Поляризация света Лекцию подготовил доцент ЧГУ Сорокин Г.М. - презентация

1 Поляризация света Лекцию подготовил доцент ЧГУ Сорокин Г.М.

2 Содержание Естественный и поляризованный свет Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков Двойное лучепреломление Поляризационные призмы и поляроиды Анализ поляризованного света Искусственная оптическая анизотропия Вращение плоскости поляризации

3 Великие физики Этьен Малюс Этьен Малюс Малюс (Malus) Этьен Луи (23.VII.1775–24.II.1812) Малюс (Malus) Этьен Луи (23.VII.1775–24.II.1812) Этьен Луи Малюс – французский физик, член Парижской АН (1810). Родился в Париже. Окончил Политехническую школу в Париже (1796), после чего поступил поступил в действующую армию в качестве военного инженера. Принимал участие в египетской кампании. С 1808 г. работал в Политехнической школе в должности экзаменатора, а с 1811 г. – директора учебной части. Член Парижской АН (1810). Награждён медалью Румфорда (1811). Важнейшие научные работы Малюса посвящены оптике. В 1808 г. открыл поляризацию света при отражении от прозрачных тел. Установил (1810) зависимость интенсивности поляризованного света после его прохождения через анализатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и анализатора (закон Малюса). Разработал теорию двойного лучепреломления света в кристаллах. В 1811 г. независимо от Ж.Б. Био обнаружил поляризацию света при преломлении. Предложил (1811) метод определения оптической оси кристалла. Сконструировал ряд поляризационных приборов. Был сторонником теории света, предложенной И. Ньютоном; приписывал «частицам» света «полюсы» и называл поляризованными лучи, в которых ориентация этих частиц одинакова. Вернуться

4 В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света, природа световых волн была неизвестна. На первом этапе предполагалось, что свет представляет собой продольные волны, распространяющиеся в некоторой гипотетической среде – эфире. Т. Юнг О. Френель Т. Юнг О. Френель В то время казалось невероятным, что свет – это поперечные волны, так как по аналогии с механическими волнами пришлось бы предполагать, что эфир – это твердое тело (поперечные механические волны не могут распространяться в газообразной или жидкой среде). Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в конце XVII века было обнаружено, что кристалл исландского шпата (CaCO 3 ) раздваивает проходящие через него лучи. Это явление получило название двойного лучепреломления (рис. 1). Естественный и поляризованный свет Рис.1 Прохождение света через кристалл исландского шпата (двойное лучепреломление). Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча, прошедшие через кристалл

5 В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ (рис. 2). В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки можно было поворачивать друг относительно друга на угол φ (рис. 2).Э. Малюс Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos 2 φ: I ~ cos 2 φ. Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos 2 φ: I ~ cos 2 φ. Рис. 2

6 В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны. К тому времени поперечность световых волн уже была доказана экспериментально. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света. В середине 60-х годов XIX века на основании совпадения известного значения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн Максвелл сделал вывод о том, что свет – это электромагнитные волны. К тому времени поперечность световых волн уже была доказана экспериментально. Поэтому Максвелл справедливо полагал, что поперечность электромагнитных волн является еще одним важнейшим доказательством электромагнитной природы света.Максвелл

7 Векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н 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 Е электрического поля Векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н 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 Е электрического поля Н Н Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. электромагнитная волна. Векторы Е, Н и v взаимно перпендикулярны Рис. 3

8 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 луч перпендикулярен плоскости рисунка

9 В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е и, следовательно, t называется естественным. Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения каждого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е и, следовательно, t называется естественным. Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Рис. 4

10 Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора Е (рис. 5), то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 6), называется линейно поляризованным Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора Е (рис. 5), то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 6), называется линейно поляризованным Рис. 5 Рис.6

11 Плоскость, в которой колеблется световой вектор Е, называется плоскостью колебаний (плоскость yz на рис. 3), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор Н – плоскостью поляризации (плоскость xz на рис. 3). Рис. 3 Н Н

12 Плоскополяризованный свет является предельным случаем эллептически поляризованного света света, для которого вектор Е (вектор Н) изменяется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу. Если эллипс поляризации вырождается в прямую (при разности фаз φ, равной нулю или π), то имеем дело с рассмотренным выше плоскополяризованным светом (рис. 7а), если в окружность (при Δφ = ±π/2 и равенстве амплитуд складываемых волн), то имеем дело с циркулярно поляризованным (поляризованным по кругу) светом (рис.7б). Рис.7б Рис.7а

13 Степенью поляризации называется величина Степенью поляризации называется величина Где I max и I min соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для естественного света 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, I max = I min и Р = 0, для плоскополяризованного I min = 0 и P = 1. для плоскополяризованного I min = 0 и P = 1.

14 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. Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис. 7). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина Т 1 вырезанной параллельно так называемой оптической оси 00'. Вращая кристалл T 1 вокруг направления луча,никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т 2 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: (1) I=I 0 cos 2 a (1) где Iо 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 α=π/2 (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при α =0 (оптические оси пластинок параллельны). Однако, как это следует из рис. 8, амплитуда Е световых колебаний, прошедших через пластинку Т 2, будет меньше амплитуды световых колебаний Е 0, падающих на пластинку Т 2 : E=E 0 cos 2 a Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то и получается выражение (1)

15

16 Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 7 это направление показано стрелкой АВ), т. е. преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту Е, параллельному оси второго турмалина. На рис. 7 обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебаний АВ и А'В' перпендикулярны друг другу. В данном случае Т 1 пропускает колебания, направленные по АВ, а Т 2 их полностью гасит, т. е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит. Пластинка Т 1 преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т 2, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами). Вели пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол а, то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого I 0 =1/2 I ест, из второго выйдет свет интенсивностью I=I о cos2α. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора I=1/2 I ест cos2α, откуда I max = 1/2 I ест (поляризаторы параллельны) и I min =0 (поляризаторы скрещены). I max = 1/2 I ест (поляризаторы параллельны) и I min =0 (поляризаторы скрещены). Т1Т1 Т2Т2 О О О О A B A B Естественный свет Плоскополяризованный свет Рис. 8

17 Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков 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 ( ) установил закон, согласно которому при угле падения i в (угол Брюстера), определяемого отношением 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 ( ) установил закон, согласно которому при угле падения i в (угол Брюстера), определяемого отношением Tg i b =n 21 Tg i b =n 21 (n 21 показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения) (рис. 9). Преломленный же луч при угле падения i в поляризуется максимально, но не полностью. (n 21 показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения) (рис. 9). Преломленный же луч при угле падения i в поляризуется максимально, но не полностью. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (tgi b = sin i b /cos i b, Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (tgi b = sin i b /cos i b, n 21 = sin i b /sin i 2 ( i 2 угол преломления), откуда cos i b =sini 2 ). Следовательно, i b +i 2 =π/2, но i' b = i b (закон отражения), поэтому i b + i 2 = π /2. n 21 = sin i b /sin i 2 ( i 2 угол преломления), откуда cos i b =sini 2 ). Следовательно, i b +i 2 =π/2, но i' b = i b (закон отражения), поэтому i b + i 2 = π /2. Рис. 10

18 Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера). Если, например, для стекла (n= 1,53) степень поляризации преломленного луча составляет 15%, то после преломления на 810 наложенных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляризованным. Такая совокупность пластинок называется стопой. Стопа может служить для анализа поляризованного света как при его отражении, так и при его преломлении Рис. 9

19 Двойное лучепреломление Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в, 1669 г. впервые обнаружен­ное датским ученым Э. Бартолином ( ) для исландского шпата (разновидность кальцита СаСО 3 ), объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла. Если на толстый кристалл исландского шпата направить узкий пучок света, то из кристалла выйдут два пространственно разделенных луча, параллельных друг другу и падающему лучу (рис. 10). Даже в том случае, когда первичный пучок падает на кристалл нормально, преломленный пучок разделяется на два, причем один из них является продолжением первичного, а второй отклоняется (рис. 11). Второй из этих лучей получил название необыкновенного (е), а первый обыкновенного (о). o e Рис. 10 Рис.11

20 обыкновенные лучи распространяются в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью v o =c/n o. а необыкновенные с разной скоростью v е =с/n e (в зависимости от угла между вектором Е и оптической осью). Для луча, распространяющегося вдоль оптической оси, п о =п е, v 0 =v e, т. е. вдоль оптической оси существует только одна скорость распространения света. Различие в v e и v 0 для всех направлений, кроме направления оптической оси, и обусловливает явление двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах. Допустим, что в точке S внутри одноосного кристалла находится точечный источник света. На рис. 279 показано распространение обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (главная плоскость совпадает с плоскостью чертежа, ОО' направление оптической оси). Волновой поверхностью обыкновенного луча (он распространяется с v 0 =const) является сфера, необыкновенного луча (v e =const) эллипсоид вращения. Наибольшее расхождение волновых поверхностей обыкновенного и необыкновенного лучей наблюдается в направлении, перпендикулярном оптической оси. Эллипсоид и сфера касаются друг друга в точках их пересечения с оптической осью ОО'. Если v e n 0 ), то эллипсоид необыкновенного луча вписан в сферу обыкновенного луча (эллипсоид скоростей вытянут относительно оптической оси) и одноосный кристалл называется положительным (рис. 12, а). Если v e >v 0 (n e v 0 (n e

21 Поляризационные призмы и поляроиды В основе работы поляризационных приспособлений, служащих для получения поляризованного света, лежит явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для этого применяются призмы и поляроиды. Призмы делятся на два класса: 1) призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные призмы); 2) призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча (двоякопреломляющие призмы).

22 Поляризационные призмы построены по принципу полного отражения одного из лучей (например, обыкновенного) от границы раздела, в то время как другой луч с другим показателем преломления проходит через эту границу. Типичным пред­тавителем поляризационных призм является призма Николя, называемая часто николем. Призма Николя (рис. 13) представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную вдоль линии АВ канадским бальзамом с n = 1,55. Оптическая ось ОО' призмы составляет с входной гранью угол 48°. На передней грани призмы естественный луч, параллельный ребру СВ, раздваивается на два луча: обыкновенный (n о =1,66) и необыкновенный (n e = 1,51). При соответствующем подборе угла падения, равного или большего предельного, обыкновенный луч испытывает полное отражение (канадский бальзам для него является средой оптически менее плотной), а затем поглощается зачерненной боковой поверхностью СВ. Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно падающему лучу, незначительно смещенному относительно него (ввиду преломления на наклонных гранях АС и BD). Рис. 13

23 Двоякопреломляющие призмы используют различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, чтобы развести их возможно дальше друг от друга. Примером двоякопреломляющих призм могут служить призмы из исландского шпата и стекла, призмы, составленные из двух призм из исландского пшата со взаимно перпендикулярными оптическими осями. Для первых призм (рис. 14) обыкновенный луч преломляется в шпате и стекле два раза и, следовательно, сильно отклоняется, необыкновенный же луч при соответствующем подборе показателя преломления стекла n (nn е ) проходит призму почти без отклонения. Для вторых призм различие в ориентировке оптических осей влияет на угол расхождения между обыкновенным и необыкновенным лучами. Рис. 14

24 Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством дихроизма, т. е. различного поглощения света в зависимости от ориентации электрического вектора световой волны, и называются дихроичными кристаллами. Примером сильно дихроичного кристалла является турмалин, в котором из-за сильного селективного поглощения обык­новенного луча уже при толщине пластинки 1 мм из нее выходит только необыкновенный луч. Такое различие в поглощении, зависящее, кроме того, от длины волны, приводит к тому, что при освещении дихроичного кристалла белым светом кристалл по разным направлениям оказывается различно окрашенным.

25 Анализ поляризованного света Пусть на кристаллическую пластинку, вырезанную параллельно оптической оси, нормально падает плоскополяризованный свет (рис. 15). Внутри пластинки он разбивается на обыкновенный (о) и необыкновенный (е) лучи, которые в кристалле пространственно не разделены (но движутся с разными скоростями), а на выходе из кристалла складываются. Пусть на кристаллическую пластинку, вырезанную параллельно оптической оси, нормально падает плоскополяризованный свет (рис. 15). Внутри пластинки он разбивается на обыкновенный (о) и необыкновенный (е) лучи, которые в кристалле пространственно не разделены (но движутся с разными скоростями), а на выходе из кристалла складываются. Так как в обыкновенном и необыкновенном лучах колебания светового вектора совершаются во взаимно перпендикулярных направлениях, то на выходе из пластинки в результате сложения этих колебаний возникают световые волны, вектор Е (а следовательно, и Н) в которых меняется со временем так, что его конец описывает эллипс, ориентированный произвольно относительно координатных осей. Уравнение этого эллипса Так как в обыкновенном и необыкновенном лучах колебания светового вектора совершаются во взаимно перпендикулярных направлениях, то на выходе из пластинки в результате сложения этих колебаний возникают световые волны, вектор Е (а следовательно, и Н) в которых меняется со временем так, что его конец описывает эллипс, ориентированный произвольно относительно координатных осей. Уравнение этого эллипса где Е 0 и Е е соответственно составляющие напряженности электрического поля вол­ны в обыкновенном и необыкновенном лучах, φ разность фаз колебаний. Таким образом, в результате прохождения через кристаллическую пластинку плоскополяризованный свет превращается в эллиптически поляризованный. где Е 0 и Е е соответственно составляющие напряженности электрического поля вол­ны в обыкновенном и необыкновенном лучах, φ разность фаз колебаний. Таким образом, в результате прохождения через кристаллическую пластинку плоскополяризованный свет превращается в эллиптически поляризованный. Рис. 15

26 Между обыкновенным и необыкновенным лучами в пластинке возникает оптическая разность хода Δ=(n 0 -n e )d или разность фаз φ=2π/λ (n 0 -n e )d где d толщина пластинки, λ 0 длина волны света в вакууме. Если Δ=(n 0 – n e ) d=λ /4, < φ =±π/2, то уравнение эллипса примет вид т. е. эллипс ориентирован относительно главных осей кристалла. При Е 0 =Е е (если световой вектор в падающем на пластинку плоскополяризованном свете составляет угол а =45° с направлением оптической оси пластинки) x 2 +y 2 =E 2 0, т. е. эллипс ориентирован относительно главных осей кристалла. При Е 0 =Е е (если световой вектор в падающем на пластинку плоскополяризованном свете составляет угол а =45° с направлением оптической оси пластинки) x 2 +y 2 =E 2 0, т. е. на выходе из пластинки свет оказывается циркулярно поляризованным. Δ=(n 0 -n e )d=+-(m+1/2)λ 0 (m=0, 1, 2,…), Вырезанная параллельно оптической оси пластинка, для которой оптическая разность хода Δ=(n 0 -n e )d=+-(m+1/2)λ 0 (m=0, 1, 2,…), называется пластинкой в четверть волны (пластинкой λ/4) и т.д.

27 В циркулярно поляризованном свете разность фаз φ между любыми двумя взаимно перпендикулярными колебаниями равна ±π/2. Если на пути такого света поставить пластинку λ/4, то она внесет дополнительную разность фаз ± π /2. Результирующая разность фаз станет равной 0 или π. Следовательно, циркулярно поляризованный свет, пройдя пластинку λ/4, становится плоскополяризованным. Если теперь на пути луча поставить поляризатор, то можно добиться полного его гашения. Если же падающий свет естественный, то он при прохождении пластинки λ /4 таковым и останется (ни при каком положении пластинки и поляризатора погашения луча не достичь). Таким образом, если при вращении поляризатора при любом положении пластинки интенсивность не меняется, то падающий свет естественный. Если интенсивность меняется и можно достичь полного гашения луча, то падающий свет циркулярно поляризованный; если полного гашения не достичь, то падающий свет представляет смесь естественного и циркулярно поляризованного.

28 Искусственная оптическая анизотропия Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла и др.); электрического поля (эффект Керра; жидкости, аморфные тела, газы); магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды). В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздействиям. В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздействиям.

29 Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси: n 0 -n e =k 1 σ (в случае деформации) n 0 -n e =k 2 Е 2 (в случае электрического поля) (3) n 0 -n e =k 3 Н 2 (в случае магнитного поля) Где k 1, k 2, k 3 постоянные, характеризующие вещество, σ нормальное напряжение, Е и Н соответственно напряженность электрического и магнитного полей. Где k 1, k 2, k 3 постоянные, характеризующие вещество, σ нормальное напряжение, Е и Н соответственно напряженность электрического и магнитного полей.

30 На рис. 18 приведена установка для наблюдения эффекта Керра в жидкостях (установки для изучения рассмотренных явлений однотипны). Ячейка Керра кювета с жидкостью (например, нитробензолом), в которую введены пластины конденсатора, помещается между скрещенными поляризатором Р и анализатором А. При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит. При наложении электрического поля жидкость становится двоякопреломляющей; при изменении разности потенци­алов между электродами меняется степень анизотропии вещества, а следовательно, и интенсивность света, прошедшего через анализатор. На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода Δ= l (n 0 -n e )=k 2 l E 2 (с учетом формулы (3)) или соответственно разность фаз φ=2πΔ/λ=2πB l E 2, где В= k 2 /λ – постоянная Керра φ=2πΔ/λ=2πB l E 2, где В= k 2 /λ – постоянная Керра Рис. 18

31

32 Вращение плоскости поляризации Некоторые вещества (например, из твердых тел кварц, сахар, киноварь, из жидкостей водный раствор сахара, винная кислота, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации. Вращение плоскости поляризации можно наблюдать на следующем опыте (рис. 19). Если между скрещенными поляризатором Р и анализатором А, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество (например, кювету с раствором сахара), то поле зрения анализатора просветляется. При повороте анализатора на некоторый угол φ можно вновь получить темное поле зрения. Угол φ и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор. Так как поворотом анализатора можно получить темное поле зрения, то свет, прошедший через оптически активное вещество, является плоскополяризованным. Рис. 19

33 Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей φ=αd φ=αd для оптически активных растворов для оптически активных растворов φ=[α]Cd, (4) φ=[α]Cd, (4) где d расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе,α ([α]) так называемое удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концентрации для растворов), С массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м 3. где d расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе,α ([α]) так называемое удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концентрации для растворов), С массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м 3.

34 Опыт показывает, что все вещества, оптически активные в жидком состоянии, обладают таким же свойством и в кристаллическом состоянии. Однако если вещества активны в кристаллическом состоянии, то не всегда активны в жидком (например, расплавленный кварц). Следовательно, оптическая активность обусловливается как строением молекул вещества (их асимметрией), так и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке. Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право- и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором влево (против часовой стрелки). Вращение плоскости поляризации объяснено О. Френелем (1817 г.). Согласно теории Френеля, скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево. Явление вращения плоскости поляризации и, в частности, формула (4) лежат в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемого поляриметрией (сахариметрией). Для этого используется установка, показанная на рис. 19. По найденному углу поворота плоскости поляризации φ и известному значению [φ] из (4) находится концентрация растворенного вещества. Впоследствии М. Фарадеем было обнаружено вращение плоскости поляризации в оптически неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля. Это явление получило название эффекта Фарадея (или магнитного вращения плоскости поляризации). Оно имело огромное значение для науки, так как было первым явлением, в котором обнаружилась связь между оптическими и электромагнитными процессами.

35 Великие физики Томас Юнг Юнг (Young) Томас (13.VI.1773–10.V.1829) Английский физик. Исследования Юнга в области оптики легли в основу его статьи «Механизм глаза» («The Mechanism of the Eye», 1800), в которой он дал объяснение природе аккомодации, астигматизма и цветового зрения. В 1801 при поддержке Б. Румфорда Юнг был назначен профессором Королевского института, где за период с 1801 по 1803 прочитал цикл лекций, изданных впоследствии под названием «Лекции по натуральной философии и механическому искусству» («Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts», 1807). Юнг – один из создателей волновой теории света. Он впервые указал на усиление и ослабление звука при наложении звуковых волн и предложил принцип суперпозиции волн. В 1801 объяснил явление интерференции света, дал интерпретацию колец Ньютона. Выполнил первый эксперимент по наблюдению интерференции, получив два когерентных источника света (1802). В 1803 попытался объяснить дифракцию света. Высказал гипотезу о поперечности световых колебаний, открыл интерференцию УФ-лучей, измерил длины волн света разных цветов. В теории упругости Юнгу принадлежат исследования деформации сдвига. Он же ввел характеристику упругости – модуль растяжения и сжатия (модуль Юнга). В 1801 при поддержке Б. Румфорда Юнг был назначен профессором Королевского института, где за период с 1801 по 1803 прочитал цикл лекций, изданных впоследствии под названием «Лекции по натуральной философии и механическому искусству» («Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts», 1807). Юнг – один из создателей волновой теории света. Он впервые указал на усиление и ослабление звука при наложении звуковых волн и предложил принцип суперпозиции волн. В 1801 объяснил явление интерференции света, дал интерпретацию колец Ньютона. Выполнил первый эксперимент по наблюдению интерференции, получив два когерентных источника света (1802). В 1803 попытался объяснить дифракцию света. Высказал гипотезу о поперечности световых колебаний, открыл интерференцию УФ-лучей, измерил длины волн света разных цветов. В теории упругости Юнгу принадлежат исследования деформации сдвига. Он же ввел характеристику упругости – модуль растяжения и сжатия (модуль Юнга). Вернуться

36 Великие физики Огюстен Френель Огюстен Френель Френель (Fresnel) Огюстен Жан (10.V.1788–14.VI.1827). Френель (Fresnel) Огюстен Жан (10.V.1788–14.VI.1827). Французский физик, один из создателей волновой теории света. Окончил Политехническую школу (1806) и Школу мостов и дорог (1809) в Париже. Работал инженером, в период 100 дней – временного возвращения Наполеона из ссылки – лишился работы как участник военных действий. Впоследствии работал в Политехнической школе. Французский физик, один из создателей волновой теории света. Окончил Политехническую школу (1806) и Школу мостов и дорог (1809) в Париже. Работал инженером, в период 100 дней – временного возвращения Наполеона из ссылки – лишился работы как участник военных действий. Впоследствии работал в Политехнической школе. Работы Френеля посвящены физической оптике. Работы Френеля посвящены физической оптике. Заинтересовавшись работами Э. Малюса, стал самостоятельно изучать физику и вскоре начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 переоткрыл принцип интерференции, добавив к опытам Т. Юнга несколько новых, в частности, опыт с «бизеркалами Френеля». В 1816 дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элементарных волн и их интерференции (принцип Гюйгенса–Френеля). Исходя их этих двух принципов, разработал в 1818 теорию дифракции света. Предложил способ расчета дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (зоны Френеля). С его помощью рассмотрел дифракцию от края препятствия и круглого отверстия. В 1821 доказал поперечность световых волн (к этой идее он пришел независимо от Т. Юнга). В 1823 установил законы поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля). Изобрел ряд интерференционных приборов (зеркала Френеля, бипризма Френеля, линза Френеля). В 1823 Френель был избран членом Парижской АН, в 1825 стал членом Лондонского королевского общества. Заинтересовавшись работами Э. Малюса, стал самостоятельно изучать физику и вскоре начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 переоткрыл принцип интерференции, добавив к опытам Т. Юнга несколько новых, в частности, опыт с «бизеркалами Френеля». В 1816 дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элементарных волн и их интерференции (принцип Гюйгенса–Френеля). Исходя их этих двух принципов, разработал в 1818 теорию дифракции света. Предложил способ расчета дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (зоны Френеля). С его помощью рассмотрел дифракцию от края препятствия и круглого отверстия. В 1821 доказал поперечность световых волн (к этой идее он пришел независимо от Т. Юнга). В 1823 установил законы поляризации света при его отражении и преломлении (формулы Френеля). Изобрел ряд интерференционных приборов (зеркала Френеля, бипризма Френеля, линза Френеля). В 1823 Френель был избран членом Парижской АН, в 1825 стал членом Лондонского королевского общества. Вернуться

37 Великие физики Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла – Кремоны), термодинамике, истории физики и др. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла – Кремоны), термодинамике, истории физики и др. О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием XIX столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием». О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием XIX столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием». Джеймс Максвелл Максвелл (Maxwell) Джеймс Клерк (1831–79) Английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Вернуться

38 Спасибо за внимание!