Показатель преломления.
Итак, электромагнитное излучение представляет собой волну, распространяющуюся в некотором направлении. Глаз чувствует яркость света, связанную с интенсивностью волны I и пропорциональную квадрату амплитуды (А2), а также цвет, определяемый длиной волны l. Скорость световой волны равна произведению частоты и её длины: с = vl. Величина с зависит от материала, через который она распространяется. Скорость света максимальна в вакууме, где она достигает 300 000 км/с. В веществе скорость света с определяется его показателем преломления n: с = с0/n, где с0 – скорость света в вакууме. Для вакуума показатель преломления равен единице. Для воздуха и других газов он близок к единице. Значения показателя преломления некоторых сред представлены в табл. 2.
Таблица 2
Показатель преломления n некоторых материалов
| Материал | Показатель преломления (при l=589 нм) | Комментарии |
| Воздух | 1,000292 | Т=293К |
| Вода | 1,3330 | Т=293К |
| ПТФЭ (тефлон) | 1,325 | |
| Полиамид (нейлон) | 1,448 | |
| ПВХ | 1,542 | |
| Типичное стекло | 1,5694 | |
| Кварц | 1,544 | Т=293К |
| Кальцит | 1,660 | Т=293К |
| Алмаз | 2,4195 |
При описании интерференционных эффектов, обусловленных сложением двух волн, нужно вычислять не разницу длины пройденного им пути dl, а разницу оптического пути, равную произведению ndl. Если вначале две волны имели одинаковую фазу, при разнице оптических путей dl разница фазы равна:
, (3)
где фаза q – измеряется в радианах.
Показатель преломления определяет угол, на который отклоняется плоская волна на границе двух сред. На границе раздела свет делится на отражённый и преломлённый лучи (рис. 10, а). Направление преломлённого луча даётся законом Снелла:
n1sinq1 = n2sinq2, (4)
где q – угол между направлением луча и нормалью к плоскости границы раздела.
Из этого уравнения следует:
1) при перпендикулярном падении света на границу раздела (q = 0°) направление распространения не изменяется (интенсивность уменьшается);
2) если луч проходит из среды с показателем преломления n1 в среду с более высоким показателем преломления n2, то он делится на преломлённый (отклонившийся от начального направления) и отражённый пучки. Свет, прошедший через плоскопараллельную стеклянную пластинку, распространяется в прежнем направлении, но смещается на небольшое расстояние от первоначального луча (рис. 10, b);
3) Если свет проходит из среды с показателем преломления n2 в среду с более низким показателем преломления n1, то угол преломления больше угла падения. При некотором критическом значении угла падения угол преломления достигает 90°. При более высоких значениях угла падения свет испытывает полное внутреннее отражение, и граница раздела не пропускает свет. Критическое значение угла падения равно:
. (5)
Если свет проходит из стекла (n2 = 1,5) в воздух (n1 = 1), критический угол равен 41°.
Это явление успешно используют в оптических световодных волокнах, сердцевина которых имеет более высокий показатель преломления ni по сравнению с оболочкой n0. Критический угол лучей, испытывающих полное внутреннее отражение на границе с оболочкой, даётся уравнением:
. (6)
Как показано на рис. 11, из-за эффекта полного внутреннего отражения световые лучи не могут выйти из волокна и распространяются вдоль него на большое расстояние. В микроскопах оптические волокна используют для освещения образцов. Показатель преломления зависит от длины волны, причём он может изменяться довольно значительно, особенно вблизи края полос поглощения, как показано на рис. 12, а. На рис. 12, b показана зависимость показателя преломления от длины волны в видимой и ультрафиолетовой областях спектра для различных стёкол, используемых в микроскопии.
Поляризация.
Свет является поперечной электромагнитной волной, важной характеристикой которой является её поляризация. Исторически поляризацию характеризуют направлением вектора электрического поля. Если при движении волны вектор электрического поля остаётся параллельным некоторому направлению, как показано на рис. 13, а, то волну называют плоскополяризованной. Плоскополяризованную световую волну можно описать вектором поляризации, ориентация которого остаётся неизменной. В случае естественного неполяризованного света мгновенное направление поляризации хаотически и быстро изменяется. Существует четыре физических процесса, позволяющих получить поляризованный свет: поглощение, рассеяние, отражение и двулучепреломление. Изучая поляризацию световых волн, можно получить ценную информацию об этих физических явлениях. Поэтому эти процессы в материалах можно исследовать при помощи поляризационного микроскопа, снабжённого двумя поляризаторами.
Помимо плоскополяризованного и неполяризованного имеется множество других состояний поляризации света. Эти состояния можно описать при помощи фигур Лиссажу. Фигура Лиссажу (рис. 14) возникает на экране осциллографа, когда на входы каналов X и Y подают два синусоидальных сигнала, частоты которых совпадают или относятся как натуральные числа, например 1:2. Два сигнала, один из которых подаётся на ось X, а другой на ось Y, обычно не имеют фазовой связи. Если сигналы имеют одинаковую частоту, то форма фигуры Лиссажу не изменяется со временем. Если сигналы имеют различные частоты, то форма фигуры изменяется. При одинаковой частоте сигналов на экране осциллографа возникает статическая фигура, форма которой определяется разницей фаз этих сигналов d.
Если амплитуды двух волн равны, а разница фаз между ними кратна 90°, кончик вектора электрического поля в координатах (x, y) описывает окружность. Про такой свет говорят, что он имеет круговую поляризацию. Если вращение вектора Е в плоскости xy направлено по часовой стрелке (волна движется на наблюдателя), поляризацию называют правой круговой. Если вращение происходит против часовой стрелки, поляризацию называют левой. Рис. 13, с иллюстрирует волну с круговой поляризацией.
Дата добавления: 2016-04-11; просмотров: 1147;