ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА. ПОПЕРЕЧНІСТЬ СВІТЛОВИХ ХВИЛЬ І ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ТЕОРІЯ СВІТЛА
ОПТИКА І КВАНТОВА ФІЗИКА
РОЗДІЛ. 4 Хвильова і квантова оптика
§ 35. ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА. ПОПЕРЕЧНІСТЬ СВІТЛОВИХ ХВИЛЬ І ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ТЕОРІЯ СВІТЛА
Явища інтерференції і дифракції світла свідчать про хвильові властивості світла. Проте ці явища в рівній мірі властиві і поперечним і поздовжнім хвилям. Для встановлення природи світлових хвиль важливо з’ясувати, якими вони є – поздовжніми чи поперечними.
Засновники хвильової оптики Юнг і Френель довго вважали, що світлові хвилі поздовжні, як і звукові. У той час світлові хвилі
Проте поступово збиралось усе більше фактів, які не можна було пояснити, вважаючи світлові хвилі поздовжніми. Під тиском цих фактів Френель зрештою змушений був визнати, що світлові хвилі поперечні, хоч з погляду теорії механічного ефіру, як носія світлових хвиль, це здавалося дуже дивним.
Встановимо дві пластини, вирізані
Цей результат можна пояснити так. Світло, що випускається лампою розжарювання, не поляризоване. Пройшовши крізь перший кристал турмаліну, світло стає плоскополяризованим. Цей кристал турмаліну є поляризатором світла. Другий кристал турмаліну слугує аналізатором: він майже повністю пропускає поляризоване світло лише при певній орієнтації кристала щодо площини поляризації (мал. 165, а). Якщо ж аналізатор повернути на 90°, то вже поляризоване світло він практично не буде пропускати (мал. 165, б).
Окрім турмаліну, такі властивості має кварцева пластина, вирізана певним чином з кристала. Прозорі плівки, що можуть слугувати поляризаторами і аналізаторами світла, отримали назву поляроїдів.
На сьогодні розроблені методи виробництва простих і зручних поляроїдів.
Площину, яка пропускає максимальне поляризоване світло, називають площиною пропускання поляроїда.
Поляризація властива тільки поперечним хвилям. Якщо хвилі поляризуються, то вони є поперечними. Поздовжні хвилі не поляризуються. Явище поляризації світла свідчить про те, що світлові хвилі є поперечними.
Неважко побудувати просту наочну механічну модель розглядуваного явища. Можна утворити поперечну хвилю в гумовому шнурі так, щоб коливання швидко змінювали свій напрям у просторі. Це є аналогом природної
Мал. 165
Мал. 166
Світлової хвилі. Пропустимо тепер шнур крізь вузький дерев’яний ящик (мал. 166). З коливань різних напрямів ящик “виділить” коливання в одній певній площині. Тому з ящика виходить поляризована хвиля.
Якщо на її шляху поставити ще один такий самий ящик, але повернутий до першого на 90°, то коливання через нього не пройдуть. Хвиля повністю погаситься.
Поляризоване світло знаходить широке застосування в наукових дослідженнях і в техніці. У багатьох випадках доводиться плавно регулювати освітлення того або іншого об’єкта. Поставивши перед джерелом світла поляризатор і аналізатор, можна, поволі повертаючи аналізатор, плавно змінювати освітлення об’єкта від максимального до повної темноти.
Поляроїди використовують для гасіння дзеркально відбитих відблисків, наприклад при фотографуванні картин, скляних і фарфорових виробів та ін. Світло відблисків частково поляризоване. Якщо помістити поляроїд між джерелом світла і віддзеркалювальною поверхнею, то відблиски можна зовсім погасити.
У будівельній і машинобудівній техніці явище поляризації використовують для вивчення напруги, що виникає в окремих вузлах споруд і машин. Суть цього методу дослідження, названого фотопружним, полягає в наступному. З прозорого матеріалу (наприклад, з органічного скла) виготовляють точну копію тієї деталі, напругу в якій треба вивчити. Потім цю модель ставлять між аналізатором А і поляризатором Р, освітлюють і проектують на екран (мал. 167). Оскільки недеформована пластинка органічного скла оптично однорідна, то на екрані видно лише її контури. При деформації моделі оптична однорідність органічного скла порушиться і на екрані з’явиться барвиста картина напруги, що виникла в деталі.
Поляризацію використовують в декоративних цілях (наприклад, у пристрої вітрин, під час театральних постановок і тому подібне), у геології і ряді інших галузей науки і техніки.
Тепер розглянемо, яку ж природу має світло, якою теорією воно описується.
Дж. Максвелл суто теоретично показав можливість існування електромагнітних хвиль. Він довів, що швидкість поширення цих хвиль у вакуумі має дорівнювати швидкості
Мал. 167
Світла, яка на той час уже була відома. Виходячи з цього, Максвелл припустив, що світло – це електромагнітна хвиля.
Крім того, з теорії Максвелла безпосередньо випливає, що електромагнітні хвилі поперечні. На той час поперечність електромагнітних хвиль уже було доведено експериментально. Тому Максвелл цілком правильно вважав поперечність електромагнітних хвиль ще одним важливим доказом на користь електромагнітної теорії світла.
Після того як Герц експериментально одержав електромагнітні хвилі й виміряв їх швидкість, електромагнітна теорія світла дістала перше експериментальне підтвердження. Було доведено, що під час поширення електромагнітні хвилі виявляють такі самі властивості, що й світлові: відбивання, заломлення, інтерференцію, дифракцію, поляризацію тощо. У кінці XIX ст. було остаточно встановлено, що світлові хвилі збуджуються зарядженими частинками, які рухаються в атомах.
З визнанням електромагнітної теорії світла відпала потреба вводити гіпотетичне середовище – ефір, який доводилось вважати твердим тілом. Світлові хвилі – це не механічні хвилі в особливому всепроникному середовищі – ефірі, а електромагнітні хвилі. Електромагнітні ж процеси підлягають не законам механіки, а своїм власним законам.
В електромагнітній хвилі вектори Е і В перпендикулярні один до одного. У природному світлі напруженість електричного поля Е і магнітної індукції В коливається в усіх напрямах, перпендикулярних до напряму поширення хвилі. Якщо світло поляризоване, то вектори Е і В коливаються не в усіх напрямах, а лише в двох певних площинах.
Це цікаво знати
Відкриття явища поляризації світла
Встановлення закономірного зв’язку між зовнішньою формою і оптичними властивостями кристалів стало можливим після того, як французький фізик Е. Л. Малюс (1775-1812) відкрив у 1810 р. явище поляризації світла. Хоча в літературі можна знайти дані, що першовідкривачем взаємозв’язку між кристалічною формою і явищем подвійного променезапомлення є Ш. Ф. Цистерной дю Фай (1698-1739). Відкриття поляризації світла відбулося наступним чином: одного разу вчений розглядав крізь кристал ісландського шпату вікна Люксембурзького палацу, освітлені сонцем, що заходило. Обертаючи кристал, Малюс звернув увагу на періодичні затемнення інтенсивності відбитих променів. Спостерігаючи відбиття світла від скла і води, вчений встановив, що відбиті промені частково поляризовані.
В історії кристалооптики Малюс відомий як автор “Теорії подвійного променезаломлення у кристалічних тілах”, яка відзначена в 1810 р. академічною премією. Малюс сконструював перший поляризаційний прилад, за допомогою якого підтвердив твердження Гаюї про те, що кристали у формі кубів і октаедрів не мають властивостей подвійного променезапомлення. Малюса слід вважати автором відкриття оптично
Мал. 168
Двовісних кристалів. Ж. Б. Біо (1774- 1862) вперше чітко показав різницю між оптично одновісними і двовісними кристалами і, крім того, поділив і ті, й інші, на оптично позитивні та оптично негативні. До першої групи він відніс кварц, а до другої – кальцит.
Пізніше Малюс за допомогою приладу, що складається зі штатива і дзеркала, зображеного на мал. 168, показав, що при звичайному заломленні, наприклад, у склі, заломлений промінь також є поляризований і притому перпендикулярно до відбитого променя. Частина променя світла S, що падає на скляну пластинку, частково поглинається склом, а частково відбивається від нього. Ці два промені, на які розкладається падаючий промінь, поляризовані й перпендикулярні один до одного.
Важливі досягнення в галузі експериментальної кристалооптики, які знаменували новий етап в її розвитку, зв’язані з іменем шотландського фізика Д. Брюстера (1781 – 1868). Перше дослідження Брюстера було присвячено закономірностям співвідношення між оптичними та геометричними властивостями кристалів (“Про закон поляризації та подвійне променезаломлення у правильно кристалізованих тілах” (1818)). Базуючись на своїх теоретичних поглядах, Брюстер пояснив причину подвійного променезаломлення в кристалах тим, що “на незвичайний промінь впливають сили, що виходять із однієї чи декількох осей”. Брюстер вперше відкрив анізотропію поглинання світла у забарвлених кристалах. Англійському фізику Дж. Гершелю (1792-1871) вдалося виявити взаємозв’язок між обертанням площини поляризації та зовнішньою формою кристала (вперше здогадався про це ще Ганзі).
Описані вище відкриття в галузі кристалооптики носили в основному емпіричний характер. Докорінні змінну розвиток кристалооптики внесли англієць Т. Юнг (1773- 1829) та француз О. Ж. Френель (1788-1827). В. І. Вернадський справедливо зазначив, що “заслуги їх з точки зору розробки принципів хвильової теорії світла можуть бути порівняні, але в оптиці кристалів досягнення Френеля, без сумніву, має найбільше значення”. Причину подвійного променезаломлення світла у кристалах Френель зв’язував з неоднаковою пружністю світлового ефіру в різних напрямах кристала. Вчений вважав, що швидкість поширення променя в кристалі можна записати за допомогою Формули 
Де v – швидкість променя; Q – пружність світлового ефіру; r – густина світлового ефіру.
Френель вважав, що величина 
у кристалі змінюється від напряму за законом еліпсоїда. Цей уявний еліпсоїд і є так званий еліпсоїд Френеля. Розрізняють три види еліпсоїдів Френеля: тривісний (еліпсоїд загального вигляду), який характеризує оптичні двовісні кристали, тобто кристали нижчих категорій; еліпсоїд обертання, який властивий оптично одновісним кристалам середніх сингоній; сфера, що притаманна оптично ізотропним кристалам вищих категорій, тобто кристалам кубічної сингонії. Еліпсоїд Френеля дає не лише поняття про оптичні властивості кристала, а й змогу побудувати відповідні поверхні світлових хвиль. Теорію Френеля продовжував розвивати німецький кристалограф і фізик Ф. Нейман (1798-1895).
Одночасно із дослідженнями оптичних властивостей кристалів відбувалося вдосконалення поляризаційної апаратури (Араго, Нерберг, Амічі), У. Тальбот (1800-1877) створює перший поляризаційний мікроскоп.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...