Методы наблюдения интерференции света Поляризация света Характеристики теплового излучения Применение фотоэффекта Современная физика атомов и молекул Ядерные реакции Квантовые усилители и генераторы

Курс лекций по физике

В отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика не изучает конкретно молекулярные взаимодействия, происходящие с отдельными атомами или молекулами, а рассматривает взаимопревращения и связь различных видов энергии, теплоты и работы. Термодинамика базируется на двух опытных законах (началах), которые позволяют описывать физические явления, связанные с превращением энергии макроскопическим путем.

Поляризация света

Ранее были рассмотрены различия естественного и поляризованного света. 

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (рис.34.1,а; луч перпендикулярен плоскости рисунка). В данном случае равномерное распределение векторов Е объясняется большим числом атомарных излучателей, а равенство амплитудных значений векторов Е - одинаковой (в среднем) интенсивностью излучения какого из атомов. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора Е (и, следовательно, Н) называется естественным.

Рис.34.1. Естественный (а), частично поляризованный (б) и плоскополяризованный лучи.

Иначе те же лучи изображают с помощью стрелок и точек, причем стрелки обозначают колебания, происходящие в плоскости рисунка, а точки – в перпендикулярных им направлениях (рис.34.2).

Условное изображение естественного (а), частично поляризованного (б) и полностью поляризованного (в) лучей.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но не исключительное!) направление колебаний вектора Е (рис. 34.1, 34.2, б), то имеем дело с частично поляризованным светом. Свет, в котором вектор Е (и, следовательно, Н) колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу (рис. 34.1, 34.2, в), называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).

При частичной поляризации используется понятие степени поляризации.

Степенью поляризации называется величина

где Imax и Imin - соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором. Для естественного света Imax=Imin и Р=0, для плоскополяризованного Imin=0 и Р=1.

Поляризаторы и анализаторы, закон Малюса.

Поляризация света при отражении и преломления в диэлектрике была рассмотрена ранее (кстати, свет отраженный от «чистого неба» может быть поляризован до 70%. Установлено, что этим пользуются пчелы, при отыскании пути к улью).

Для получения поляризованного света используют поляризаторы – специальные устройства, выделяющие плоскополяризованный луч из естественного. Простейшим по устройству и самым дешевым поляризатором является поляроид – специально изготовленная пленка, поверхности которой защищены стеклами. Изучение поляризованных потоков света производится с помощью анализаторов, в принципе устроенных аналогично поляризаторам и в некоторых случаях взаимозаменяемых.

Поляризаторы пропускают колебания только определенного направления (например, пропускают колебания, параллельные главной плоскости поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости). В качестве поляризаторов могут быть использованы среды, анизотропные в отношении колебаний вектора Е, например кристаллы (их анизотропия известна). Из природных кристаллов, давно используемых в качестве поляризатора, следует отметить турмалин.

Рассмотрим классические опыты с турмалином (рис.34.3). Направим естественный свет перпендикулярно пластинке турмалина T1, вырезанной параллельно так называемой оптической осью 00' (см. § «двойное лучепреломление»).

Рис.34.3. К выводу закона Малюса.

Вращая кристалл Т1 вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем. Если на пути луча поставить вторую пластинку турмалина Т2 и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла a между оптическими осями кристаллов по закону Малюса*:

I = Io×cos2a, (34.1)

где Io и I - соответственно интенсивности света, падающего на второй кристалл и вышедшего из него.

 Рис.34.4. Изменение амплитуды излучения при пропускании через поляризатор и анализатор.

Следовательно, интенсивность прошедшего через пластинки света изменяется от минимума (полное гашение света) при  (оптические оси пластинок перпендикулярны) до максимума при  (оптические оси пластинок параллельны). Однако, как это следует из рис.34.4, амплитуда Е световых колебаний, прошедших через пластинку T2, будет меньше амплитуды световых колебаний Еo, падающих на пластинку T2:

  E = Eocosa.

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, то и получается выражение (34.1).

Результаты опытов с кристаллами турмалина объясняются довольно просто, если исходить из изложенных выше условий пропускания света поляризатором. Первая пластинка турмалина пропускает колебания только определенного направления (на рис. 34.3 это направление показано стрелкой АВ), т. с. преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Вторая же пластинка турмалина в зависимости от ее ориентации из поляризованного света пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненту Е, параллельному оси второго турмалина. На рис. 34.3 обе пластинки расположены так, что направления пропускаемых ими колебаний АВ и A`B` перпендикулярны друг другу. В данном случае T1 пропускает колебания, направленные

по AB, а T2 их полностью гасит, т. е. за вторую пластинку турмалина свет не проходит.

Пластинка Т1, преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является поляризатором. Пластинка Т2, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинки совершенно одинаковы (их можно поменять местами).

Если пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол a, то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого , из второго, согласно (34.1), выйдет свет интенсивностью

I = Io×cos2a. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора,

 

откуда  (поляризаторы параллельны) и Imin = 0 (поляризаторы скрещены).

Наконец, если в поляризаторе и анализаторе наблюдается частичное поглощение (потери), характеризуемые коэффициентами поглощения k1 и k2 соответственно, то интенсивность света, вышедшего из анализатора, может быть найдена как:

  (34.2)

*Э. Малюс (1775—1812) — французский физик.

Дифракция Френеля от простейших преград Рассмотренный в предыдущем параграфе метод алгебраического сложения амплитуд (существует и способ графического сложения, подробно изложенный, например, в учебнике И.В Савельева) позволяют решить простейшие задачи на дифракцию света.

Дифракция от круглого диска.

Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке Большое практическое значение имеет дифракция, наблюдаемая при прохождении света через одномерную дифракционную решетку — систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Рассматривая дифракцию Фраунгофера на щели, мы видели, что распределение интенсивности на экране определяется направлением дифрагированных лучей. Это означает, что перемещение щели параллельно самой себе влево или вправо не изменит дифракционной картины. Следовательно, если перейти от одной щели ко многим (к дифракционной решетке), то дифракционные картины, создаваемые каждой щелью в отдельности, будут одинаковыми

Двойное лучепреломление Все прозрачные кристаллы (кроме кристаллов кубической системы, которые оптически изотропны) обладают способностью двойного лучепреломления, т. е. раздваивания каждого падающего на них светового пучка. Это явление, в 1669 г. впервые обнаруженное датским ученым Э. Бартолином (1625—1698) для исландского шпата (разновидность кальцита СаСО3), объясняется особенностями распространения света в анизотропных средах и непосредственно вытекает из уравнений Максвелла.

Поляризационные призмы и поляроиды В основе работы поляризационных приспособлений, служащих для получения поляризованного света, лежит явление двойного лучепреломления. Наиболее часто для этого применяются призмы и поляроиды. Призмы делятся на два класса: призмы, дающие только плоскополяризованный луч (поляризационные призмы); призмы, дающие два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях (двоякопреломляющие призмы).

В задачах на тему "Основы молекулярно-кинетической теории" внимание уделено таким вопросам программы, как уравнение Клапейрона-Менделеева, уравнение молекулярно-кинетической теории, средние кинетические энергии поступательного и вращательного движения молекул, средняя длина свободного пробега и среднее число соударений, явления переноса.
Гелий-неоновый лазер