Материал: ХВ_ОПТИКА

Контрольні питання

1. Дайте визначення явище дифракції світла.

2. Сформулюйте принцип Гюйгенса – Френеля.

3. Що мають спільного і чим відрізняються дифракція Френеля і Фраунгофера?

4. Дайте визначення дифракційній гратці, перелічите відомі вам їх види і характеристики.

5. Яке практичне застосування має явище дифракції?

Поляризація світла.

Явище поляризації світла вперше спостерігав французький вчений Л.Малюс у 1803 році при відбиванні світла від діелектриків ( від скла).

При падінні світлового пучка 1 на діелектричну пластинку П₁ під кутом і частина його відбивається і потрапляє на аналогічну пластинку П₂, поставлену так, щоб кут падіння на неї дорівнював куту падіння і на першу пластинку. Не змінюючи кута падіння на першу пластинку, повертають другу пластинку навколо осі, що збігається з променем 2. При такому повороті пластинки П₂ кут падіння не змінюється, а змінюється тільки взаємне положення площин падіння променів світла між пластинками П₁ і П₂.

На досліді виявлено, що при повороті пластини П₂ промінь 3, відбитий від пластинки П₂, змінює свою інтенсивність. Найбільша інтенсивність його тоді, коли площини падіння обох пластинок паралельні, а найменша у тому положенні, коли площина падіння променя 1 на першу пластинку і площина падіння променя 2 на другу пластинку взаємно перпендикулярні.

Кут максимальної поляризації (кут Брюстера) – кут падіння променя на першу діелектричну пластинку, при якому сила світла відбитого від двох взаємно перпендикулярно розташованих пластинок, дорівнює практично нулю.

Закон Брюстера: .

Якщо світло падає на діелектричну пластинку під кутом Брюстера, то відбитий і заломлений промені між собою взаємно перпендикулярні, і площини поляризації цих променів теж взаємно перпендикулярні.

Надійне пояснення явища поляризації світла стало можливим тільки з появою теорії електромагнітних хвиль Максвела. За теорією Максвела, світло – поперечна електромагнітна хвиля, у якій змінюються в часі і в просторі два взаємно перпендикулярних вектори: вектор (вектор електричної напруженості електромагнітних хвиль) і вектор (вектор напруженості магнітної складової електромагнітної хвилі), а напрямок швидкості поширення хвилі перпендикулярний до цих векторів. Площини, утворені вектором швидкості хвилі та векторами , визначають площини коливань відповідних векторів.

Дослідами встановлено, що при відбиванні під кутом Брюстера вектор напруженості магнітного поля у відбитому промені знаходиться в площині відбивання. Тому домовилися за площину поляризації електромагнітної хвилі брати площину, у якій відбуваються коливання вектора напруженості магнітного поля в електромагнітної хвилі.

Площина, в якій відбуваються коливання вектора електричної напруженості, одержала назву площини коливань електромагнітної хвилі.

Плоскополяризованим світлом є така електромагнітна хвиля, в якій коливання вектора напруженості магнітного поля і напрямок поширення хвилі знаходяться у такій площині, яка не змінює свого положення в просторі.

Якщо електричні вектори хаотично змінюють свій напрям і всі напрями рівно ймовірні в площині, перпендикулярній до променя, то таке світло називають природним.

Якщо для вектора електричної напруженості існує переважний напрям, то світло називають частково поляризованим.

Прилади, за допомогою яких можна одержати поляризовані світлові хвилі, називаються поляризаторами.

Прилади, за допомогою яких можна переконатися в тому, що світло дійсно поляризоване, називаються аналізаторами. Конструкції певного типу поляризаторів і аналізаторів абсолютно однакові.

Ступінь поляризації світла – це число, що є кількісною характеристикою поляризації і визначається за формулою:

, де І_тах і І_тіп – відповідно максимальна і мінімальна інтенсивність світла, яке пройшло через аналізатор.

Явище поляризації дозволяє пояснити явище подвійного променезаломлення, яке вперше спостерігав у 1669 році Бартолініт на монокристалах ісландського шпату (СаСО₃). Якщо покласти кристал ісландського шпату на газету, то крізь кристал видно подвійне зображення шрифту. Один з променів підпорядковується закону заломлення світла (його показник заломлення не залежить від кута падіння на поверхню кристала і від положення площини падіння променя відносно кристала). А для другого променя показник заломлення залежить від кута падіння променя. Ці два промені є плоско поляризованими у взаємно перпендикулярних площинах.

Закон Малюса: , де І₀ – інтенсивність падаючого на аналізатор плоскополяризованого світла, І – інтенсивність світла після проходження через аналізатор, α – кут між площинами поляризації аналізатора і площиною поляризації коливань світлового променя.

Вимірюючи кут повороту площини поляризації, можна визначити, наприклад, концентрацію речовини у розчинах та інші характеристики. Такі прилади для вимірювань кутів повороту площини поляризації називають поляриметрами (вони є дуже чуткими і точними вимірювальними приладами).

Контрольні питання

1. В чому полягає сутність поляризації світла?

2. Дайте визначення куту Брюстера та запишіть його закон.

3. Дайте визначення поляризатору і аналізатору та поясніть як впливає на інтенсивність світла кут між ними.

4. Дайте визначення природного, плоскополяризованого світла та наведіть відповідні приклади.

5. Яке практичне застосування явища поляризації світла?

Дисперсія і поглинання світла.

Дисперсія хвиль – залежність фазової швидкості поширення хвиль від їх довжин.

Швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі стала, тому дисперсія світла у вакуумі дорівнює нулю. Але у речовині фазова швидкість світла залежить від довжини хвилі (від частоти). Оскільки фазову швидкість визначає абсолютний показник заломлення, то це означає, що показник заломлення світла у речовині залежить від частоти.

Дисперсія світла у речовині – залежність показника заломлення світла від частоти.

Існує декілька методів спостереження дисперсії речовини. Найбільш відомим і давнім є метод схрещених призм, запропонований Ньютоном. Існує метод „гаків” Рождественського.

Існування дисперсії світла у речовині дозволяє спостерігати, вимірювати і вивчати її спектр – склад світлових хвиль, випромінюваних речовиною, - і за допомогою цього визначати хімічний склад речовини (спектральний аналіз).

Без спектрального аналізу неможливе вивчення хімічного аналізу і стану речовини в зірках.

За допомогою інтерферометра Рождественського досліджують власні частоти коливань електронів у речовині. Ці дослідження дозволили розкрити багато чого в будові атомів і молекул.

Світло, проникаючи в речовину, частково поглинається нею. Основний закон поглинання світла речовиною був відкритий у 1729 році Бугером.

Закон Бугера: , де І – інтенсивність світла на виході з шару речовини товщиною d (або на глибині d від поверхні твердого тіла, рідини чи газу), І₀ – початкова інтенсивність світла, к – коефіцієнт поглинання світла (який може залежати від довжини світла).

Якщо для якогось кольору світла коефіцієнт поглинання великий, то саме такі довжини хвиль у світловому потоці інтенсивного поглинаються речовиною, а біле світло, пропущене через таку речовину, на виході з неї стає забарвленим.

Закону Бугера підпорядковуються майже всі речовини.

Поглинання світла може приводити до нагрівання, іонізації або збудження атомів і молекул речовини, до деформації та інше.

Контрольні питання

1. Дайте визначення дисперсії, дисперсії світла.

2. Сформулюйте закон Бугера.

3. Яке практичне застосування має явище дисперсії?

4. Як пояснюється колір непрозорих тіл? Наведіть приклади.

5. Опишіть будову та принцип дії спектроскопа.

Розсіяння світла

При поширенні світлової хвилі в оптичному середовищі її електричне поле викликає вимушені коливання оптичних електроні, а при цьому вони випромінюють електромагнітні хвилі тієї ж частоти, що й частота падаючої хвилі. Ці хвилі називають вторинними. Вони когерентні між собою і з падаючою хвилею. В оптично однорідному середовищі внаслідок інтерференції цих хвиль утворюється хвиля, яка поширюється в напрямі падаючої хвилі. В оптично неоднорідному середовищі світло буде поширюватись також у напрямах, відмінних від напряму поширення падаючої хвилі.

Поширення світла в середовищі у напрямах, відмінних від напряму поширення падаючої хвилі, називається розсіянням світла.

Оптично неоднорідним середовищем називають середовище, показник заломлення якого залежить від координат і може нерегулярно змінюватися від точки до точки.

Інтенсивність розсіяного світла значною мірою залежить від співвідношення між розміром оптичних неоднорідностей d і довжиною хвилі λ. Якщо , то розсіяння називають релеївським.

Закони релеївського розсіяння світла встановив експериментально Тіндаль у 1869 році, а теоретично їх обґрунтував Релей: інтенсивність розсіяного світла І обернено пропорційна четвертому степеню довжини хвилі. .

Це означає, що фіолетові і сині промені розсіюються більше, ніж червоні. Тому в разі розсіяння білого світла, розсіяне світло має блакитний відтінок, а світло, яке проходить через оптичне середовище, збагачене довгохвильовим випромінюванням.

Розсіяне світло частково або повністю поляризоване. Ступінь поляризації залежить від кута між напрямом падаючого світла і напрямом спостереження та від поляризованості молекул оптичного середовища.

Внаслідок розсіяння світла атмосфера світиться в усіх напрямах, створюючи денне світло, яке освітлює земну поверхню і всі предмети. Так як інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна четвертій степені довжини світлової хвилі, то небо має блакитний колір. За наявності в атмосфері завислих водних краплин та пилу розсіяння світла відбувається рівномірніше в усіх частинках спектра і колі неба стає менш голубим, тобто білястим. Розсіяння світла атмосферою є причиною плавного переходу від ночі до дня і навпаки. При опусканні Сонця за горизонт атмосфера освітлюється все менш і настає момент, коли вона зовсім не освітлюється.

До оптичних явищ, зумовлених розсіянням світла в атмосфері, належить веселка. ЇЇ спостерігають у вигляді дуги на фоні дощових хмар або дощу, коли хмара знаходиться попереду спостерігача, а Сонце – позаду. Центр дуги знаходиться на продовженні прямої, що проходить через око спостерігача і Сонце. Кут між цією прямою і напрямом від спостерігача до дуги райдуги має значення 41 – 42⁰. Різнокольорова дуга знаходиться від спостерігача на відстані 1- 2 км, її можна також спостерігати на відстані 2 – 3 м на фоні водяних краплин фонтанів. Часто виникає побічна райдуга, концентрична до першої, із оберненим розміщенням кольорів. ЇЇ кутовий радіус має значення 52⁰. Вигляд дуги, яскравість кольорів та ширина смуг залежать від розмірів краплин води та їхньої кількості: більші краплини створюють вужчу райдугу з різко виділеними кольорами.

Іноді одночасно спостерігається три, чотири і навіть п’ять райдуг. Вони можуть виникати не тільки від прямих сонячних променів, але й внаслідок дії відбитих. Райдугу можна спостерігати і вночі після дощу, коли із-за хмар виходить Місяць. У цьому випадку вона буде білою, оскільки нічним зором кольори не розрізняються.

Навколо Сонця або Місяця можна спостерігати одне або кілька райдужних кілець, які називають вінцями. Центр вінців збігається з центром світил, навколо якого вони виникають. Утворення вінців зумовлене дифракцією світла на водяних краплинах прозорих хмар, які знаходяться між світилом і спостерігачем.

До оптичних явищ належить мерехтіння зірок. Воно зумовлене випадковими змінами густини середовища, що приводить до зміни його показника заломлення.