Поляризація світла при проходженні крізь поглинаючі анізотропні речовини

У деяких кристалах, таких як турмалін, герапатит, один з променів при подвійному променезаломленні поглинаєть­ся сильніше за інший. Так, наприклад, в турмаліні звичай­ний промінь поглинається практично повністю на шляху довжиною 1 мм, а в герапатиті - на шляху 0.1 мм. Кристали герапатиту наносять на целулоїдну плівку, орієнтуючи їх певним чином. Такий поляризатор називається поляроїдом. Слід відзначити, що і турмалін, і герапатит характеризують­ся селективним поглинанням не лише у відношенні до променів з різними площинами поляризації, але й з різними довжинами хвиль. Саме тому поляризоване світло, що виходить з кристала, виявляється забарвленим, причому в різних напрямках забарвлення різне. Це явище називається діхроїзмом.

ВЗАЄМОДІЯ СВІТЛА З РЕЧОВИНОЮ

Світлова хвиля, проходячи крізь речовину, викликає вимушені коливання електронів та іонів. Внаслідок цього спостерігається низка процесів, найбільш важливими з котрих є дисперсія, поглинання і розсіяння світла.

Дисперсія світла

Дисперсією світла називають залежність швидкості поширення світлових хвиль від частоти коливань (або від довжини хвилі). Внаслідок залежності показник заломлення речовини також залежіть від Дисперсія світла в речовині визначається виглядом функції Залежність показника заломлення від довжини хвилі в оптичній області має складний характер. Розглянемо ділянки спектра, для яких речовина прозора (тобто ті довжини хвиль, які слабо поглинаються речовиною). На цих ділянках залежність показника заломлення від задовіль­но описується формулою Коші

(6.16)

де - величини, що є сталими для даної речовини (рис. 6.28).

Рис. 8.28. Залежність показника Рис. 8.29. Залежність показника

заломлення від довжини хвилі заломлення від довжини хвилі на

на "прозорих" ділянках спектра ділянках спектра, де відбувається

(нормальна дисперсія). сильне поглинання світла речови-

ною (аномальна дисперсія).

На різних ділянках спектра дисперсія характеризується зміною показника заломлення, що припадає на одиницю спектрального інтервалу:

Величина називається дисперсією речовини. Згідно з формулою Коші для прозорих ділянок спектра дисперсія речовини

тобто із збільшенням довжини хвилі показник заломлення зменшується. Дисперсія, при якій показник заломлення зменшується із збільшенням довжини хвилі, називається нормальною.

На ділянках спектра, де відбувається сильне поглинання світла речовиною, показник заломлення поводиться інакше: спочатку він різко зменшується, потім швидко зростає, а до­сягнувши максимуму, знову різко зменшується (рис. 6.29).

Область II - область аномальної дисперсії. У цій області

У значному проміжку довжин хвиль у кожної речовини спостерігають кілька областей аномальної дисперсії.

Формула Коші (6.16) є частинним випадком більш загального співвідношення, яке справедливе також і в області аномальної дисперсії:

(6.17)

де - кількість атомів в одиниці об'єму речовини; - так звана "сила осцилятора"; - частота світла. Осцилятором називається система, що подібна до пружинного маятника, який має масу заряд і власну частоту Прийнято вважати, що в ультрафіолетовій частині спектрів поглинан­ня роль осциляторів виконують електрони, тоді як в інфрачервоній - іони.

З формули (6.17) випливає, що при прямуванні частоти світла до власних частот коливань осциляторів показник заломлення необмежено зростає Насправді з урахуванням сил опору (тертя), що діють на осцилято­ри, це зростання стає обмеженим. Внаслідок зростання при по виміряних частотах областей аномальної дисперсії можна визначити частоти власних коливань електронів та іонів в молекулах речовини. Крім того, при виконанні умови резонансу повинна спостерігатися інтен­сивна передача енергії від хвилі, що поширюються, до атомів та молекул речовини, тобто повинно спостерігатися інтенсивне поглинання речовиною енергії випромінювання, що проходить крізь речовину.

Поглинання світла

Нехай на вході в поглинаючий шар товщиною інтен­сивність світлової хвилі дорівнює Знайдемо інтенсив­ність світла що вийшло з цього шару речовини (рис. 6.30а). Для нескінченно тонкого шару можна покласти, що відносне зменшення інтенсивності світла пропорційне до товщини цього шару, тобто

де - коефіцієнт пропорційності, що називається коефі­цієнтом поглинання.

Рис. 8.30а. Поглинання світла при Рис 8.306. Експоненціальне

проходженні крізь речовину. зменшення інтенсивності світ-

ла за рахунок поглинання.

Проінтегруємо одержану рівність, що дає

У результаті інтегрування маємо

або

(6.18)

Одержана рівність називається законом Бугера. Вона описує експоненціальне зменшення інтенсивності світла при проходженні шару речовини товщиною (рис. 6.30б). Закон (6.18) був встановлений французьким фізиком П. Бугером у 1729 р.

Коефіцієнт поглинання аг залежить від довжини хвилі випромінювання та природи поглинаючої речовини. Виміри показали, що в області аномальної дисперсії залежність має різкий максимум (рис. 6.29). Якщо атоми та молекули практично не взаємодіють між собою (наприклад, в газах чи парах при невеликих тисках), то коефіцієнт поглинання відмінний від нуля лише на дуже вузьких спектральних дільницях. Ці максимуми відповідають резо­нансним частотам коливань електронів всередині атомів (рис. 6.31).

Рис. 6.31. Спектр поглинання Рис. 6.32. Спектри поглинання

світла газами та парами при твердих тіл, рідин та газів при

невеликих тисках. високих тисках.

Розширення смуг поглинання є наслідком взаємодії атомів між собою. Так, наприклад, спектри поглинання твердих тіл, рідин та газів при високих тисках становлять досить широкі смуги (рис. 6.32).

Якщо поглинаючою речовиною виступає розчин, то коефіцієнт поглинання, як це було встановлено Бером, пропорційний до концентрації розчиненої речовини: - коефіцієнт поглинання в розчині одинич­ної концентрації. В цьому випадку закон поглинання світла набуває вигляду

(6.19)

Формула (6.19) називається законом Бугера-Ламбер-та-Бера. Іноді в цьому законі переходять від основи до основи 10. Тоді, оскільки , маємо

Величину називають коефіцієнтом пропускання, а величину - оптичною густиною розчину. Таким чином,

Спектри поглинання розчинів реєструються в координа­тах (рис. 6.33). Пристрій, що призначений для реєстрації спектрів поглинання, називається спектрофотометром. За допомогою спектрофото­метра можна провадити якісний та кількісний ана­ліз суміші за ЇЇ спектром поглинання, вивчати структуру та склад біологічних об'єктів, не порушуючи цілісності тканини.

Рис. 6.33. Спектр поглинання поглинання, світла розчином в координатах

Закон Бугера-Ламберта-Бера лежить в основі методу концентраційної колориметрії - фотометричного методу визначення концентрації речовини в забарвленому розчині.

Якщо два розчини однієї й тієї самої речовини поглинають світло однаково, то відношення їх концентрацій обернено пропорційне відношенню довжин оптичних кювет. Дійсно, якщо то

На рис. 6.34 подано схему візуального плунжерного ко­лориметра. Світло від дже­рела проходячи крізь кон­денсорну лінзу, падає на два стакани, один з яких напов­нений стандартним розчи­ном а інший - розчином що досліджується. Висо­ти шарів розчинів регулю­ються за допомогою скля­них стовпчиків - плунжерів. Проходячи крізь рідини та плунжери, світло попадає на призму, а потім в поле зору спостерігача. Способом за­нурення плунжерів у розчини домагаються однакової яскравості обох половин поля зору. У цьому випадку концентрація розчину, який до­сліджується, визначається із співвідношення:

де визначаються по шкалах біля плунжерів.

Рис. 6.34. Схема візуального плунжерного колориметра

Розсіяння світла

Коли світлова хвиля проходить крізь речовину, електро­ни всередині атомів та молекул здійснюють вимушені коливання з частотою падаючого випромінювання. У цьому випадку вони самі стають вторинними випромінювачами. Розрахунки свідчать про те, що в однорідних середовищах (оптичному склі, чистих, прозорих рідинах та газах) вторин-

ні хвилі внаслідок інтерференції гасять одна одну по всіх напрямках, крім напрямку поширення світла, що проходить крізь речовину. Для повного гасіння необхідна умова однорідності середовища, тому що необхідна не лише когерентність, а й рівність інтенсивностей вторинних хвиль. При наявності неоднорідностей інтенсивність вторинних хвиль в різних місцях та напрямках буде мати різні значення, а тому повного гасіння не відбудеться і спостері­гатиметься явище розсіяння світла.