Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 12 ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

12.7. Поляризация света. Методы получения поляризованного света

Рассмотрены явления дисперсии, интерференции и дифракции света ярко подтверждают его волновую природу. Некоторые физики XVIII - начала XIX в., среди которых основоположники волновой теории света X. Гюйгенс, Т. Юнг, считали световые волны продольными. Так легче было объяснить распространение света в так называемом эфире, который представляли как очень разреженный газ, поскольку, как известно, в газах и жидкостях распространяются только продольные волны. Однако 1819 г. О. Френель и Д. Араго открыли новое явление - поляризацию света, которое невозможно объяснить, исходя из таких представлений. Рассмотрим прохождение света через кристалл турмалина. Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки из турмалина, вырезанные так, что одна из сторон (затемнена на рис. 12.14, а) прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, называется оптической осью. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы их оси совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от какого-то источника или от Солнца. Вращая одну из пластинок вокруг пучка (вторая неподвижная), обнаружим, что следует пучка будет становиться слабее, а когда пластинка повернется на 90°, он совсем исчезнет (рис. 12.14, б). При дальнейшем вращении пластинки пучок света, что проходит, снова начнет усиливаться и достигнет предыдущей интенсивности при поворачивании пластинки на 180°, то есть, когда оптические оси пластинок снова разместятся параллельно. При дальнейшем вращении кристалла турмалина пучок снова ослабевает, проходит через минимум (исчезает), когда оси пластинок перпендикулярны, и достигает прежней интенсивности, когда пластинка возвращается в исходное положение. Следовательно, при вращении пластинки на 360° интенсивность пучка света, прошедшего через обе пластинки, дважды достигнет максимума (если оси пластинок параллельны) и дважды пройдет через минимум (если оси перпендикулярны). Ход этих явлений абсолютно одинаковый независимо от того, какую из двух пластинок мы вернули и в сторону, а также от того, будут касаться пластинки друг к другу, находиться на некотором расстоянии. Однако если убрать одну из пластинок и вращать вторую или вращать обе пластинки вместе так, чтобы их оси все время образовывали неизменный угол, то интенсивность пучка света не будет меняться. Следовательно, интенсивность будет меняться только тогда, когда свет, который прошел одну пластинку, попадает на вторую, ось которой изменяет свое направление относительно оси первой пластинки. Свет, прошедшего через турмалин, приобретает особые свойства. Световой пучок перестает быть симметричным относительно луча: плоскость, в которой размещается луч и ось пластинки турмалина, отличается от плоскости, в которой размещается луч и перпендикуляр к оси пластинки турмалина. Поэтому способность такого луча проходить через вторую пластинку турмалина зависит от ориентации ее относительно луча. Такой асимметрии нет в пучке света, что идет непосредственно от источника, и ориентация пластинки турмалина для такого пучка света не влияет на его интенсивность. Эти явления можно объяснить так.

1. Пластинка турмалина способна пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены параллельно ее оптической оси.

2. Световые колебания в пучке направленные перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечные).

3. Свет от источника (Солнца) имеет поперечные колебания любого направления и к тому же количественное отношение их одинаковое, следовательно, ни одно направление не является преобладающим. Свет, в котором в одинаковой количестве есть все направления поперечных колебаний, называют естественным. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из всех направлений поперечных колебаний отбираются лишь те, которые пропускает турмалин. Поэтому свет, прошедшего через турмалин, является совокупностью поперечных колебаний одного направления, который определяется ориентацией оси пластинки турмалина. Такой свет называют плоскополяризованим.

а б

Рис. 12.14

Плоскость, в которой колеблется электрический вектор, называют плоскостью колебаний поляризованного света, а плоскость, перпендикулярную к ней, - плоскостью поляризации. Явление получения поляризованного света из естественного называют поляризацией. Следовательно, при прохождении света через две последовательно поставленные пластинки турмалина первая пластинка поляризует (ее называют поляризатором) пучок света, проходящий через нее, и оставляет в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через вторую пластинку турмалина полностью только тогда, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым пластинкой, то есть когда ее оптическая ось параллельна оси первой пластинки. Если же направление колебаний поляризованного света перпендикулярен к направлению колебаний, пропускаемых вторым пластинкой, то свет будет полностью задержано. Это происходит тогда, когда пластинки турмалина скрещены, то есть их оси образуют угол 90 . Наконец, если направление колебаний в поляризованном свете образует острый угол с направлением, которое пропускает турмалин, то колебания будут пропущены частично. Вторую пластинку, с помощью которой наблюдают поляризации света, называется анализатором.

Кроме кристалла турмалина известны и другие кристаллы, которые поляризуют свет. Однако большинство из них, например исландский шпат, пропускает одновременно два луча, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Это нередко создает трудности в наблюдении поляризованного света и требует специальных приспособлений для отделения одного из этих лучей от второго. Турмалин поглощает один из поляризованных лучей настолько сильно, что через пластинку, толщина которой около 1 мм, практически проходит только один луч, поляризованный в определенном направлении.

Поляризация света наблюдается не только при прохождении его через кристаллические пластинки, но и в других случаях, например при отражении и преломлении света. Одним из простейших способов получение плоскополяризованого света (колебания происходят в одной плоскости) отражение света от поверхности стекла. Экспериментально установлено, что отражено от поверхности изотропной диэлектрической среды свет будет полностью поляризованным, если тангенс угла падения равен его показателе преломления:

Соотношение (12.25) называют законом Брюстера, а угол φ - углом полной поляризации, или углом Брюстера.

Свет поляризуется при рассеянии на частицах, значительно меньших световую волну. Рассеянный свет под углом 90° к направления распространения пучка света является полностью поляризованным. Под другими углами оно оказывается частично поляризованным. Частично поляризованный свет отличается от естественного (неполяризованного) тем, что у него амплитуда колебаний в одной определенной плоскости больше или меньше амплитуд колебаний в других плоскостях. Примером такого частично поляризованного света является свет, отраженный от стекла под углом, отличающимся от угла полной поляризации, а также свет, преломленное стеклом, которым пользуются для получения полностью поляризованного света. Для этого свет пропускают через совокупность стеклянных пластинок. При каждом преломлении степень поляризации увеличивается и при росте количества пластинок приближается к 100 % . Практически уже при девяти пластинках степень поляризации достаточный. Все приборы, которые дают поляризованный свет, называют поляризаторами. Эти приборы используют также для обнаружения поляризации света. В этом случае их называют анализаторами.

Для получения плоскополяризованого света применяют так называемые поляроиды - целлулоидные пленки, на которые наносят одинаково ориентированные кристаллы герапатита - сульфата йодистого хініну. их широко используют в автомобильной промышленности. Например, пластинки поляроїда закрепляют на переднем стекле автомобиля и на фарах. Пластинка поляроїда на переднем стекле есть анализатором, пластинки на фарах - поляризаторами. Плоскости поляризации пластинок образуют угол 45° с горизонтом и параллельны друг другу. Водитель, глядя на дорогу через поляроид, видит отраженный свет от фар своей машины, то есть видит освещенную ими дорогу, поскольку соответствующие плоскости поляризации параллельны, но не видит света от фар встречного автомобиля, которые покрыты поляроидом. Плоскости поляризации их взаимно перпендикулярны. Это защищает водителя от осліплювальної действия фар встречного автомобиля.

Итак, открытие В. Френелем и Д. Араго поляризации света свидетельствует о том, что световые волны поперечные. При этом возникло немало трудностей, в частности с тем, что гипотеза упругого эфира и представление о свете как упругие волны в нем не нашли научного обоснования. Далее были установлены факты, что обнаружили тесную связь между электромагнитными и оптическими явлениями; поставлены опыты, которые показывали возможность воздействия за помощью магнитного или электрического поля на характер поляризации света, которое излучается атомами, возможность с помощью света повлечь некоторые электрические процессы (например, фотоэффект). Связь между оптическими и электромагнитными явлениями нашел свое полное отражение в электромагнитной теории света Максвелла.

Следовательно, световые волны - это электромагнитные волны, которые являются распространением переменных электрического и магнитного полей, причем напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны друг к другу и к линии распространения волны: световые (электромагнитные) волны поперечные. Поперечність световых волн, доказана в опытах по поляризации света, естественно объясняется электромагнитной теорией света. Направление световых колебаний определяется направлением колебаний вектора электрической напряженности. Специальные опыты позволили установить, что у волны, которая проходит через турмалин, колебания вектора электрической напряженности направлены вдоль оптической оси турмалина. Кроме плоскополяризованого света есть еще два важных виды поляризованного света - свет, поляризованный по кругу, эллиптически поляризованный свет. В случаях поляризации света по кругу и эллипсу вектор напряженности электрического поля Е вращается вокруг направления распространения с частотой световых колебаний, а конец вектора Е описывает при этом окружность или эллипс соответственно. Аналогичный процесс и для вектора напряженности магнитного поля Н. Если при наблюдении луча, что идет навстречу наблюдателю, вектор напряженности электрического поля вращается по ходом стрелки часов, то такой луч света называют поляризованным по правом кругу. Если же при этих условиях вращение происходит против хода стрелки часов, то свет будет поляризован по левому кругу. Однако наиболее общим типом поляризации света является эллиптически поляризованный свет, другие виды поляризации являются его частными случаями. С эллиптической поляризацией связано общее определение естественного света. С. И. Вавилов писал, что естественный свет теоретически можно осуществить многочисленными способами, рассматривая его либо как результат наложения однотипных эллипсов с хаотично размещенными осями, или как сумму любых хаотично ориентированных эллипсов.