Поляризация света

В главе рассматриваются методы получения упорядоченной ориентации электрического и магнитного векторов в свето­вых волнах и некоторые свойства таких волн.

 

§ 20.1. Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса

Электромагнитнаю волну, в которой векторы и, следо­вательно, векторы лежат во вполне определенных плоскос­тях, называют плоскополяризованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор и на­правление распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. В ес­тественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампы, га­зоразрядной трубки, пламени и т. п., складываются неупорядо­ченные излучения множества атомов, поэтому направление не выдерживается в одной плоскости. Такой свет можно рассматри­вать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы ори­ентированы по всевозможным перпендикулярным лучу направле­ниям. На рис. 20.1 показаны в некоторый момент времени се чение луча О и хаотическая ориентация векторов в плоскости, перпендикуляр­ной лучу.

Если выбрать две любые взаимно пер­пендикулярные плоскости, проходящие через луч естественного света, и спроеци­ровать векторы на эти плоскости, то в среднем эти проекции будут одинако­выми. Поэтому луч естественного света удобно изображать как прямую, на ко­торой расположено одинаковое число тех и других проекций в виде стрелок и точек (рис. 20.2, а). Таким образом, прямая с черточками (рис. 20.$, б) или точками (рис. 20.2, в) обозначает луч плоскополяризованного света.

Луч света, состоящего из неполяризованной и поляризованной составляющих и называемого частично поляризованным, ус­ловно показан на рис. 20.2, г, д, причем соотношение числа стре­лок и точек условно иллюстрирует степень поляризации, т. е. долю интенсивности поляризованной составляющей относитель­но полной интенсивности света.

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает толь­ко составляющую вектора на некоторую плоскость — глав­ную плоскость поляризатора, которая содержит световой век­тор и направление распространения света. При этом из поляри­затора выходит поляризованный свет1, интенсивность которого рав­на половине интенсивности падающего естественного (неполяризованного) света. При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедше­го плоскополяризованного света, но интенсивность его не изменяет­ся. Поляризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.

Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрическо­го вектора падает на анализатор, то он пропустит только со­ставляющую, равную

(20.1)

где — угол между главными плоскостями поляризатора Р и ана­лизатора А (рис. 20.3).

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амп­литуды колебаний [см. (14.60)], то из (20.1) получаем

(20.2)

 

Как видно из закона Малюса, при повороте анализатора отно­сительно луча падающего плоскополяризованного света интен­сивность вышедшего света изменяется от нуля до 10. Если при по­вороте анализатора вокруг падающего луча как оси вращения ин­тенсивность прошедшего света не изменяется, то свет может быть естественным1; если при этом интенсивность изменяется по зако­ну (20.2), то падающий свет — плоскополяризованный.

Термин «поляризация света» имеет два смысла. Во-первых, под этим понимают свойство света, характеризующееся простран­ственно-временной упорядоченностью ориентации электрическо­го и магнитного векторов. Во-вторых, поляризацией света назы­вают процесс получения поляризованного света.

1 Возможное поглощение света поляризатором здесь и далее не учи­тывается.

где Io — интенсивность плоскополяризованного света, падающего на анализатор, / — интенсивность света, вышедшего из анализа­тора. Уравнение (20.2) выражает закон Малюса.

 

§ 20.2. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

При отражении от границы двух диэлектриков естественный свет частично поляризуется(рис. 20.4).

Вотраженном луче преобладают колебания, перпендикуляр­ные плоскости падения, а в преломленном — параллельные ей.

Если угол падения удовлетворяет условию

(20.3)

то отраженный монохроматический луч полностью поляризован (рис. 20.5). Соотношение (20.3) выражает закон Брюстера.Здесь

 

угол падения iB — угол Брюстера, или угол полной поляризации, п21 = п2/п1 — относительный по­казатель преломления второй среды относительно первой.

Преломленный луч всегда час­тично поляризован, причем при падении под углом Брюстера сте­пень его поляризации наиболь­шая. Используя (20.3) и закон преломления, нетрудно показать, что при полной поляризации от­раженного света угол между преломленным и отраженным лучами равен 90°.

Таким образом, граница раздела двух диэлектриков или ди­электрика и вакуума служит поляризатором.

В качестве поляризатора используют также стопу стеклянных пластин. Независимо от угла падения степень поляризации пре­ломленного луча возрастает по мере прохождения пластин, как это схематически показано на рис. 20.6.

 

1 При этом возможна и круговая поляризация, которая здесь не рас­смотрена.

 

 

§ 20.3. Поляризация света при двойном лучепреломлении

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двой­ного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раз­дваивается. Для одного из лучей выполняются обычные законы преломления, и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого — эти законы не выполняются и луч называют необыкно­венным.

Двойное лучепреломление при нормальном падении света на поверхность кристалла показано на рис. 20.7: обыкновенный (о) луч, как это следует из закона преломления, проходит не прелом­ляясь, необыкновенный (е) — преломляется.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча, обыкновенный и необыкновенный, распространяются с одной скоростью, называют оптическими осями кристалла' (штриховая линия на рис. 20.7). Если такое направление одно, то кристаллы называют одноосными (они и рассматриваются в этом параграфе). К ним принадлежит исландский шпат (разновидность углекислого кальция СаСО3 — кристалл гексагональной системы), кварц, турмалин (сложный алюмосиликат, кристаллы тригональ-

 

 

ной системы) и др. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной плоскостью кристалла. Ко­лебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного — лежат в главной плоскости кристалла, т. е. эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление обусловлено особенностями распро­странения электромагнитных волн в анизотропных средах: амп­литуды вынужденных колебаний электронов зависят от направ­лений этих колебаний.

Ход обыкновенных и необыкновенных лучей в кристаллах можно наглядно представить с помощью волновых поверхностей. Предположим, что внутри кристалла произошла световая вспыш­ка и во все стороны распространяются две волны: обыкновенная и необыкновенная. В некоторый момент времени их волновые по­верхности займут положения, изображенные на рис. 20.8 (а — для положительных кристаллов, — для отрицательных). Сферы соответствуют обыкновенным волнам, имеющим по всем направ­лениям одинаковую скорость v0; эллипсоиды — необыкновенным волнам, скорость ие которых зависит от направления. Вдоль опти­ческих осей ОО' скорость обыкновенной и необыкновенной волн

одинакова и равна

vo = c/no, (20.4)

где п0 — показатель преломления обыкновенного луча, завися­щий от рода кристалла.

Для положительных кристаллов ve <= v0, для отрицательных ve >= v0. Наибольшее различие скоростей обыкновенная и необыкно­венная волны имеют в направлениях, перпендикулярных оптиче­ской оси; для этих направлений вводят показатель преломления пе необыкновенного луча. У исландского шпата (отрицательный кристалл) по = 1,6584, пе = 1,4864; у кварца (положительный кристалл) п0 - 1,5442, пе = 1,5533 (данные приведены для желтой линии натрия = 589,3 нм).

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обык­новенных и необыкновенных лучей слишком мало расходятся или даже перекрываются. Однако из этих крис­таллов изготовляют специальные по­ляризационные призмы.

Рассмотрим наиболее распространенную призму, предложенную У. Николем (призма Николя, или просто николь).

Николь представляет собой призму из кристалла исландского шпата, разрезанного по диагонали и склеенного канадским баль­замом1 К (рис. 20.9). Для него п = 1,550; это значение лежит меж­ду показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей исландского шпата. Это позволяет, подобрав соответствую­щим образом углы призмы, обеспечить полное отражение обык­новенного (о) луча на границе с канадским бальзамом. Отражен­ный луч в этом случае поглощается зачерненной нижней гранью или выводится из кристалла. Необыкновенный (е) луч выходит из николя параллельно нижней грани.

На ином принципе основаны поляризаторы, изготовляемые из турмалина, герапатита (сернокислый иодхинин) и некоторых дру­гих кристаллов, которые наряду с двойным лучепреломлением мо­гут поглощать один из лучей значительно сильнее, чем другой (дихроизм). Так, в пластинке турмалина толщиной около 1 мм обыкновенный луч практически полностью поглощается и вышед­ший свет плоскополяризован.

Из мелких кристалликов герапатита выкладывают значитель­ные площади на целлулоидной пленке. Для их ориентации ис­пользуют электрическое поле. Такие устройства (поляроиды) мо­гут работать как поляризаторы (анализаторы).

Основным недостатком турмалина и поляроидов по сравнению с николем являются их плохие спектральные характеристики. Белый свет после прохождения этих поляризационных устройств становится окрашенным, в то время как николь прозрачен в ви­димой части спектра.

Достоинство поляроидов — большая поверхность, что позволя­ет использовать широкие световые пучки.

 

1 Это смолообразное вещество — живица, получаемая из канадской пихты.

 

 

§ 20.4. Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия

Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на кристаллах кварца, заключается в повороте плоскости поляри­зации плоскополяризованного света при прохождении через ве­щество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оп­тически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника -S на систе­му поляризатор Р — анализатор А (рис. 20.10), которые поставле-

ны скрещенно, т. е. их главные плоскости взаимно перпендику­лярны. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как ана­лизатор не пропустит плоскополяризованный свет в соответствии с законом Малюса (j = 90°).

Если между поляризатором и анализатором поместить кварце­вую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то в общем случае свет дойдет до наблюдателя. Если же анализа­тор повернуть на определенный угол, то можно вновь добиться за­темнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствую­щий повороту анализатора для получения затемнения.

Используя в опыте свет различных длин волн, можно обнару­жить дисперсию вращения плоскости поляризации (вращатель­ную дисперсию), т. е. зависимость угла поворота от длины волны. Кварцевая пластинка толщиной 1 мм поворачивает плоскость по­ляризации приблизительно на следующие углы (табл. 27).

Таблица 27

 

Для света: а, град красного 15 желтого 21 фиолетового 51

 

Для определенной длины волны угол а поворота плоскости по­ляризации пропорционален расстоянию I, пройденному светом в оптически активном веществе:

а = аог, (20.5)

где а0 — коэффициент пропорциональности, или постоянная вращения (вращательная способность), град/мм.

Существует две модификации кварца, каждая из которых по­ворачивает плоскость поляризации в определенном направлении: по часовой стрелке — правовращающий (положительный) кварц, против часовой стрелки1 — левовращающий (отрицательный). Постоянная вращения в обоих случаях одинакова.

Оптически активными являются также многие некристалли­ческие тела: чистые> жидкости (например, скипидар), растворы оптически активнь1х веществ в неактивных растворителях (рас­твор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфоры).

Для растворов был установлен следующий количественный за­кон:

а = [ ао]С1, (20.6)

где С — концентрация оптически активного вещества, I — толщи­на слоя раствора, [а0] — удельное вращение, которое приблизи­тельно обратно пропорционально квадрату длины волны и зави­сит от температуры и свойств растворителя.

Соотношение (20.6) лежит в основе весьма чувствительного ме­тода измерения концентрации растворенных веществ, в частнос­ти сахара.

Этот метод (поляриметрия, или сахариметрия) используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в био­физических исследованиях, а также в пищевой промышленности. Соответствующие измерительные приборы называют поляри­метрами или сахариметрами.

Поляриметр позволяет измерять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (диспер­сию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют специальные приборы — спектрополяриметры.

Вращение плоскости поляризации растворами обусловлено взаимодействием электромагнитной волны с асимметричными молекулами растворенного оптически активного вещества. Такие молекулы не обладают зеркальной симметрией, т. е. при их «от­ражении» в зеркале получается иная форма. «Левая» молекула является зеркальным отображением «правой». Молекулы с оди­наковой химической формулой, но разной структурой поворачи­вают плоскость поляризации в разных направлениях.

Характерно, что все важнейшие биологические молекулы (бел­ки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и т. п.) асимметричны и могут быть представлены попарно антиподами, каждый из кото­рых есть зеркальное отображение другого. Однако при этом в ве­ществах биологического, а не синтетического происхождения обычно представлен только один оптический антипод. Так, на­пример, сахар, изготовленный обычным путем, является право­вращающим, но при синтезе химическими методами получают смесь, содержащую равное количество «правых» и «левых» моле­кул. Такая смесь, называемая рацемической, не вращает плос­кости поляризации, так как происходит взаимная компенсация действия различных молекул. Если в раствор синтетически полу­ченного сахара поместить бактерии, которые питаются сахаром, то они будут усваивать только молекулы правовращающего са­хара.

Рацемическая смесь является менее упорядоченной системой и имеет большую энтропию, чем такая же совокупность молекул одного типа. Это термодинамическое различие синтетического и естественного может быть иллюстрацией физического смысла энтропии биологических систем.

Поляриметрию применяют не только для определения кон­центрации растворов, но и как метод исследования структурных превращений, в частности в молекулярной биофизике. В качест ве примера на рис. 20.11 приведен график изменения удельного враще­ния [а0] в одном из полипептидов в зависимости от состава растворите­ля, являющегося бинарной смесью хлороформа СНС13 и дихлоруксусной кислоты СНС12СООН. При 80% дих­лоруксусной кислоты происходит рез­кое падение оптической активнос­ти, что свидетельствует об измене­нии конформации молекул полипеп­тида.

 

 

1 Направление вращения устанавливается относительно наблюдате­ля, смотрящего навстречу световому лучу.

§ 20.5. Исследование биологических тканей в поляризованном свете

Рассматривая прозрачные биологические объекты в микроско­пе, трудно выявить различные структуры, поэтому приходится применять некоторые специальные методики; в их числе поляри­зационная микроскопия.

Поляризационный микроскоп аналогичен обычному биологи­ческому микроскопу, но имеет поляризатор перед конденсором и анализатор в тубусе между объективом и окуляром. Предметный столик может вращаться вокруг оптической оси микроскопа. Та­ким образом, объект освещают поляризованными лучами и рас­сматривают через анализатор.

Если скрестить поляризатор и анализатор, то поле зрения будет темным, таким же оно останется при помещении на предметный столик изотропных прозрачных тел. Анизотропные предметы изме­няют поле зрения в соответствии с тем влиянием, которое они ока­жут на направление плоскости колебаний поляризованного света.

Так как некоторые ткани (мышечная, костная, нервная) обла­дают оптической анизотропией, то возможна поляризационная микроскопия биологических объектов. При скрещенных поляри­заторе и анализаторе будут видны только те волокна, анизотро­пия которых изменяет поляризованный свет.

Поляризованный свет можно использо­вать в модельных условиях для оценки ме­ханических напряжений, возникающих в костных тканях. Этот метод основан на яв­лении фотоупругости, которое заключается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Из прозрачного изотропного материала, например плексигласа, создают плоскую мо­дель кости. В скрещенных поляроидах эта модель незаметна, так как выглядит тем­ной. Прикладывая нагрузку, вызывают ани­зотропию плексигласа, что становится за­метным по характерной картине полос и пя­тен (рис. 20.12). По этой картине, а также по ее изменению при увеличении или умень­шении нагрузки можно делать выводы о ме­ханических напряжениях, возникающих в модели, а следовательно, и в натуре.

 

 

ГЛАВА 21








Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 1575;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.031 сек.