Лекции по физике

Поляризация света. Взаимодествие света с веществом.

Явление поляризации.

 Обычно считается, чтопонятие поляризации связано с сохранением неизменной ориентации плоскости колебаний. Говорить о поляризации имеет смысл только для поперечных колебаний. Свет, как мы знаем, является электромагнитной волной, а эти волны – поперечны и поляризованы (см.рис.37) так, что казалось бы, световые колебания всегда должны быть поляризованы. Однако мы знаем, что световые волны испускаются отдельными цугами, продолжительность которых не превышает 10–8 сек. Процесс испускания является слу

pic53Рис.53. Прохождение света через

 анализатор и поляризатор.

чайным, и фаза испущенной волны, а также ориентации векторов Е и В в плоскости, пер пендикулярной направлению излучения, могут быть любыми.Т.к. вектора Е и В в волне жестко связаны друг с другом, имеет смысл рассматривать лишь один из них (пусть, для определенности, это будет вектор Е). В среднем, в любой волне все допустимые ориентации вектора Е

равновероятны (см. рис.53). Существуют приспобления, называемые поляризаторами, которые обладают способностью пропускать через себя световые лучи

только с одним направлением плоскости колебаний электрического вектора Е, так что на выходе поляризатора свет становится плоско (линейно) поляризованным. Человеческий глаз не в состоянии обнаружить, поляризован свет или неполяризован. Для того, чтобы обнаружить это, необходимо использовать второе такое же приспособление, которое называют анализатором. Если направление пропускания анализатора и поляризатора совпадают, луч света на выходе из анализатора имеет максимальную интенсивность. При произвольном угле a между направлениями анализатора и поляризатора (см.рис.53) амплитуда световых колебаний, выходящих из анализатора ЕА = ЕП cosa, где ЕП – амплитуда колебаний на выходе из поляризатора. В электромагнитной волне плотность энергии (интенсивность) пропорциональна квадрату амплитуды колебаний Е, т.е. I П ~ Е и IА ~ Е . На основании этого получаем:

 .

Это соотношение называется законом Малюса.

Закон Брюстера.

 Простейшим приспособлением для поляризации света может служить прозрачное диэлектрическое зеркало. Пусть на диэлектрик (см. рис.54) падает луч естественного све

pic54

Рис.54. Поляризация света при отражении и преломлении.

та. Обозначим через n2 коэффициент преломления диэлектрика, а через n1 – коэффициент преломления среды, откуда падает свет (a угол падения, b угол преломления). Условимся изображать направление колебаний вектора Е в виде точек или тонких черточек, где точка изображает направление вектора, перпендикулярное плоскости чертежа, а черточка означает, что вектор Е лежит в плоскости чертежа. В естественном свете равновероятны все направления колебаний Е, что изображается в виде того, что количество точек и черточек одинаково. Опыт показывает, что отраженный и преломленнвй лучи становятся частично поляризованными, причем в отраженном свете преобладающими становятся колебания, плоскость которых перпендикулярна плос

кости чертежа, а в преломленном предпочтительнее оказываются направления колебаний в плоскости чертежа ( на рис. это изображается в виде преимущества числа точек или черточек). Существует угол падения, при котором отраженные лучи становятся полностью поляризованными. Этот угол называется углом Брюстера, его значение связано с отношением n2/n1 = n21, т.е. относительным показателем преломления:

 .

Качественное объяснение этого закона следует из рассмотрения микроскопической картины распространения светв в веществе. Рассмотрим упрощенную модель взаимодействия света с веществом, согласно которой переменное электрическое поле световой волны приводит в двихение атомы вещества. Атом же представим как диполь, где роль отрицательного заряда

pic55

Рис.55. Индикатрисса излучения диполя.

играет внешний электрон, а вся остальная часть атома рассматривается как положительный заряд (ион). Т.к. масса положительного иона во много раз ( более 2000) больше, чем масса электрона, можно рассматривать лишь колебания электрона. Строгая теория электромагнетиза показывает, что колеблющийся диполь становится излучателем электромагнитных волн, причем интенсивность излучения различна в разных направлениях. Для иллюстрации анизотропности излуча

тельной способности диполя строится диаграмма (индикатрисса), на которой интенсивность излучения в заданном направлении изображается в виде вектора. Длина этого вектора и характеризует интенсивность излучения. Пространственное изображение индикатриссы приведено на рис.55. В правой части рисунка показано сечение диаграммы вертикальной плоскостью, проходящей через центр диаграммы.

 Положения рассмотренной модели применим для объяснения закона Брюстера. В падающем на границу раздела двух сред естественном свете вектор Е принимает всевозможные направления (см.рис.53), но без ограничения общности можно рассматривать лишь два:

pic56

Рис.56. К выводу закона Брюстера.

Е и Е , т.к. любой вектор Е можно представить как их сумму (см.  левую часть рис.56). Вектор Е соответствует колебаниям, которые происходят в направлении, перпендикулярным плоскости чертежа,а Е характеризует колебания в этой плоскости. Представляет интерес рассмотреть лишь составляющую Е .Если диполь излучает волну Е  в направлении преломленного луча ( пра

вая часть рис.56), то из диаграммы направленности следует, что в направлении,перпендикулярном этому лучу, никакого излучения не происходит. В этом направлении излучаются лишь волны с напряженностью Е . Из этого следует, что если луч преломленный и луч отраженный перпендикулярны друг другу, то в отраженном свете полностью отсутствуют колебания с Е .Из рисунка видно, что b +a + 900 = 1800,или b+a =900, тогда как из закона преломления следует, что sina = n21 sinb . Подставляя в закон преломления b = 900 a , получим sina = n21sin(900 a) = n21cosa, т.е.

 tga = n21.

На главную