Табиғи және поляризацияланған жарық. Поляроидтар.

Жарық толқындары ұзындығы кіші болатын электромагниттік толқындар болып табылады. Олар атомдық және молекулалық жүйелерде жүретін үрдістердің нәтижесінде пайда болады. Осы жүйелер «вибратор» ролін атқарады және жарық импульстерінің көзі болып табылады. Кішкене ғана жарық көзінің өзінде осындай вибраторлар саны өте көп болады. Вибраторлардың осьтері кеңістікте хаосты орналасады. Ендеше табиғи жарықта электрлік және магниттік векторлары ( - электр өрісінің кернеулік векторы, - магнит өрісінің кернеулік векторы) барлық бағытта болатын тербелістер бар болады.

Тербелістер көлденең толқында (механикалық толқында- зат бөлшектерінің тербелісі, ал электромагниттік толқында- өріс кернеулігінің векторларының тербелісі) толқынның таралу бағытына перпендикуляр болатын жазықтықта кезкелген бағытта жүреді. Егер тербеліс бағыты ретсіз өзгеретін болса, бірақ олардың амплитудалары барлық бағытта бірдей болса, ондай толқындар (сурет 1,а) табиғи деп аталады. Егер тербелістер тек тұрақты бір бағытта таралса, ондай толқындар сызықты поляризацияланған деп аталады («сызықты» деген сөз алып тасталынады).

Егер тербелістер түрлі бағытта жүретін болса, бірақ белгілі бір бағыттарда тербелістер амплитудалары басқа бағыттардағыдан артық болса, ондай толқындар жартылай поляризацияланған (сурет 1,б) деп аталады.

Поляризацияланған жарықты табиғи жарықтан поляризаторлар деген құралдың көмегімен алуға болады, поляризатор дегеніміз жарықты тек бір бағытта ғана өткізетін анизотропты кристалдар, (исландшпаты, кварц, турмалин). Жарықтың қандай жазықтықта поляризацияланғанын анықтайтын поляризатор анализатор деп аталады. Кәдімгі жағдайда толықндардың барлық түрлері кездесуі мүмкін. Толқын поляризаторы деп аталатын ерекше қондырғы (ол толқын табиғатына тәуелді) арқылы толқынның жасанды поляризациясын алуға болады. Серпімді шнурда пайда болатын толқын үшін поляризатор ретінде екі параллель жазықтық арасындағы саңылауды (сурет 2) қарастыруға болады. Егер шнурдың бастапқы нүктесінде түрлі бағыттарда тербелістерді қоздырса, онда саңылаудан кейін олар саңылау жазықтығымен сәйкес келетін жазықтықта таралады. Егер саңылауды шнур бағытымен сәйкес келетін өз осінің айналасында қандайда бір бұрышқа бұрса, онда тербелістер жазықтығы да сәйкес бұрышқа бұрылады, саңылау өзінің жазықтығында толқынды поляризациялайды.

Поляризацияланған толқын жолына 2-ші саңылау қояйық.

Сурет 1. Егер саңылау жазықтықтары сәйкес келсе (сурет 2,б), онда амплитудалары өзгермей, тербелістер 2-ші саңылау арқылы өтеді. Егер 2-ші саңылауды қандайда бір бұрышқа бұрса, онда соған сәйкес тербелістер таралатын жазықтықтың орна-ласуы да өзгереді, сонда ығысудың лездік мәндері мен тербелістер амплитудасы да (А) саңылауға дейінгі тербелістермен салыстырғанда (сурет 2,б) , кемиді, мұндағы - саңылау алдындағы тербелістің амплитудасы.

2-ші саңылауды 0 - 90⁰-ға дейінгі бұрышпен бұрса, саңылау арқылы өткен тербелістің амплитудасы максимал мәнінен 0-ге дейін өзгереді (сурет 2,в). Сондықтан осі толқынның таралу бағытымен сәйкес келетіндей етіп, 2-ші саңылауды өз осінен айналдыра бұра отырып, тербелістер амплитудасының өзгерісі бойынша тербелістер жазықтығының кеңістігінде поляризацияланған толқынның «орнын» анықтауға болады. Осыған байланысты 2-ші саңылау толқынның анализаторы деп аталады.

Жарықтың поляризациясы кезінде өрістің электрлік құраушысының кернеулік векторы ( ) толқынның жарықтық векторы деп, ал оның тербелістері орындалатын жазықтық- толқын тербелісінің жазықтығы деп аталады. Электрлік векторының (және магниттік векторының) тербеліс жазықтығының жағдайы өзгермейтін сәуле жазық поляризацияланған деп аталады. Бірінші ретті сәуле шығару кезінде атомдағы электрон жазық поляризацияланған жарық толқынын шығарады деп есептеуге болады, яғни жарық векторының тербелістері бір жазықтықта жүретін толқындар. Бірінші ретті сәуле шығару 10^-8 с бойы жүреді, осы кезде ұзындығы 3 м-дей толқындар топтары пайда болады.

Сурет 2.

Содан кейін атом жаңа толқындар топтарын сәулелендіреді, олардың жарық векторының бағыты мен фазасы алдыңғы толқындар топтарымен сәйкес болмайды.

Жалпы дененің сәулелендіретін жарық толқыны жарық векторының бағыты уақыт өтуімен әртүрлі, ретсіз өзгеретін көптеген атомдар сәулелендіретін толқындардың

қосындысынан тұрады. Соған сәйкес қорытынды толқынның жарық векторының бағыты да өзгереді. Осы кезде жарық векторы үшін барлық бағыттар бірдей болады, яғни жарық толқыны табиғи не поляризацияланбаған болады. Барлық табиғи жарық көздері поляризацияланбаған жарық шығарады. Табиғи жарықтың сызықтық поляризациясы, әсіресе жарым- жартылай (бірен- сарандап) поляризациясы жарықтың шағылуы, сынуы, шашырауы кезінде орындалады. Бұл түскен жарықтың әсерінен зат атомдары сәулелендіретін 2-ші ретті жарық толқындары микровибраторға ұқсас, түрлі бағытта бірқалыпсыз жарық шығаратындығымен байланысты. Сол себепті шағылған не сынған (әсіресе шашыраған) жарық толқыны кезінде ондағы тербелістер амплитудасының мәні белгілі бір бағыттарда аса үлкен, ал басқа бір бағыттарда едәуір кіші болады. Поляризацияланған жарық- кең таралған құбылыс, бірақ біз бұны сезінбейміз, өйткені адамның көзі поляризацияланған

Сурет 3. жарықты табиғи жарықтан ажырата алмайды. Ендеше жарықтың поляризациясымен байланысты болатын барлық бақылаулар сәйкес құралдар көмегімен жүргізіледі және осы жарықты түрлі әдістермен алуға болады. Осындай әдістердің бірі қосарланып сынуына негізделген. Бұл құбылыс анизотропты орталарда байқалады. Анизотропты орта дегеніміз түрлі бағыттарда физикалық, оптикалық қасиеттері әртүрлі болатын орта. Осындай ортаға мысалы, кварц кристалдары мен исландық шпат кристалдары жатады. Поляризаторлар құрылысында жарық үшін сәуленің кристалдарда екінші ретті сынуы қолданылады. Оптикалық анизотропия, жарықтың таралу жылдамдығының әртүрлі болуы түскен жарықтың электрондарының еріксіз тербелістері белгілі бір бағыттарда басқа бағыттарға қарағанда оңай қозуымен байланысты, сонда кристалдың қосынды толқынының жылдамдығы осы бағыттарда бірдей болмайды. Кристалдың оптикалық қасиеттері аса өзгеше болатын бағыт кристалдың оптикалық осі деп аталады. Оны кристалдың кезкелген нүктесі арқылы жүргізуге болады. Түскен сәуле мен түсу нүктесінен жүргізілген оптикалық ось арқылы жүргізілген жазықтық кристалдың негізгі жазықтығы деп аталады. Кристалдарда сәуленің қосарланып сынуының мәні мынада: кристалдың бетіне түскен жіңішке жарық шоғы (3- суретте АБ) кристалл арқылы бірнеше әртүрлі бағытта өтетін және әрқайсысының интенсивтілігі түскен сәуле интенсивтілігінің жартысына тең болатын екі шоққа бөлінеді (3, а- суретте БД мен БЕ). Егер осындай кристалл арқылы затты қарасақ, онда заттың контурлары қабаттасып көрінеді (сурет 3, б). Гюйгенс принципі тұрғысынан сәуленің екінші ретті сынуы былай түсіндіріледі, анизотропты кристалға жарық толқыны түскен кезде

кристалл бетінің әр нүктесінде элементар екі толқын бір мезгілде қозады (сурет 4), оның бірі- сфералы, ал 2-сі эллипсті. Осыған байланысты кристалда қорытқы екі толқын пайда болады, олар қарапайым және қарапайым емес деп аталады,

Сурет 4. олардың фазалық жылдамдық-тары мен кристалда таралу бағыттары әртүрлі болады (4- суретте : АВ- түскен жазық толқынның фронты, MN- оптикалық ось, оське салыстырмалы эллипсті элементар толқын бағытталады. DC – кристалдағы қарапайым, FC – қарапайым емес толқындар фронты).

Осы екі толқын толық поляризацияланған болады, қарапайым емес толқынның жарық векторының тербелістері кристалдың басты жазықтығында жүреді, ал қарапайымдыкы- оған перпендикуляр жазықтықта. Осы толқынның біреуі (көбінесе қарапайым емес) поляризациялық құралдарда поляризацияланған жарықтың көзі ретінде қолданылады ( 2-ші жарық толқыны қандайда бір әдіспен өшіріледі). Поляризация құралдарында осы мақсатта кальцит (исланд шпаты) кристалынан жасалатын Николь призмасы қолданылады. Дихроизм (тербеліс жазықтығының бағытына байланысты жарықтың әртүрлі жұтылуы) қасиеті болатын екінші ретті сындырушы кристалдар бар. Осы кристалдарда қарапайым сәулелер толығымен жұтылады және кристалл арқылы өткен жарық толық поляризацияланған болады. Осы құбылысқа поляризациялық сүзгілер не

поляроидтар құрылысы негізделген. Олар жарықты поляризациялайтын дихроисті заттың кристалдарынан (мысалы, герапатип, көмірқышқылды йодхинин) тұратын мөлдір пленка болып табылады. Пленканы дайындау кезінде кристалдар олардың оптикалық осьтері параллель болатындай етіп бағытталады. Нәтижесінде олар тербелістері белгілі бір жазықтықта болатындай поляризацияланған жарық береді.

Дат ғалымы Эразм Бартолинус 1669 ж. «қосарланып сынуды» ашты. Ол жарық шоғын (п) исланд шпатынан (СаСО₃) жасалған пластинкаға қалыпты түсуге мәжбүр еткен (сурет 5). Осы кезде ол жарық шоғының екіге ыдырағанын байқаған. Оның бірі (о) кристалл пластинкадан өзінің бастапқы бағытын өзгертпей өткен. Жарықтың осы шоғы кезкелген шыны пластинкаға тік бұрышпен түскен жарықтың шоғы сияқты таралған. Сол себепті оны «қарапайым» деп атаған. Ал 2-ші шоқ (ао) қалыпты түсуіне қарамастан, сынып, кристалдан бастапқы шоққа параллель ығысып өтеді. Бұл «қарапайым емес» деп аталады. Осы шоқтың біреуін жою үшін диафрагма (В) қолданылады. Ол тек қарапайым шоқты ғана өткізеді. SS -кристалл орнатылған диск, ол RR

сақинасында п-о осін айнала бұрыла алады.