Двойное лучепреломление. (Лекция 39)

Поляризация света играет важную роль в процессах преломления и отражения его от границы раздела прозрачных сред. Пусть граница раздела плоская. Плоскостью падения света на нее называется плоскость образованная падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела. Все три луча: падающий, отраженный и
преломленный находятся в плоскости
падения. Существенным оказывается
Положение светового вектора падающего луча по отношению к плоскости падения. При этом падающая волна мысленно раскладывается на две плоско поляризованные волны.

Из первый формулы (38.7) вытекает интересное свойство процесса отражения: если α1+α3=π/2, т.е. преломленный и отраженный лучи перпендикуляр-ны друг другу, то tg(α1+α3)=∞ и интенсивность от-раженного света оказывается равной нулю. Угол падения, соответствующий этому случаю называ-ется углом Брюстера. Если на границу раздела диэлектриков под углом брюстера направить есте-ственный свет, то отраженный
луч будет линейно поляризован,
так как он не будет содержать
компоненту с поляризацией па-
раллельной плоскости падения.
Преломленный луч будет час-
тично поляризован.

На этом принципе основано уст-ройство отражательного поляриза-тора. Обычно это одна или несколько пластин из прозрачного материала. Их устанавливают под углом Брюс-тера θ к падающему свету. Для различных материалов угол
По углу Брюстера легко определяется показатель преломления вещества, так как
n=tg(αбр) (38.9).

Двойное лучепреломление
Большинство кристаллических
прозрачных веществ обладают
эффектом двойного лучепреломления.
Прозрачная модификация кальцита известна под названием Исландский шпат

Причина раздвоения светового луча – анизотропия показателя преломления, т.е. зависимость его от направления колебаний светового вектора. Если поворачивать плоскость поляризации, то при неко-торых ее положениях эффекта раздвоения луча нет.
Механизм двойного луче-преломления заключается в анизотропии электрических свойств кристаллических тел. Возможность колебате-льного движения электронов зависит от направления этого движения
относительно кристаллической решетки вещества.

Следствием этого является зависимость скорости света в веществе и показателя преломления от ори-ентации светового вектора – вектора напряженнос-ти электрического поля. Не от направления расп-ространения света, а от ориентации светового вектора. Если для каждого из бесконечного мно-жества ориентаций светового вектора построить в пространстве отрезок, пропорциональный показа-
телю преломления в данном направле-нии, то концы этих отрезков образуют в пространстве некую поверхность, назы-ваемую оптической индикатрисой. Ее форма– эллипсоид, у которого все три оси разные: Ng – наибольший Nm – сред-ний, Np – наименьший показ. преломл.

Пусть в этом веществе распространяется световая волна в произвольном направлении (вектор S). Световой вектор находится в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Сечение эллипсоида этой плоскостью является эллипсом (закрашен на рисунке). Две оси этого эл-липса обозначены n1 и n2. При этом волна сама собой раскладывается на две волны со световыми
векторами вдоль направлений n1 и n2. Каждая из этих волн имеет свою скорость распространения, соответ-ствующую своему показателю пре-ломления - n1 или n2. Т.О. В анизо-тропном веществе световая волна раскладывается на две плоско поляризованные волны.

По виду оптической индикатрисы можно судить о свойствах распространения света в веществе. При этом можно выделить три типа индикатрис и соот-ветствующих им веществ
Это означает, что скорость света не
зависит от ориентации его свето-
вого вектора. Вещество называется
оптически изотропным и подчиня-
Ется обычным законам распростра-
нения и преломления света.
2. Индикатрисой является эллипсоид вращения
Такой эллипсоид можно представить, как сферу, сплюснутую или растянутую вдоль одного из
направлений.
Индикатриса является сферой.

Направление, вдоль которого «дефор-мирована» индикатриса, называется оптической осью вещества, а кристал-лы с таким видом индикатрисы – од-ноосными. В перпендикулярном нап-равлении сечение эллипсоида враще-
ния - окружность. Если свет идет по веществу в на-правлении оптической оси, то световой вектор бу-дет находится в перпендикулярной плоскости, где сечением индикатрисы является окружность. Это означает, что скорость света для данного направ-ления распространения не зависит от ориентации светового вектора, и вещество будет вести себя как изотропное. Для другого направления распростра-нения света (не вдоль оптической оси) сечение индикатрисы представляет собой эллипс.

В этом случае скорость света оказывается зависимой от ориентации светового вектора. При этом вещество само по себе разбивает луч на два. Один из них имеет световой вектор, перпендику-
лярный оптической оси. Его скорость не зависит от ориентации светового вектора и он называется обыкновенным лучом. Другой луч имеет световой вектор параллельный оптической оси. Этот луч называется необыкновенным. Оба луча плоско поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях

3. Индикатрисой является разноосный эллипсоид. Это означает, что при почти любом направлении распространения света в данном веществе показатель преломления будет завесить от ориентации светового вектора. Можно сказать, что оба луча будут необыкновенными. Однако в разноосном эллипсоиде существуют два сечения, представляющие собой окружности. Если свет идет в направлении, перпендикулярном какому-либо из этих сечений, то показатель преломления не будет зависеть от ориентации светового вектора, и раздвоение луча не происходит. В результате, мы имеем две оптические оси, а соответствующие вещества называются двуосными.

Поляризаторы света – это устройства, превра-щающие естественный свет в линейно поляризо-ванный. Если на поверхность анизотропного вещества падает неполяризованный свет, то он расщепится на два пучка с взаимно ортогональ-ными линейными поляризациями.
Выделяя один из этих пучков, мы
получим линейно поляризованный
свет. Поляризатор «призма Николя»
Склеивается из двух призм прозрач-
ным клеем, у которого коэффициент
преломления находится в интервале между величи-нами коэффициентов преломления для обыкновен-ного и необыкновенного лучей материала призм. Обыкновенный луч отражется на границе раздела.

Помимо призмы Николя используются другие призменные поляризаторы. Более дешевыми являются поляризаторы из дихроичных материалов - поляроиды. Дихроизм – это различие коэффи-циентов поглощения обыкновенного и необык-новенного лучей. У турмалина эти коэффициенты отличаются в сотни раз. Пластинка толщиной 1 мм поглощает обыкновенный луч почти полностью, а необыкновенный ослабляется не очень сильно.
Искусственные пленочные поляроиды делают из органической пленки с добавлением йода. При рас-тягивании пленки длинные органические молеку-лы поворачиваются вдоль направления растяжения и пленка становится оптически анизотропной, а йод придает ей дихроичные свойства.

Оптическая активность - это способность среды (кристаллов, растворов, паров вещества) вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё поляризованного света. Оптически активные вещества подразделяются на 2 типа:
Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфара, винная кислота), ко 2-му — активны только в крис-таллической фазе (кварц, киноварь). У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке).

Поляриметрия — методы физических исследований, ос-нованы на измерении степени поляризации света и угла поворота плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активные вещества. Угол поворота в растворах зависит от их концентрации; поэтому поляри-метрия широко применяется для измерения концентрации оптически активных веществ. Схема поляриметра: 1-исто-чник света; 3 –поляризатор; 5 – исследуемое вещество;
7 – анализатор. Поляри-метры, предназначен-ные для измерения кон-центрации сахара, называются сахариме-трами.

Жи́дкие криста́ллы - вещества, которые обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой формы, упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Важным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под действием электрических полей. Это открывает широкие возможности для промышленного применения ЖК. В частности, воздействуя на ЖК пленку электрическим полем можно очень быстро изменять ее прозрачность для поляризованного света. Эта возможность используется в ЖК дисплеях.

Квантовая физика
В конце XIX – начале XX в. Был открыт и изучен экспериментально ряд явлений, таких, как тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона и др. Эти явления нельзя было истолковать в рамках электродинамики Максвелла. В физике создалась ситуация, которую назвали кризисом классической физики.
Разрешение этой проблемы привело к возникновению квантовой теории. Создание современной квантовой теории началось с изучения закономерностей теплового излучения.

Тепловое излучение
Из повседневного опыта известно, что тела, нагретые до высоких температур светятся.
Излучение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым. Естественно предположить, что тела излучают ЭМ волны при любой температуре. Сильный нагрев только позволяет сделать это излучение видимым.

Тепловое излучение совершается за счет энергии теплово-го движения заряженных частиц, которые входят в состав атомов и молекул вещества (т.е. за счет внутренней энер-гии тела). Следовательно, излучение сопровождается понижением температуры.
Одновременно с излучением ЭМ волн тела поглощают падающее на них из вне ЭМ излучение. При этом их температура повышается. Только таким способом может поддерживаться тепловое равновесие тел между собой и с окружающей средой.
Интенсивность теплового излучения можно характеризо-вать его мощностью. Мощность излучения с единицы поверхности излучающего тела по всем направлениям при данной температуре –Т называется интегральной энергетической светимостью тела -R(Т). Прилагатель-ное «интегральной» обусловлено тем, что суммируется мощность по всем длинам излучаемых волн: от λ=0 до λ=∞.

Спектральная излучательная способность

Закон Кирхгофа для теплового излучения

Абсолютно черное тело (АЧТ)
Абсолютно черных тел в природе не существует. Сажа, черный бархат все же не являются абсолютно черными. Хорошей моделью АЧТ является небольшое отверстие в замкнутой полости, показанное на рисунке.
Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и отверстие снаружи будет казаться совершенно черным. Именно таким образом моделировалось абсолютно черное тело во всех экспериментах по
исследованию теплового излучения

Пятиминутка 1: Абсолютно черный радиатор должен рассеять мощность 15 Вт. Температура окружающей среды 27оС, допустимая температура радиатора 60оС. Пренебрегая другими видами теплоотдачи кроме излучения, определить необходимую площадь радиатора. (Отв. S=0.063 м2)