Материал: Реферат

2.3.4. Двойное лучепреломление

В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин опубликовал работу, в которой сообщил об открытии нового физического явления – двойного преломления света. Рассматривая преломление света в кристалле исландского шпата ( CaCO₃ ), Бартолин обнаружил, что луч внутри кристалла расщепляется на два луча (рис. 20).

Рисунок 20 - Двойное преломление света

Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча, прошедшие через кристалл. Один из лучей вел себя согласно известному закону преломления света, а второй совершенно необычно. Поэтому Бартолин первый луч назвал обыкновенным, а второй необыкновенным.

Кроме того, Бартолин обнаружил, что луч света, падая в определенном направлении в кристалле исландского шпата, не раздваивается.

Объяснение этому явлению дал современник Бартолина - голландский ученый Христиан Гюйгенс. Он показал, что необычное поведение луча света, проходящего через исландский шпат, связано с анизотропией кристалла. Направление, вдоль которого падающий луч не раздваивается, Гюйгенс назвал оптической осью, и кристаллы, имеющие одну оптическую ось, – одноосными кристаллами (исландский шпат, турмалин). Оптические свойства одноосного кристалла одинаковы вдоль всех направлений, образующих один и тот же угол с оптической осью. Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла. Существуют кристаллы, у которых имеются две оптические оси. Такие кристаллы называют двухосными (гипс, слюда).

В своей книге «Трактат о свете», изданной в 1690 г., Гюйгенс подробно объяснил явление двойного преломления света. Благодаря своим исследованиям Гюйгенс подошел к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными.

Рассмотрим подробнее явление двойного лучепреломления. Оно заключается в том, что луч внутри кристалла расщепляется на два луча. Один из них подчиняется известному закону преломления Снеллиуса:   , этот луч О обыкновенный, а другой не подчиняется – необыкновенный луч e. (рис. 20.1 (а)).

а) обыкновенный б) необыкновенный

Рисунок 20.1 – Виды луча после лучепреломления

Исследования показали, что обыкновенный и необыкновенный лучи являются полностью поляризованными во взаимно перпендикулярных направлениях. Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению, а необыкновенного луч - совпадает с главным сечением. На выходе из кристалла оба луча распространяются в одинаковом направлении и различаются лишь направлением поляризации (рис. 20.1 (б)).

Явление двойного лучепреломления используется для получения поляризованного света. В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого (дихроизм). Очень сильным дихроизмом в видимом свете обладает кристалл турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). В нем обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине 1 мм, а необыкновенный луч выходит из кристалла. В кристалле сульфата йодистого хинина один из лучей поглощается на длине 0,1 мм. Это явление используется для создания поляроидов. На выходе поляроида получается один поляризованный луч. Часто в качестве поляризатора используется так называемая призма Николя. Это призма из исландского шпата, разрезанная по диагонали и склеенная канадским бальзамом (рис. 21).

Рисунок 21 – Призма из исландского шпата

Показатель преломления канадского бальзама лежит между значениями показателей n₀ и n_e для обыкновенного и необыкновенного лучей в исландском шпате

(n₀ > n > n_e). За счет этого обыкновенный луч претерпевает на прослойке бальзама полное внутреннее отражение и отклоняется в сторону. Необыкновенный луч свободно проходит через эту прослойку и выходит из призмы. Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. В таких кристаллах диэлектрическая проницаемость ε зависит от направления. В одноосных кристаллах диэлектрическая проницаемость в направлении оптической оси ε_к и в направлениях перпендикулярных к ней ε_у имеет разные значения.

Поскольку , а в диэлектриках μ = 1, то . Следовательно, из анизотропии ε вытекает, что электромагнитные волны разных направлений колебаний вектора   имеют разный показатель преломления, и, следовательно, разную скорость распространения. Скорость распространения обыкновенного луча  , а необыкновенного  причем необыкновенный луч распространяется перпендикулярно оптической оси кристалла. В соответствии с этим одноосные кристаллы характеризуются показателем преломления обыкновенного луча   и показателем преломления необыкновенного луча . В зависимости от того, какая из скоростей  или  больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы. При условии, когда >    – кристалл положительный, <   – отрицательный.

3. Заключение

Итак, после реализации новаторских идей Планка, Эйнштейна и других выдающихся физиков начала XX в. широкое распространение получила физика фотонов, или квантовая оптика, объясняющая ряд явлений, истолкование которых было затруднительно в рамках электромагнитной теории света.

Естественно, что возник вопрос о соотношении между двумя теориями света. Довольно быстро выявилась неразумность противопоставления электромагнитной теории света и фотонной физики. Оказалось, что описание волновых свойств света (интерференция, дифракция и сопутствующие им явления) по-прежнему целесообразно проводить в рамках электромагнитной теории, тогда как некоторые энергетические характеристики излучения полностью описываются фотонной физикой.

Заметим, что в современной физике часто используют полуклассический метод, представляющий собой комбинацию квантового и классического описания явлений. В приложении к проблемам, рассматриваемым в этой книге, этот метод сводится к соединению квантово-механического исследования среды (свойств атомов и молекул) и использования законов классической электродинамики (уравнения Максвелла) для электромагнитного поля. Такой метод приводит к успеху при решении большинства задач оптики. Лишь в тех случаях, где необходим учет шумов (флуктуации, спонтанное излучение лазера и др.), нужно принимать во внимание не только дискретность процессов поглощения и излучения света атомами, но и квантование электромагнитного поля (т.е. использовать квантовую электродинамику). Интересно отметить, что фотоэффект, при истолковании которого было впервые введено понятие фотона, может быть полностью описан в рамках полуклассического метода.

Возрождение на новой основе корпускулярной теории света и то, что она не противостоит волновой теории, а дополняет ее, представляется совершенно естественным. В XX в. спор, который вели в свое время великие физики Ньютон и Гюйгенс, выглядел бы совершенно нелепым. Хорошо известно, что наличие этих двух внешне противоречивых теорий отражает сложную дуальную природу света, характерную для всей окружающей нас материи.

Так, например, общепринято представление о свободном электроне как о частице. Действительно, существование такого электрона можно зафиксировать соответствующими приборами, приспособленными для регистрации заряженных частиц. Но вместе с тем можно экспериментально выявить волновые свойства свободного электрона, которые описываются волнами де Бройля и используются в технике при расчете электронного микроскопа.

Поэтому нельзя отдать предпочтение какому-либо одному способу описания явления, так как нельзя поставить опыт, который позволил бы сделать однозначный выбор между описанием в терминах волн и в терминах корпускул.

Развитие современной оптики отражает основные идеи квантовой механики, в которой вероятность нахождения частицы в какой-либо области пространства характеризуется функцией, волновые свойства которой очевидны. Переход от волновой оптики к корпускулярной теории света происходит так, как это требует квантовая механика, и использование принципа дополнительности Бора представляется в данном случае вполне уместным.

Следует учитывать, что развитие современной оптики - это развитие как электромагнитной теории света, так и физики фотонов. Такое утверждение необходимо подчеркнуть, так как иногда высказывается точка зрения, сводящаяся к представлению об электромагнитной теории света как о науке, завершенной трудами ее создателя Максвелла и других знаменитых физиков, работавших на рубеже XIX и XX вв. Все последующие успехи оптики часто связывают только с развитием физики фотонов. Такая точка зрения неправильна и несовременна, так как при этом фактически противопоставляются две стороны одного и того же сложного процесса, требующего дуального описания.

Заметим также, что при создании методов и приборов современной оптики физики всегда объединяют в своем мышлении волновую теорию света и фотонную оптику.

Список литературы

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш. Шк., 2002. – 718 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. – Т.2. – 496 с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1989. – Т.2. – 300 с.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. Шк., 1997. – 542 с.

5. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. – М.: Наука, 1965. – Т.3. – 366 с.

6. Фриш С.Э., Тиморева О.М. Курс общей физики. – М.: Изд-во технико-теоретич. лит-ры, 1953. – Т.3. – 643 с.

7. Корсунский М.И. Оптика. Строение атома. Атомное ядро. – М.: Наука, 1967. – – 528 с.

8. Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие: Для вузов. – М.: Изд-во физ.матем. лит-ры, 2003. – 848 с.

9. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. – М.: Изд-во физ.матем. лит-ры, 2005. – Т.4. – 792 с.

10. http://www.chemport.ru/xraydiffraction.shtml

11. http://www.its-physics.org/interferenciya-svetovyh-voln

12. http://phys-portal.ru/lections/volnopt_lec.htm

13. http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/optika/uchpos/text/g2_4a.html

14. http://www.chemport.ru/xraydiffraction.shtml