Дисперсія та поляризація світла.

Дисперсією світла називається явище залежності швидкості світла від довжини хвилі або частоти. При проходженні через призму білого світла на екрані, встановленому за призмою, спостерігається райдужна смуга, що складається з семи монохроматичних складових та їх півтонів. Ця смуга називається дисперсійним спектром. Цей спектр умовно ділиться на сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. Зміна кольору відбувається безперервно, причому суміш всіх семи кольорів дає білий колір. Якщо з повного спектру виключити один з квітів, то комбінація залишилися кольорів дає кольору, які називаються додатковими.

Пояснюється розкладання білого світла тим, що біле світло складається з електромагнітних хвиль з різною довжиною хвилі і показник заломлення світла залежить від його довжини хвилі. Найбільше значення він має для світла з найкоротшою довжиною хвилі - фіолетового світла. Найменшим показником заломлення має самий довгохвильовий світло - червоний. Абсолютний показник заломлення світла визначається відношенням швидкості світла С у вакуумі до швидкості світла V в середовищі:

n = .

Дослідження показали, що у вакуумі швидкість світла однакова для світла з будь-якою довжиною хвилі. Таким чином, розкладання світла у скляній призмі обумовлено залежністю швидкості поширення світла в середовищі від довжини світлової хвилі.

Для того щоб запам'ятати чергування кольорів в спектрі, зазвичай пропонують запам'ятати наступну фразу: "Кожен Мисливець Бажає Знати Де Ховається Фазан», де великі літери кожного слова є першими літерами в назві відповідного кольору - червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Корпускулярна теорія, як уже зазначалося, не в змозі була пояснити явище інтерференції і дифракції світла. Тоді Ньютон сам зайнявся дослідженням інтерференції. Він взяв лінзу, поклав її на скляну пластинку і поспостерігав темні і світлі кільця, які видно при висвітленні лінзи і платівки монохроматичним світлом. Це були так звані кільця Ньютона.

В кінці XVIII столітті англійський учений Томас Юнг (1773-1829) прийшов до висновку, що кільця Ньютона можна пояснити з точки зору хвильової теорії світла, спираючись на принцип інтерференції. Саме він вперше і ввів назву «інтерференція» (від латинських слів «inter» - «взаємно» і «ferio» - «ударяю»).

На думку Юнга, кільця Ньютона у відбитому світлі виникають в результаті інтерференції двох променів світла, відбитих від верхньої і нижньої поверхонь повітряного прошарку, утвореної лінзою і скляною пластинкою. Від товщини цього прошарку буде залежати різниця ходу між зазначеними променями. Зокрема, вони можуть посилювати чи гасити один одного. У першому випадку ми бачимо світле кільце, в другому - темне. Якщо світло, що висвітлює установку, білий, то будуть спостерігатися кольорові кільця. За розташуванням кілець для різних квітів можна підрахувати довжину хвилі відповідних кольорових променів. Юнг проробив цей розрахунок і визначив довжину хвилі для різних ділянок спектра.

Істотний вплив на розвиток хвильової теорії надав французький інженер Огюстен Френель (1788-1827). Він дав пояснення прямолінійним поширенню світла, показавши, що промені, поляризовані перпендикулярно один до одного, не інтерферують. У дослідах по дифракції світла він встановив, що дифракційні смуги з'являються внаслідок інтерференції променів. Принцип інтерференції дозволив Френелю закони відбиття і заломлення пояснити взаємним погашенням світлових коливань у всіх напрямках, за винятком тих, які задовольняють закону відображення. Йому вдалося експериментально довести, що світлові промені можуть впливати один на одного, послаблюватися і навіть майже повністю погашатися у випадках приголосних коливань, що і дозволило йому дати пояснення явищу дифракції. Основна увага Френель приділяв дослідам по дифракції світла, для якої розробив спеціальну теорію. Ця теорія виходила на вдосконаленому принципі Гюйгенса, який ми вже розглядали вище як принцип Гюйгенса - Френеля. Використовуючи цей принцип, Френель досліджував різні випадки дифракції і розрахував розташування смуг для цих випадків.

У XVII столітті велика увага приділялася дослідженню явища подвійного променезаломлення. Датський фізик Бартолін спостерігав, що коли на кристал ісландського шпату падає промінь світла, то він при ламанні роздвоюється. Якщо дивитися на точкове джерело світла через цей кристал, то можна побачити не один, а два таких джерела. Це явище залежить від орієнтації кристала щодо променя. У кристалі є напрям, за яким раздваіваніе променя не відбувається. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала.

Досліджуючи явище подвійного променезаломлення на початку XIX століття, французький інженер Малюс виявив, що якщо дивитися через кристал ісландського шпату на зображення сонця у склі, то при одних положеннях цього кристала видно два сонця, а при певному положенні скла і кристала одне із зображень пропадає, навіть якщо світлові промені спрямовані не вздовж оптичної осі. Так було відкрито явище поляризації світла.

Інтенсивність світлового пучка, що проходить через деякі прозорі кристали, залежить від взаємної орієнтації двох кристалів. При однаковій орієнтації кристалів світло проходить через другий кристал без ослаблення. Якщо ж другий кристал повернутий на 90 ° від початкового положення, то світло через нього не проходить. При проходженні через перший кристал відбувається поляризація світла, тобто кристал пропускає тільки такі хвилі, в яких коливання вектора Е напруженості електричного поля відбуваються в одній площині. Ця площина називається площиною поляризації. Якщо площину, в якій пропускаються коливання другий кристалом, збігається з площиною поляризації, поляризоване світло проходить через другий кристал без ослаблення. При повороті кристалу на 90 ° поляризоване світло не проходить через кристал.

Аналізуючи явища поляризації та подвійного променезаломлення, Юнг та Френель зробили висновок про поперечности світлових хвиль. За допомогою цієї гіпотези Френель досліджував зазначені явища і розробив теорію проходження поперечних хвиль через двоякопреломляющих тіло. Нові дослідження інтерференції та дифракції світла, зокрема винахід дифракційної решітки, все більше і більше підтверджували хвильову теорію світла. До 40-х років XIX століття ця теорія стала загальновизнаною.

Одним з найбільш важких для хвильової теорії світла було питання про те, що ж коливається при поширенні світлових хвиль, в якому середовищі вони поширюються.

На питання про природу світла і механізм його поширення давала відповідь гіпотеза Максвелла. На підставі збігу експериментально виміряного значення швидкості світла у вакуумі зі значенням швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль Максвел висловив припущення, що світло - це електромагнітні хвилі. Його гіпотеза підтверджується багатьма експериментальними фактами. Уявленням електромагнітної теорії світла повністю відповідають експериментально відкриті закони відбиття і заломлення світла, явища інтерференції, дифракції і поляризація світла.

Однак електромагнітна теорія світла не в змозі пояснити закони фотоефекту, явища взаємодії світла з речовиною, в яких виявляються корпускулярні властивості світла.

Фотоелектричним ефектом або фотоефектом називається явище випускання електронів речовиною під дією світла, відкрите в 1887 році Генріхом Герцом.Фотоефект підкоряється ряду закономірностей:

- Енергія звільнених електронів, які називаються фотоелектронами, абсолютно не залежить від інтенсивності світла;

- Підвищення інтенсивності призводить до збільшення числа фотоелектронів, але не їх швидкості;

- Число фотоелектронів пропорційно інтенсивності світла;

- Швидкість електронів залежить тільки від частоти падаючого світла: зі збільшенням частоти енергія фотоелектронів зростає лінійно.

Всі тіла, крім теплового випромінювання, в результаті різних зовнішніх впливів дають надмірне випромінювання, яке не визначається температурою тіла. Люмінесценцією називають всі види світінь, порушуваних за рахунок будь-якого зовнішнього джерела енергії. Тривалість люмінесценції після припинення зовнішнього впливу значно перевищує період світлових коливань, що дозволяє відрізняти її від відображення і розсіювання світла і ін

Люмінесценція обумовлена ​​коливаннями невеликої кількості атомів або молекул речовини, які під дією джерела енергії переходять в збуджений стан.Випромінювання виникає в результаті переходів атомів або молекул з цих станів у збудженому-менш збуджений стан, в результаті чого вивільняється певна енергія.Короткочасна люмінесценція називається флуоресценцією.

Завдяки розвитку хвильової оптики людина відкрила явище голографії. Фізична ідея голографії полягає в тому, що при накладенні двох світлових пучків, за певних умов, може виникати інтерференційна картина, тобто в просторі виникають максимуми і мінімуми інтенсивності світла. Для того щоб ця інтерференційна картина була стійкою якийсь час і її можна було записати, ці два пучки повинні мати певні властивості - вони повинні бути взаємно когерентним (тобто в них повинна бути одна і та ж довжина хвилі) і, крім цього, за час реєстрації має бути одна фаза коливань, тобто коливання світлового поля повинні бути синхронними. Практично це досягається тим, що два пучки утворюються розподілом пучка одного джерела випромінювання, випромінює суворо одну довжину хвилі (лазер зі спеціальними параметрами випромінювання). Так як довжина хвилі світла досить мала, то відстань між інтерференційними максимумами і мінімумами теж мало - близько 1 мкм, тому для реєстрації застосовуються спеціальні дрібнозернисті фотоемульсії.

Термін «голографія» (Holography) утворений поєднанням слів «повний, весь» і «малювати, записувати», так що декілька вільний переклад терміну може звучати як «найбільш повний запис образу об'єкта». У найбільш загальному вигляді ідея голографії може бути сформульована так - якщо якимось способом точно зафіксувати структуру світлового поля, що виходить від об'єкта, записати її на який-небудь носій, а потім відновити це поле з достатньою точністю, то спостерігач не зможе розрізнити, спостерігає Чи він сам об'єкт або ж його імітацію. У більш вузькому сенсі термін «голографія» позначає технологію (точніше, пакет технологій, об'єднаних спільною ідеєю) такий «повної» записи хвильового поля.

Лазерний промінь розщеплюється на два пучки, розширюється оптикою, щоб освітити весь об'єкт цілком. Один пучок, званий «об'єктним", направляється на об'єкт, висвітлюючи його так, щоб відбите від нього випромінювання потрапляло на фотопластинку. Другий пучок, який називають «опорним", направляється прямо на фотопластинку. Ці два пучки будуть інтерферувати на поверхні фотопластинки, і при розгляді під мікроскопом поверхню пластинки буде покрита безліччюінтерференційних ліній, кілець. Це і є запис структури хвильового поля, відбитого об'єктом.

Отримана голограма носить назву пропускає голограми. Якщо тепер цю голограму висвітлити пучком лазерного світла (на просвіт, звідси й назва - пропускає), то можна буде побачити відновлене зображення, розташоване точно в тому місці, де раніше, при зйомці, знаходився об'єкт. Відбувається це в результаті того, що лазерний світло, проходячи через фотопластинку із записаною раніше структурою світлового поля, набуває всіх властивостей світлового потоку, який раніше, під час запису, відбивався об'єктом.

Поляризація світла

Під поляризацією світла розуміють, з одного боку, властивість електромагнітної хвилі, а з другого - процес виділення лінійно поляризованого світла з природного або частково поляризованого світла.

Електромагнітна хвиля визначається трьома векторами , що утворюють праву трійку: напрямок одного вектора задається напрямком векторного добутку двох інших послідовних векторів. Площина, утворена векторами , називається площиною коливань і її приймають за площину поляризації хвилі.

Лінійно або плоскополяризованою хвилею називають хвилю, площина поляризації якої не змінює свого положення у просторі.

Еліптично поляризованою хвилею називають хвилю, у якої вектор обертається в площині вектору швидкості , а кінець вектора описує еліпс. Розрізнюють обертання вектора за годинниковою стрілкою - права та проти годинникової стрілки – ліва еліптична поляризація. Якщо півосі еліпса рівні, то поляризація називається циркулярною (по колу).

Природно поляризованою хвилею називають хвилю, у якої вектор займає в площині вектору швидкості рівно ймовірні положення по усім напрямкам.

З метою зміни поляризації світла використовують спеціальні оптичні прилади, які називаються поляризаторами Їх дія ґрунтується на явищі поляризації світла при віддзеркаленні й заломленні на границі розділу двох середовищ, а також на явищах подвійного променезаломлення та дихроїзму, які створюються при проходженні світла через оптичні кристали. Поляризатор має напрямок повного пропускання лінійно-поляризованого світла. При цьому площину, утворену напрямком повного пропускання кристала та вектором напруженості електричного поля називають площиною поляризатора.

Аналізаторами називаються поляризатори, що використовуються для аналізу характеру й міри поляризації світла, що проходить через поляризатор.

3акон Малюса. Якщо напруженість електричного поля із площиною поляризатора (див.Мал.164), то цей вектор можна розкласти на напрямок повного пропусканняa, падаючого випромінювання, складає кут ¾та на перпендикулярний йому напрямок . Складова хвилі не буде проходити через поляризатор, а амплітуда світла E _p, що пройшло через кристал дорівнює

Е _р = E _o. (1)acos

Інтенсивності пройденого й падаючого світла будуть зв'язані між собою співвідношенням

, (2)

яке називається законом Малюса. У випадку природно поляризованого випромінювання інтенсивність на виході із кристала дорівнює половині падаючого

. (3)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: