Поляризація світлової хвилі

Електромагнітні хвилі довжиною сприймаються людським оком як видиме світло. В електромагнітній хвилі коливаються вектори і , однак слід підкреслити особливу важливість коливань саме електричного поля. Як показує дослід, фізіологічне сприйняття світла (наприклад, оком людини і тварини), а також фотохімічна дія світла (фотоефект) викликаються коливанням вектора . Про магнітний вектор світлової хвилі практично згадувати не будемо.

В силу поперечності електромагнітної хвилі світловий вектор завжди перпендикулярний до напрямку розповсюдження хвилі променя (рис.6.6)

Рис. 6.6

Звичайні джерела світла є сукупністю великої кількості елементарних випромінювачив (атомів або молекул), які випромінюють хвилі незалежно один від одного з різними напрямками світлових векторів . Накладаючись одна на одну, ці хвилі утворюють результуючу хвилю, в якій напрямки коливань результуючого вектора Е швидко і хаотично змінюють один одного і з однаковою ймовірністю можуть відбуватись у всіх напрямках. Таке світло називається природнім або неполяризованим.

У поляризованих світлових хвиль, на відміну від неполяризованих, орієнтація світлового вектора в будь якій точці простору протягом часу залишається незмінною, або змінюється по певному закону. Так, якщо коливання світлового вектора відбувається тільки в одній площині світло називається плоско або лінійно поляризованим (див. рис. 6.3).

Впорядкованість може полягати в тому, що вектор повертається навколо променя, і одночасно змінює свою величину, в результаті кінець вектора описує еліпс (рис. 6.7,а).

а) б)

Рис. 6.7

Таке світло називається еліптично поляризованим. Якщо кінець вектора Е описує коло, світло називається поляризованим по колу (рис.6.7,б). Світло, у якого зміни напрямку світлового вектора в просторі впорядковані лише частково, називається частково поляризованим. Його можна розглядати, як суміш природного і поляризованого світла.

Око не відрізняє природне світло від поляризованого, але є цілий ряд явищ властивих тільки поляризованому світлу, завдяки яким воно знаходить практичне використання. Наприклад, при вивченні різних фізичних властивостей речовини (зокрема полімерів), складу і будови молекул, структури кристалічних решіток; дослідження мінералів; кількісного аналізу речовини (визначення концентрації цукру в розчинах).

Поляризоване світло можна одержати з природного світла. Процес одержання поляризованого світла називають поляризацією світла. Існує декілька способів поляризації природного світла. Один з них - це одержання поляризованого світла при його відбиванні або заломленні. Так при відбиванні від поверхні діелектрика, природне світло буде повністю поляризоване, якщо тангенс кута падіння дорівнює показнику заломлення діелектрика: . Це співвідношення називається законом Брюстера. Кут називають кутом повної поляризації або кутом Брюстера.

На практиці для отримання лінійно-поляризованого світла користуються спеціальними оптичними пристроями - поляризаторами. До найбільш розповсюджених типів поляризаторів відносяться кристали турмаліна, поляризаційна призма Ніколя і поляризаційні плівки. Дія цих пристроїв основана на тому, що вони пропускають світлові коливання, які відбуваються тільки в певній площині. Щоб це зрозуміти. Розглянемо більш просте явище - поляризацію хвилі, що розповсюджуються при коливаннях мотузка. Мотузок можна змусити коливатись у вертикальній, або у горизонтальній площині (рис. 6.8).

В обох випадках хвиля виявляється плоскополяризованою, тобто усі коливання відбуваються в одній площині.

Якщо на шляху хвилі поставити перешкоду з вертикальною щілиною (рис. 6.9,а), то поляризована хвиля пройде крізь неї, а горизонтально поляризована через перешкоду не проходить (рис.6.9,б).

Так само оптичні поляризатори без перешкоди (без витрат) пропускають світловий промінь однієї поляризації і поглинають світло, яке поляризоване в перпендикулярній площині.

а) б)

Рис. 6.8

Рис. 6.9

Рис.6.10

Наприклад, вертикальний поляризатор пропускає тільки вертикальну складову падаючої хвилі (рис. 6.10).

Таким чином, поляризатори вільно пропускають коливання, що паралельні площині, яку називають площиною поляризатора, а напрямок у якому коливається вектор називають дозволеним напрямком поляризатора.

Як це виникає, можна пояснити розглядаючи структуру молекул з яких складається поляризатор. Необхідно щоб речовина поляризатора мала анізотропні властивості (різні у різних напрямках), щодо електричних коливань.

Уявимо собі, наприклад, що більшість молекул поляризатора мають витягнуту форму в горизонтальному напрямку і електрони будуть коливатись вздовж осей молекул.

Якщо вектори коливаються в горизонтальній площині, вздовж осей «довгих» молекул, то електрони будуть переміщуватись вздовж молекул. Тобто в цьому напрямку виникає електричний струм, який називають поляризаційним. Електричне поле буде здійснювати певну роботу, яка витрачається на збільшення внутрішньої енергії речовини поляризатора. Отже, якщо вектор паралельний молекулам (лежить в горизонтальній площині), то електрична хвиля поглинається (її енергія зменшується).

Коли ж вектори коливаються перпендикулярно осям «довгих» молекул (у вертикальному напрямку), то електрони практично не коливаються, електричне поле не буде здійснювати роботу і поглинання відсутнє.

Таким чином, із електричних коливань звичайного світла, з будь-якими напрямками, через поляризатор проходять (без поглинання) тільки ті, які здійснюються у площині, що відповідає мінімуму поляризаційного струму, решта коливань поглинається.

Одним з найбільш поширених поляризаторів є призма Ніколя або ніколь (за ім’ям шотландського вченого У. Ніколя). Вона являє собою подвійну призму з ісландського шпату, яка склеєна вздовж лінії АВ канадським бальзамом з (рис. 6.11).

Рис.6.11

В деяких анізотропних кристалах, у тому числі ісландському шпаті, спостерігається незвичайне явище подвійного променезаломлення. У таких кристалах існує напрямок, який називають оптичною віссю (вісь на рис. 6.11). Якщо звичайне світло входить у кристал вздовж оптичної осі, то нічого аномального не виникає. Але, якщо природне світло падає під кутом до оптичної осі, то в кристалі виникає два заломлених променя.

На рис.6.11 показано, що промінь природного світла, який падає на грань призми Ніколя розщеплюється на два променя: звичайний (1) і незвичайний (2). Назву незвичайного промінь отримав тому, що він практично не заломлюється на гранях призми. Обидва промені однакові по інтенсивності і повністю поляризовані. Площина поляризації звичайного променя перпендикулярна площині рисунка. Площина поляризації незвичайного променя співпадає з площиною рисунка. Звичайний промінь, внаслідок повного відбивання від границі АВ відхиляється і поглинається зачорненою поверхнею призми. Таким чином, з призми виходить один плоскополяризований промінь.

Уявимо тепер, що на поляризатор падає пучок плоскополяризованого світла, і між площиною поляризації світла і площиною поляризатора є кут (рис. 6.12.).

Рис.6.12

Після поляризатора світло буде поляризоване у площині, яка паралельна площині поляризатора. Таким чином, через поляризатор проходить тільки складова , а складова поглинається. Амплітуда світлового вектора на виході поляризатора зменшується:

.

Інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди світлового вектора, тому інтенсивність світла яке пройшло через поляризатор визначається формулою:

,

де - інтенсивність падаючого світла;

- кут між площиною поляризатора і площиною поляризації падаючої хвилі.

Це співвідношення носить назву закону Малюса.

Щоб дослідити, чи дійсно світло після проходження поляризатора є плоскополяризованим, на шляху променя ставлять другий поляризатор, який називають аналізатором. Назва вказує, на те, що він використовується для аналізу поляризованого світла, але фактично він є таким самим поляризатором.

Якщо дозволені напрямки поляризатора і аналізатора утворюють кут (рис. 6.13), то амплітуда коливань на виході аналізатора буде менше амплітуди світлових коливань на виході поляризатора:

.

Рис. 6.13

Якщо дозволені напрямки поляризатора і аналізатора перпендикулярні ( ), то через аналізатор світло не проходить.

Оптично активні речовини

При проходженні плоскополяризованого світла крізь деякі речовини виявляється, що площина, в якій коливається вектор (площина поляризації) поступово повертається на деякій кут навколо напрямку променя (рис. 6.14).

Рис. 6.14

Такі речовини отримали назву оптично активних. До них відносяться деякі тверді речовини (наприклад кварц), а також рідини (наприклад скипидар, розчин цукру).

Напрямок обертання площини поляризації прийнято визначати для спостерігача, який дивиться назустріч світловому променю. Якщо площина поляризації обертається за годинниковою стрілкою, то речовину називають правообертаючою, в протилежному випадку - лівообертаючою.

Оптична активність обумовлена асиметрією молекул (для твердих тіл). Внаслідок досить складної взаємодії поляризованого світла і оптично активної речовини відбувається обертання векторів на деякий кут .

В оптично активних кристалах кут обертання пропорційний шляху , який проходить промінь у кристалі: . В розчинах кут пропорційний також шляху і концентрації речовини:

.

Коефіцієнт пропорційності називають питомою постійною обертання, або просто питомим обертанням.

Питоме обертання залежить від природи речовини, температури і зворотньо пропорційне довжині світла.

Оскільки кут обертання площини поляризації пропорційний концентрації С, то можна визначити концентрацію, якщо виміряти кут .

Оптична активність використовується також при визначенні просторової структури великих молекул (наприклад білків) або її зміни в різних умовах.

Скло і пластмаса набувають оптичну активність у деформованому стані. Обертання площини поляризації максимальне у місцях з найбільшою напруженістю. Моделі кісток, або деталей машин, які вироблені з прозорих матеріалів, можна використовувати для візуального спостереження точок найбільшої напруженості.

Для дослідження явищ, пов’язаних з поляризацією розроблені спеціальні прилади, які називаються поляриметрами.

Поляриметри, які призначені для визначення концентрації цукру у розчинах називають сахариметрами.

Завдання роботи

1. Вивчити будову і оптичну схему сахариметра СУ-4. 2. Визначити питоме обертання. 3. Навчитись вимірювати концентрацію оптично-активних розчинів.

Виконання роботи

Прилади і матеріали: сахариметр, розчин з цукром, дистильована вода, фільтрувальний папір, серветки.