Излучение Вавилова — Черенкова

Российский физик П. А. Черенков (1904—1990), работавший под руководством Вави­лова, показал, что при движении релятивистских заряженных частиц в среде (для всех прозрачных жидкостей, газов и твердых тел) с постоян­ной скоростью v, превышающей фазовую скорость света в этой среде, т. е. при условии v>c/n (n—показатель преломления среды), возникает электромагнитное излучение, названное впоследствии излучением (эффектом) Вавилова — Черенкова.

Скорость заряжен­ной частицы не превышает фазовой скорости с/n электромагнитных волн в среде, в которой частица движется. Если частица обладает скоростью v>c/n, то, даже двигаясь равномерно, она будет излучать электромагнитные волны.

Поляризация света

Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженностей электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны (перпендикулярно лучу).

Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора - вектора напряженности 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 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 , то имеемдело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор (и, следовательно, ) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

Различают

-линейную поляризацию света, когда сохраняет постоянное направление (плоскостью поляризации называют плоскость, в которой лежат и световой луч),

-эллиптическую поляризацию света, при которой конец описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной лучу,

- круговую поляризацию света (конец описывает окружность)

Рис.4.4.1

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

Поляризация света - упорядоченность в ориентации векторов напряженностей электрических и магнитных полей световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы,пропускающие колебания только определенного направления (например, пропускающие колебания, параллельные главной плоскости поляризатора, и полностью задерживающие колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например кристаллы турмалина.

Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т₁, вырезанной параллельно так называемой оптической осиОО'. 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 а между оптическими осями кристаллов по закону Малюса— физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла а между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

где I₀ и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него.

Т₁ T₂

Рис.4.4.2

Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при (оптические оси пластинок параллельны). Однако, амплитуда световых колебаний, прошедших через пластинку T₂ будет меньше амплитуды световых колебаний E₀, падающих на пластинку Т₁.

ПластинкаТ₁, 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).

Степенью поляризацииназывается величина

где I_max и I_min, - соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором.

Для естественного света I_max = I_min и Р = 0, для плоскополяризованного I_min = 0 и Р = 1.

Поляризация при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков

Одним из способов получения поляризованного света является его отражение и преломление на границе раздела двух изотропных диэлектриков. Пусть на границу раздела диэлектриков 1 и 2 падает естественный свет. Отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором угле падения, называемом углом Брюстера ( ), отраженный луч становится полностью поляризованным (плоско поляризованным) (рис.4.4.3).

Рис.4.4.3

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!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения.

Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора) зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781-1868) установил закон (Брюстера), согласно которому при угле падения (угол Брюстера), определяемого соотношением

(n₂₁ - показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным(содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения)

Если на границу раздела двух диэлектриков под углом Брюстера падает плоско- поляризованный свет (например, от лазера) с направлением колебаний вектора в плоскости падения волны, то интенсивность отраженной волны становится близкой к нулю. Это объясняется тем, что в падающей волне отсутствует направление колебаний светового вектора, необходимое для создания отраженной волны.

Если преломленные лучи подвергнуть второму, третьему и т.д. преломлениям, то степень поляризации преломленных лучей возрастает.

Таким образом, при угле падения, равном углу Брюстера

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°;

5. тангенс угла Брюстера равен относительному показателю преломления