Лекция-15

Лекция № 15

Оптика (часть II)

IХ. Поляризация света

Возвращаясь из Исландии, моряки привозили необычные прозрачные кристаллы известкового шпата (CaCO3), имеющие форму правильного ром-

боэдра. В 1669 г. датский учёный Э. Бартолин сообщил о своих опытах с та-

кими кристаллами. Он обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и не-

обыкновенным). Объяснить явление двойного лучепреломления Бартолин не смог. Через 20 лет это открытие привлекло внимание Х. Гюйгенса. Он ввёл понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутству-

ет анизотропия (зависимость свойств материала от направления воздействия на него) оптических свойств кристалла и свет не расщепляется на два луча.

Выяснилось, что в зависимости от величины угла между оптическими осями двух последовательно размещённых кристаллов интенсивность обыкновен-

ного и необыкновенного лучей изменяется. Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако, ре-

шающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Гюйгенса И. Ньютон,

придерживавшийся корпускулярной теории света, предположил, что у свето-

вого луча нет осевой симметрии, т.е. корпускулы в луче света определённым образом ориентированы.

В 1808 г. французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата, заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно (а не два) изображение рассматриваемого предмета. На основа-

нии этого и других опытов, а также исходя из корпускулярной теории света Ньютона, он предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентирова-

ны беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или про-

161

хождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определённую ориентацию. Такой "упорядоченный" свет Малюс назвал поляризованным.

Сегодня известно, что свет - это электромагнитная волна, представляющая собой совокупность (единое целое) взаимно порождающих и взаимно пер-

пендикулярных вихревых электрических и магнитных полей (обозначаемых

векторами E и H , соответственно). Источниками этих волн (источниками

света) являются, как правило, релаксирующие атомы и молекулы. Свет, в ко-

тором колебания вектора E происходят в одной плоскости, называют плоско поляризованным (или линейно поляризованным), а саму эту плоскость назы-

вают плоскостью поляризации света.

Электромагнитная волна, излучаемая изолированным атомом, является плоско поляризованной. Однако излучение макроскопического источника све-

та (тела, состоящего из множества атомов и молекул) представляет собой ре-

зультат суперпозиции электромагнитных волн, излучаемых огромным числом атомов. Причём время излучения атома (равное времени перехода атома из одного энергетического состояния в другое) равно 10 8 с. Поскольку все воз-

буждённые атомы тела излучают свет с различной поляризацией, то колебания вектора E в пучке света происходят в любом направлении с равной вероятно-

стью. Такой свет называют светом с круговой поляризацией (неполяризован-

бания вектора E происходят с большей вероятностью. Такой свет называют

светом с эллиптической поляризацией (частично поляризованным светом).

162

163

тора E , перпендикулярные плоскости падения (они обозначены точками), в

преломлённом - колебания вектора E происходят преимущественно в плоско-

сти падения (обозначены стрелками).

Степень поляризации отражённого и преломлённого лучей зависит от угла падения и показателей преломления граничащих сред. Шотландский фи-

зик Брюстер установил, что при Бр , где tg( Бр ) n2 n1 , отражённый

луч является линейно поляризованным, преломлённый же луч при этом по-

ляризован максимально, но не полностью. Характерно, что при Бр угол между отражённым и преломлённым лучом равен 90о. Степень поляризации преломлённого луча может быть значительно повышена (многократным пре-

ломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под уг-

лом Брюстера). Если, например, для стекла степень поляризации преломлён-

ного луча составляет 15% , то после преломления на 8 10 наложенных

друг на друга стеклянных пластин вышедший из такой стопы пластин свет практически полностью поляризован.

Вращение плоскости поляризации и сахариметрия

Некоторые вещества (из твёрдых тел - кварц, сахар, киноварь, из жидко-

стей - водный раствор сахара, винная кислота, скипидар), называемые опти-

их концентрации в жидких рас-

творах, в частности - сахариметрия. Угол поворота плоскости поляризации

в оптически активных веществах, при прохождении светом расстояния l , можно рассчитать по формуле:

C l ,

164

где С - массовая концентрация вещества в растворе, выраженная в кг/м3, -

удельное вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света данным веществом, зависящее от природы вещества, температуры и длины волны света .

Опыт показывает, что все вещества, оптически активные в жидком со-

стоянии, обладают таким же свойством и в кристаллическом состоянии. Од-

нако есть вещества, активные в кристаллическом состоянии, но не активные в жидком (например, расплавленный кварц). Следовательно, оптическая ак-

тивность обусловлена как строением молекул вещества (их асимметрией),

так и особенностями их взаимного расположения.

Оптически активные вещества, в зависимости от направления вращения плоскости поляризации, разделяют на право- и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором - влево (против часовой стрелки).

Впоследствии М. Фарадеем было обнаружено вращение плоскости поля-

ризации в оптически неактивных веществах, возникающее под действием магнитного поля. Это явление называют эффектом Фарадея (или магнит-

ным вращением плоскости поляризации). В нём впервые обнаружила себя связь между оптическими и электромагнитными явлениями.

Х. Квантовые свойства света

Тепловое излучение Известно, что нагретые до достаточно высоких температур тела светятся.

Однако оказалось, что и менее нагретые тела (точнее все тела, имеющие тем-

пературу выше абсолютного нуля) излучают электромагнитные волны,

правда основная часть этих волн - невидимые инфракрасные лучи. Это излу-

чение, называемое тепловым, образуется в результате ускоренного теплового движения ионизированных атомов и молекул вещества (т.е. за счёт внутрен-

ней энергии тел). Тепловое излучение имеет сплошной частотный спектр

165

ной орбит вращения электронов в атомах вещества (т.е. релаксацией атомов).

Для описания законов излучения тел введены следующие понятия:

ность поглощённого телом излучения на данной ;

в) Абсолютно чёрное тело (АЧТ) - воображаемое тело, поглощающее при любой температуре всю падающую на него лучистую энергию. Для АЧТ

A 1. К АЧТ близки сажа, чёрный бархат. Идеальной моделью АЧТ явля-

ется отверстие (зрачок), ведущее в замкнутую полость,

внутренняя поверхность которой зачернена. Опыт пока-

зывает, что при размере отверстия, меньше 0,1 диаметра

полости, падающее излучение всех частот практически полностью поглощается. Вследствие этого кажутся чёр-

ными: зрачки глаз, открытые окна домов, наблюдаемые со стороны улицы

(хотя внутри комнат достаточно светло из-за отражения света от стен).

166

Но законы Стефана-Больцмана и Вина не описывают зависимость интен-

сивности J теплового излучения тела от длины волны и температуры Т.

Эту зависимость установил в 1900 г. Макс Планк, выдвинув гипотезу кванто-

вания энергии электромагнитного поля. Ввиду довольно сложного характера формулы, выражающей зависимость J( ,T ), мы её не приводим.

Спектры

Различают три вида спектров: сплошные, линейчатые и полосатые.

Линейчатые спектры излучаются отдельными (не взаимодействующими друг с другом) возбуждёнными атомами при их переходе на более низкие энергетические уровни. Линейчатые спектры имеют одноатомные газы

(инертные газы, пары металлов).

Полосатые спектры излучаются отдельными возбуждёнными молеку-

лами. Это излучение обусловлено как электронными переходами в атомах,

так и колебательными движениями самих атомов в молекуле. Такие спектры характерны для газов, состоящих из многоатомных молекул (кислород, угле-

кислый газ, водяной пар и т.д.).

Сплошные спектры излучаются совокупностями многих взаимодейст-

вующих между собой молекулярных и атомных ионов. Основную роль в из-

лучении играет хаотическое движение этих частиц (колебательное и враща-

тельное), обусловленное высокой Т. Сплошные спектры характерны для рас-

калённых твёрдых и жидких тел, а также для сжатых газов.

Для каждого химического элемента (находящегося в состоянии разрежен-

ного газа!) характерен вполне определённый линейчатый спектр излучения

(по числу, цвету, интенсивности спектральных линий и их взаимному распо-

ложению). Кроме того, согласно закону Кирхгофа для оптических спектров:

газы поглощают излучение точно на тех же , что и излучают. На этом факте основан метод оптической спектрометрии. Ниже приведена схема оптиче-

ского спектрометра.

168

Избирательное поглощение света лежит в основе парникового эффекта,

состоящего в накоплении энергии солнечного света в атмосфере планеты.

Причина этого явления заключается в селективности поглощения электромаг-

нитных волн оптического диапазона земной атмосферой: для видимого излу-

чения она прозрачна, для ультрафиолетового и инфракрасного – нет. Атмо-

сфера Земли (или стекло парника) хорошо пропускает видимое излучение, ко-

торое нагревает грунт. Нагретый видимым светом грунт испускает тепловое инфракрасное излучение, которое поглощается атмосферой (или стеклом). В

результате световая энергия попадает в ловушку, и воздух (в атмосфере или

парнике) прогревается.

Фотохимические реакции: в результате поглощения света атомы и молеку-

лы вещества переходят в возбуждённые состояния, когда их химическая ак-

тивность резко повышается.

Фотосинтез - окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой неорганические вещества (H2O и СО2 ) превращаются в органические (угле-

воды), сопровождаемая выделением газообразного кислорода и накоплением энергии. Без промежуточных звеньев эта реакция может быть записана сле-

Ежегодно на Земле растения производят 450 млрд. тонн органических веществ, обладающих запасом энергии в 7,35 1018 кДж.

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют ис-

пускание электронов веществом под действием электромагнитного излуче-

ния. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупро-

водниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах

(фотоионизация). Фотоэффект обнаружен в 1887 г. Генрихом Герцем, на-

блюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежут-

ка между двумя электродами ультрафиолетовым излучением.

170