания, параллельные плоскости падения (рис. 3). При этом луч преломленный и отраженный создают прямой угол. Имеет место закон Брюстера:

,

где – относительный показатель преломления диэлектрика. Этот закон указывает путь получения плоско-поляризованного света и дает возможность определять показатели преломления различных веществ.

В отличие от изотропных диэлектриков кристаллы анизотропны, т.е. их свойства зависят от направления луча внутри кристалла.

При прохождении света через некоторые кристаллы естественный луч разделяется на два поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях (явление двойного лучепреломления). Наиболее резко это явление выражено для исландского шпата (рис.4).

Если падающий луч перпендикулярен к поверхности кристалла, то тогда один из раздвоенных лучей проходит через кристалл в том же направлении (обыкновенный луч ), а другой, преломившись дважды на передней и задней грани кристалла, выйдет из него смещенным относительно первого луча (необыкновенный луч ).

Рис. 4. Двойное лучепреломление в кристалле

У так называемых одноосных кристаллов (исландский шпат, турмалин, кварц) имеется одно направление, в котором явление двойного лучепреломления не наблюдается. Это направление называется оптической осью кристалла.

Закон Малюса (1810)

Рис. 5. Понижение интенсивности световой волны при прохождении через поляризатор и анализатор

 

Большое значение для расчета интенсивность света, прошедшего через П и А во всевозможных поляризационных приборах, имеет закон Малюса, справедливость которого была подтверждена тщательными фотометрическими исследованиями Араго. Согласно этому закону (без учета потерь на обычное поглощение и отражение световой энергии обеими пластинами) интенсивность света, прошедшего через анализатор , равна интенсивности света, прошедшего через поляризатор , умноженной на квадрат косинуса угла между оптическими осями обеих пластин (рис. 5), т.е.

.

Вращение плоскости поляризации световой волны

Метод исследования веществ, основанный на измерении вращения плоскости поляризации света при его прохождении через исследуемое оптически активное вещество, называется поляриметрическим. Приборы, предназначенные для этой цели, называются поляриметрами. Широкое применение они получили в физике, химии и биологии. Наибольший интерес этот метод представляет для исследования растворов.

Явление вращения плоскости поляризации было открыто Араго в 1811 году при изучении двойного преломления кварца. Тела, обладающие этим свойством, называются оптически активными. К ним относятся многие твердые тела и жидкости: кристаллический кварц, киноварь, скипидар, никотин, растворы сахара и сахаристых веществ. Оптически активными являются многие биологические соединения: белки, сахара, углеводы, гормоны, эфирные масла и др.

Поляриметр, применяемый для исследования раствора сахара, называется сахариметром. Все виды сахара – сильно вращающие вещества.

Важной характеристикой вещества является дисперсия вращения – зависимость величины угла поворота плоскости поляризации отудельного вращения . Величина зависит от длины волны , температуры и рода растворителя. По характеру этой зависимости можно точнее определить вещество.

Вращение плоскости поляризации растворами – молекулярное свойство: угол возрастает пропорционально количеству молекул оптически активного вещества, находящегося на пути луча.

Угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя оптически активного вещества:

, (1)

– удельная постоянная вращения (удельное вращение), табличная величина (для сахарозы , – длина волны желтой линии натрия – линии Д).

Сахариметр состоит из узла измерительной головки 2 (рис. 6) и осветительного узла 9, соединенных между собой траверсой 6. Траверса крепится через стойку 17 к основанию 18. На траверсе укреплены кюветное отделение 5 для поляриметрических кювет и оправа 7 с поляризатором и полутеневой пластиной.

С лицевой стороны измерительной головки расположены лупа 1 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 20. С тыльной стороны измерительной головки находится винт механизма 3 установки нониуса, служащий для совмещения нулевого деления нониуса с нулевым делением шкалы с помощью съемного ключа 4.

В нижней части измерительной головки расположена рукоятка 19 клинового компенсатора, вращением которой перемещают подвижный кварцевый клин и связанную с ним шкалу.

Осветительный узел состоит из патрона с лампой (патрон устанавливается тремя винтами 10) и поворотной обоймы 8 со светофильтром и диафрагмой.



Дата добавления: 2016-08-23; просмотров: 2658;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.01 сек.