Лекция_27_Взаимодействие_света_с_веществом

1.

Часть 4. Оптика
Лекция 27. Взаимодействие света с
веществом

2.

1. Дисперсия света
2. Электронная теория дисперсии света
3. Поляризация света
4. Поляризация света при отражении и
преломлении
5. Закон Малюса
6. Двойное лучепреломление
7. Искусственная оптическая анизотропия.
Вращение плоскости поляризации

3.

Дисперсия света
Дисперсией света называется зависимость
показателя преломления вещества от частоты (длины
волны) света:
n f λ .
В состав света, излучаемого солнцем, пламенем или
нитью
лампы
накаливания,
входят
монохроматические волны с различными значениями
длин.
Такое излучение называют белым светом.

4.

Совокупность монохроматических компонент в составе
излучения называется спектром.
Белый свет имеет непрерывный (сплошной) спектр
излучения.

5.

Спектр излучения атомарных
газов и паров
представляет собой набор отдельных линий с
определёнными значениями длин волн.
Поэтому он называется линейчатый спектр.

6.

Газы, находящиеся в молекулярном состоянии, дают
полосатый спектр.
Приборы, с помощью которых изучаются спектры
излучения различных источников света, называются
спектрографами.
Схема спектрографа

7.

dn
Величина D
называется дисперсией вещества.
dλ
Зависимость n f λ не линейная и не монотонная.
Области значений λ , в которых
dn
0
dλ
соответствуют нормальной дисперсии.
(Большинство прозрачных в диапазоне
видимого света твёрдых веществ).
dn
Дисперсия называется аномальной, если
0.
dλ
(Области длин волн, соответствующих полосам
поглощения света в данной среде, например
обычное
стекло
в
инфракрасной
и
ультрафиолетовой частях спектра).

8.

Электронная теория дисперсии света
Конец 19 века, Х. А. Лоренц.
Дисперсия
света
—
результат
взаимодействия световой волны с
атомами вещества.
Хендрик А. Лоренц
Приходящая
волна
приводит
электроны
атомов
вещества
в
вынужденные колебания.
Вторичные волны, излучаемые электронами, отличаются
по фазе от приходящей волны, и, складываясь с нею,
создают волну, распространяющуюся в среде.

9.

Амплитуда вторичной волны зависит от соотношения
между частотой приходящей волны ω и собственной
частотой ω0 колебания электронов.
В оптической области спектра n ε и, учитывая
только электронную поляризацию диэлектрика под
действием вынужденных колебаний электронов,
Лоренц получил формулу:
n0e2
n 1
,
2
2
ε 0 me ω0 ω
где n0 — концентрация атомов в диэлектрике;
me и e — масса и заряд электрона.

10.

Особенно
значительной
становится
амплитуда
вынужденных колебаний электронов при ω ω0 .
В этом случае происходит резонансное поглощение
энергии и излучение соответствующих частот из
спектра
падающего
излучения
«выпадают»
(поглощаются).
В этой области частот и наблюдается аномальная
дисперсия.

11.

Поляризация света
Основным свойством электромагнитных волн является
поперечность колебаний векторов напряжённости
электрического и магнитного полей.
Естественный свет представляет собой совокупность
световых волн, излучаемых огромным количеством
атомов, которые излучают свет независимо друг от
друга.
Во всех процессах взаимодействия света с веществом
основную роль играет электрический вектор E , поэтому
его называют световым вектором.

12.

В естественном свете колебания светового вектора
происходят во всех возможных направлениях,
перпендикулярных направлению распространения
света.
Свет, в котором направления колебаний светового
вектора каким-то образом упорядочены, называют
поляризованным, а процесс ориентации плоскости
колебаний светового вектора в определенном
направлении называется поляризацией света.

13.

Естественный свет —
неполяризованный (луч
перпендикулярен плоскости рисунка)
Частично поляризованный свет
Плоскополяризованный (линейно
поляризованный) свет

14.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор,
называется плоскостью колебаний, а плоскость, в
которой совершает колебания магнитный вектор —
плоскостью поляризации.
Если
вдоль
одного
распространяются
две
и
того
же
направления
монохроматические
волны,
поляризованные в двух взаимно перпендикулярных
плоскостях, то в результате их сложения
эллиптически поляризованная волна.
возникает

15.

Эллипс, который описывает конец результирующего
светового вектора за один период светового колебания в
плоскости,
перпендикулярной
направлению
распространению
волны,
называется
эллипсом
поляризации.

16.

При
ax = ay, ∆φ = ± π/2
возникает
волна
с
круговой (циркулярной)
поляризацией.
Электрическое поле в эллиптически поляризованной
волне

17.

Степенью поляризации света называется величина
I max I min
P
,
I max I min
где Imax и Imin — максимальная и минимальная
интенсивности света, соответствующие двум взаимно
перпендикулярным компонентам E x и E y светового
вектора.
Для естественного света: I max I min и
Р = 0.
Для плоско поляризованного света: I min 0 и Р = 1.

18.

Поляризация света при отражении и
преломлении
Устройства,
позволяющие
преобразовывать
естественный свет в линейно поляризованный
называются поляризаторы.
Устройства, предназначенные для анализа степени
поляризации света, называются анализаторами.
Оба устройства совершенно одинаковы.
Поляризаторы (анализаторы):
свободно пропускают колебания, параллельные
плоскости поляризатора;
полностью или частично задерживают колебания,
перпендикулярные к его плоскости.

19.

20.

Линейные поляризаторы (анализаторы):
• Оптически анизотропные
кристаллы
(турмалин),
вырезанные
параллельно
его оптической оси;
• Поляроиды — полимерные
пленки, приготовленные по
специальным технологиям
• Оптические
стопы
изотропных
пластинок,
прозрачных
в
видимом
спектральном диапазоне.

21.

Поляризация света при отражении и
преломлении
Опыт показывает, что свет поляризуется также при
отражении от границы двух диэлектриков и при
прохождении их границы — при преломлении.
В
отражённом
луче
преобладают
колебания,
перпендикулярные плоскости падения (на рисунке —
точки), а в преломлённом — колебания, параллельные
плоскости падения (изображены стрелками).

22.

Степень поляризации света зависит от угла падения
луча и относительного показателя преломления.
Если луч падает на границу двух сред под углом α Б ,
удовлетворяющему условию
tg α Б n21 ,

23.

n21 — показатель преломления второй среды
где
относительно первой, то отражённый луч является
полностью
поляризованным
в
плоскости,
перпендикулярной плоскости падения.
Угол Б называется угол Брюстера.
Для стекла α Б 57 .
Степень поляризации преломлённого луча можно
значительно повысить (до 0,9) за счёт многократного
преломления луча, падающего под углом Брюстера, при
его прохождении через стопу (8—10 шт.), наложенных
друг на друга стеклянных пластинок.

24.

Закон Малюса
В поперечной волне, например, в волне бегущей по
резиновому
жгуту,
направления
взаимно
перпендикулярных колебаний не равнозначны.
Поворот щели S на
рисунке очевидно
приведет
к
затуханию
колебаний
после
прохождения
щели.

25.

После прохождении естественного света через первую
пластину турмалина (поляризатор), вырезанную
параллельно оптической оси кристалла, через неё
пройдет та часть волны, световой вектор которой
будет совершать колебания в плоскости, параллельной
оптической оси кристалла.

26.

Интенсивность прошедшего луча при этом уменьшится
в два раза, т. к.
I ~ E2 ~ E02 cos2
φ t ~ I0
cos2
<φ> = I0
cos2
π I0
=
4
2
В этом уравнении:
φ t — угол между направлением колебаний светового
вектора и оптической осью кристалла Т1 в данный
момент времени;
π
φ = — среднее значение угла φ t , изменяющегося
4
хаотично от 0 до
.
2

27.

Тогда интенсивность света, прошедшего через два
кристалла (поляризатор
T1
и анализатор
T2 ),
оптические оси которых образуют угол φ, будет равна
(закон Малюса):
1
I I 0 cos 2 φ.
2

28.

29.

Двойное лучепреломление
Эразм Бартолин. Конец 17 века. Открытие нового
физического явления — двойного преломления
света.
В кристалле исландского
шпата
(СаСо3)
было
обнаружено, что внутри
кристалла падающий луч
расщепляется на два луча
—
обыкновенный
и
необыкновенный.

30.

Они были названы так, потому что первый
из них
подчинялся
оптики
законам
геометрической
(обыкновенный о), второй (необыкновенный е) — нет.
Вышедшие из кристалла лучи линейно поляризованы во
взаимно перпендикулярных направлениях.
(Х. Гюйгенс). Расщепление луча света, проходящего
через кристалл связано с анизотропией кристалла.

31.

В анизотропных кристаллах имеется одно (одноосные
кристаллы — исландский шпат, турмалин) или два
(двуосные кристаллы — гипс, слюда) направления, вдоль
которого
луч
света
не
испытывает
двойного
лучепреломления.
Эти направления называются оптическими осями
кристалла.
Двоякопреломляющие кристаллы обладают свойством
дихроизма — различной степенью поглощения света в
зависимости от ориентации плоскости колебаний
светового вектора.

32.

В кристалле турмалина обыкновенный луч практически
полностью поглощается на длине 1 мм, а в кристалле
герапатита — на длине 0,1 мм.
Это
явление
используется
для
изготовления
поляризационных призм (призма Николя) и поляроидов
(полимерные пленки, в которые вкраплены кристаллики
герапатита).

33.

Искусственная оптическая анизотропия.
Вращение плоскости поляризации
Двойное лучепреломление можно наблюдать
изотропных средах (аморфных телах).
Это возможно при:
и
в
механических нагрузках (кристаллы кубической
системы, стекла);
наложении
электрического
поля
(жидкости,
аморфные тела, газы);
наложении магнитного поля (жидкости, стёкла,
коллоиды).

34.

В этих случаях вещество приобретает свойства
одноосного кристалла, оптическая ось которого
совпадает с направлением деформирующей силы,
электрического или магнитного полей.
Мерой возникающей оптической анизотропии при этом
служит
разность
показателей
преломления
обыкновенного
и
необыкновенного
лучей,
в
направлении перпендикулярном оптической оси:
no ne k1σ — в случае деформации;

35.

no ne k2 E 2 — в случае электрического поля;
no ne k3 H 2 — в случае магнитного поля,
где
k1 , k2 , k3
— постоянные для данного вещества
dF
коэффициенты, σ
dS
— механическое напряжение, Е
и Н — напряжённости электрического и магнитного
полей.
Среды, которые при прохождении через них плоско
поляризованного света способны вращать его плоскость
поляризации, называются оптически активными
веществами.

36.

Выделяют два типа оптически активных веществ:
1. Оптически активные в любом агрегатном состоянии
(сахар, камфара, винная кислота). Оптическая
активность обусловлена асимметричным строением
их молекул.
2. Оптически активные только в кристаллической фазе
(кварц,
киноварь).
Оптическая
активность
обусловлена специфической ориентацией молекул
или ионов в элементарных ячейках кристалла.

37.

Угол поворота плоскости поляризации для оптически
активных кристаллов и чистых жидкостей
φ αd ,
для оптически активных растворов
φ αCd ,
где d — расстояние, пройденное светом в оптически
активном веществе;
α — удельное вращение, зависящее от природы
вещества, температуры и длины волны;
С — концентрация вещества в растворе.

38.

Лекция окончена