![]()
|
|||||||
Нахождение обыкновенных и необыкновенных лучей в одноосных кристаллах.⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 11 Нахождение обыкновенных и необыкновенных лучей в одноосных кристаллах.
АВ - волновой фронт. За время в течении которого правый край фронта В распространиться до точки Д в кристалле вокруг точки А возникнут две волновые поверхности- сферическая и эллипсоидальная. На рисунке кристалл положительный. Около всех промежуточных точек между А и Д также возникнут волновые поверхности но меньших размеров. По принципу Гюйгенса мы должны провести две поверхности: касательную к сферам и касательную к эллипсоидам. Тогда получим два фронта - для обыкновенной и необыкновенной волн. Надо отметить, что необыкновенные лучи не с к волновому фронту, а обыкновенные Если бы плоскость падения света не была параллельной к оптической оси, то обыкновенный и необыкновенный лучи не лежали бы в одной плоскости. Дихроизм. В большинстве одноосных кристаллов поглощение обыкновенного и необыкновенного лучей одинаково. Однако есть кристаллы, в которых один из лучей поглощается сильнее другого. Такое различное поглощение называется дихроизмом. Например, кристалл турмалина толщиной 1 мм полностью проглотить обыкновенный луч, что используется для получения поляризованного света. Интерференция линейно поляризованных волн. Пластинки . Лучи, обыкновенный и необыкновенный, возникающие при двойном лучепреломлении из естественного света, не когерентны. Если естественный луч разложить на два луча, поляризованных в двух различных плоскостях А и В, а затем с помощью поляризованного прибора привести их колебания к одной плоскости, то они не интерферируют. Это потому, что в естественном свете колебания, проходящие в разных плоскостях, испущены различными атомами и не имеют постоянных разностей фаз (не когерентны). Лучи же, обыкновенный и необыкновенный, возникающие из одного и того же поляризованного луча, когерентны. Если колебания в двух таких лучах привести с помощью поляризованного прибора к одной плоскости, то лучи будут интерферировать обычным образом. Если колебания в2-х когерентных плоско поляризованных лучах происходят во взаимно При перпендикулярном падении лучей на пластинку из одного кристалла оптическая ось, в котором параллельна преломляющей поверхности, обыкновенный и необыкновенный лучи идут по одному направлению, но с различными скоростями. Пусть на такую пластинку попадает плоско поляризованный луч, плоскость поляризации которого составляет с плоскостью главного сечения пластинки угол В момент их возникновения в пластинке разность фаз между ними равно нулю. Но она будет возрастать по мере проникновения лучей в пластинку. Каждый из лучей при прохождении сквозь пластинку толщиной L отстает по фазе на величину Тогда разность фаз между лучами Так как в пустоте Если толщину пластинки подобрать так, что бы При всех иных значениях Δ колебания обоих лучей, вышедших из пластинки, складываясь, дадут эллиптические колебания. Амплитуды обоих лучей будут равны друг другу, если плоскость поляризации падающего луча составит Т.е.
Такая пластинка дает разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами равно Реально толщину берут больше В зависимости от ориентации пластинки в четверть волны приобретаемая разность фаз Можно изготовить такую пластинку, что Таким образом, мы рассмотрим интерференцию поляризованных лучей, колебания в которых происходят во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим теперь интерференцию лучей, колебания в которых приведены к одной плоскости. Это можно осуществить, поместив плоскопараллельную плоскость кристаллическую пластинку между двумя поляроидами(
Пластинка АВ вырезана из одноосного кристалла параллельной оптической оси. Изобразим положение главных сечений поляроидов линиями Пусть Луч, попавший в пластинку АВ, разобьется на обыкновенный и необыкновенный колебания в обыкновенном луче перпендикуляр Между этими лучами возникает разность фаз: Второй поляроид пропустит лишь колебания в направлении Таким образом, они возникли из одного плоско поляризованного колебания При При освещении системы белым светом условия max усилении или ослабления осуществляются не одновременно для лучей разных длин лучей и поэтому поле окажется равномерно окрашенным с цветом, зависящим от l и от Если поляроиды параллельны, то разность фаз между колебаниями будет просто, т.е. отличается от Хроматическая поляризация - чувствительный метод для обнаружения двойного лучепреломления. Искусственная анизотропия (двойное лучепреломление). Явления данного лучепреломления при механической деформации было открыто Зеебеком(1813) и Брюстером(1815). При отражении или растяжении тела возникает оптическая анизотропия (как в основном кристалле) с оптической осью Опыт показывает, что Разность фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами В зависимости от вещества При наблюдении в белом свете искусственно анизотропное тело при скрещенных поляризаторах оказывается пестро окрашенным. Распределение окраски может служить хорошим качественным признаком распределения напряжений. Эффект Керра(1875). Под влиянием электрического поля вещество становиться в оптическом отношении подобным одноосному кристаллу с оптической осью параллельной электрической напряженности. к-ячейка Керра. Если поляризаторы перпендикулярны и нет электрического поля на ячейке, то свет не проходит. При наложении поля жидкость между обкладками конденсатора становится двоякопреломляющей, так что свет, выходящий из Например, для нитробензола Эффект Керра практически безынерционен (время установления ~ Объяснения эффекта дал Лапшевен: в сильном электрическом поле молекулярные дипош ориентируются вдоль поля, что и создает ассиметрию в оптических свойствах жидкости. При росте температуры эффект ослабляется. Вращение плоскости поляризации. Эффект Фарадея. Если поместить между скрещенными поляризатором и анализатором пластину одноосного кристалла (например, кварц), чтобы свет шел вдоль оптической оси (двойное преломление отсутствует). То заметим, что поля зрения освещается. Если повернуть анализатор на угол Например, для кварца постоянная Поворот плоскости поляризации наблюдается и в аморфных телах, лишенных какой бы то ни было анизотропным, например, в растворах сахара и другие. Где угол поворота Это позволяет создать сахарометры. Искусственный поворот плоскости поляризации может быть получен при помещении некоторых веществ (например, стекла), в магнитное поле. Вдоль линии индукции, которого распространяется линейно поляризованный свет. Эффект был открыт Фарадеем в 1846г. Для стекла(в единичной индукции) на пути в 1см, В веществе её можно представить как сумму волн:
Скорости распространения волн несколько отличны.
Если коэффициент преломления Таким образом, Физический смысл этой формальной теории связан с существованием сложных молекул, являющихся зеркальным отображением друг друга (как спирали, намотанные правым или левым бинтом). Поляризационные приборы. 1) призма Николя (исландский шпат).
2) Призма из исландского шпата и стекла. Оптическая ось перпендикулярна к плоскости чертежа 3)Дихроичные пластинки (турмалин). Один из лучей (обыкновенный) поглощается значительно сильнее. Поэтому свет становится частично поляризованным.различие в поглощение лучей разной поляризации влечет за собой различие в поглощении естественного света в зависимости от направления его распространения. Такое различие в поглощение, зависящее еще и от λ приводит к тому, что кристалл по разным направлениям оказывается различно окрашенным (дихроизм). Особое значение дихроичные вещества для поляроидов. Это пленка очень сильно дихроичного кристалла - герапатиты. (период бисульфата хинина). При толщине ~0,1мм практически полностью поглощает один из лучей. 4)Призма из двух кусков исландского шпата а) призма Рогиона. Угол между лучами О и Е зависит от преломляющего угла призмы. б) призма Волластона обеспечивает симметричное разведение лучей.
Дисперсия, поглощение и рассеяние света. Трудности электромагнитной теории Максвелла. В среде свет испытывает изменение скорости (преломление) и притом для разных частот эта скорость разная, т.е. Нормальная и аномальная дисперсия. Очень наглядный метод исследования дисперсии был применен еще Ньютоном - метод скрещенных призм.
Цветная полоска, получающая в результате действия одной призмы, отклоняется второй призмой в разных своих частях различно в зависимости от n,так что окончательная форма и расположение спектра определяются величиной дисперсии обеих призм. Оказывается, что даже общий ход дисперсии – увеличение n при уменьшении λ не всегда имеет место. Например, Леру(1862) обнаружил, что призма наполненная парами стода преломляет синие лучи меньше, чем красные (аномальная дисперсия). Исследования Купдта установили важный закон - что явление аномальной дисперсии тесно связано с поглощением света: все тела, обладающие аномальной дисперсией, в какой- либо области сильно поглощают свет в этой области.
Показатель преломления вблизи полосы поглощения меняется настолько быстро, что значение его стороны более длинных λ ( точка М) больше, чем со стороны коротких (точка N).
Электронная теория дисперсии (классическая). Взаимодействие света и вещества сводится к интерференции падающей (первичной) волны со вторичными волнами, возникающими вследствие колебаний эл. (и токов) вещества под действием поля первичной волны. Атомы (молекулы) будем рассматривать как системы, где эл. находится в положении равновесия. Внешнее поле смещает эти заряды на расстоянии rвдоль поля . Возникает момент Таким образом, Силы, действующие на эл.
Так как атомы испускают почти монохроматические волны, можно считать, что сила удерживающая эл. в момент равновесия должна иметь характер упругой силы, т.е. Под действием световой волны возникает вынуждающая сила еЕ, где
Решение ищем в виде: Разделим действительную и мнимую часть, полагая В этом уравнение и содержится вся элементарная классическая электронная теория дисперсии. Комплексность Вводя комплексный
При отсутствии затухания
При низких частотах( При очень высоких частотах(
Вблизи резонанса( Если в веществе имеются полярные и молекулы, которые не успевают следовать за быстрыми изменениями поля, то для оптических частот, например для воды
Фазовая и групповая скорость. Так как показатель преломления зависит от часто, а любой свет не строго монохроматичен, то возникает вопрос, что же следует понимать под скоростью распространения светового сигнала. Все приемники света реагируют на энергию, поэтому во всех опытах измеряется скорость переноса энергия световым сигналом; её называет групповой скоростью, и она отличается от скорости распространения фазы (фазовой скорости) Рассмотрим распространение ограниченного времени импульса. Его можно представить как положение близких по частоте монохроматических волн. Так как характеризуется дисперсией, то отдельные монохроматические волны распространяются с разными фазовыми скоростями. Представим импульс как совокупность лишь двух близких по частоте волн. их положение дает импульс (биения близких по частоте колебаний) (или группа волн). Складывая, получим: Где амплитуда А меняется медленно так как Для нахождения групповой скорости и надо написать условие постоянства амплитуды, т.е. Дифференцируя, получим Перемещение же фазы волны получим из условия Связь между Так как А так как
Если Если
Различие между Эффект Вавилова- Черенкова. Волновые представления позволяют объяснить эффект, открытий в механике. Э.Махом (1883), а в оптике П.А.Черепковым и С.Н.Вавиловым(1934). Излучение направлено под определенным углом к направлению движения частицы. Объяснено Н.С. Таммом и И.М.Франком. они обратили внимание на то , что утверждение классической эл. динамики от отсутствии изменения у равномерно и прямолинейно движущейся заряженной частицы опирается на предположение о том, что её скорость меньше скорости света. но это условие может быть нарушено в среде с показателем преломления n больше одного. В этом случае скорость света в среде Механизм возникновения черенковского свечения заключается в когерентном излучений диполей, которые возникают в результате поляризации атомов среды при движении в ней заряженной частицы со скоростью. Больше скорости света в этой среде. Диполи образуется под действием электрического поля пролетающей частицы, которые смещают электрических атомов. Возвращение диполей в нормальное состоянии сопровождается испусканием электромагнитного импульса. Если частица движется медленно, то возникающая поляризация будет распределена симметрично относительно частицы и результирующее поле всех диполей вдали от частицы равно нулю, а их излучение погасят друг друга. Если частица движется со скоростью Пусть частица движется с
Убывает с ростом Нормаль к огибающей поверхности определяет направление распространения черенского излучения. Угол При Например, в воде (n=1,33) Замечательно, что это излучение создается равномерно движущийся электроном; в тех же случаях, когда скорость электрона меньше скорости света в среде, он излучает только при наличии ускорения. Спектры испускания и поглощения. Спектрометры. Спектральный анализ. Электромагнитное излучение всех длин волн обуславливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества. Например, нагретое тело излучает на всех частотах. Газы при низком давлении могут излучать узкие спектральные линии. Прохождении света через вещество ведет к возникновению колебаний электронной среды под действием электромагнитного поля волны и сопровождается потерей этой энергии последней. Опыт показывает, что интенсивность плоской волны, проходя через вещество Так как α зависит от λ то при измерениях получается спектр.
Такую роль исполняет призма, дифракционная решетка или какой- либо интерференционный прибор.
Например, призменный спектрограф . Цвет тел. Воспринимаемые нами цвета тел представляют субъективную характеристику света, так как эти цвета зависят от свойств глаза. Объективной же характеристикой остается спектр частот, соответствующие сложному отраженному свету. Свет самосветящихся тел зависит от излучаемых ими частот. Например, раскаленное твердое тело, дающее сплошной спектр кажется белым. Если белый свет отражается от поверхности несамосветящегося тела, то цвет поверхности зависит от коэффициентов отражения различных частот. Оптические явления в атмосфере; прозрачность; дифракция на случайных неоднородностях; радуга.
Атмосфера сильно поглощает значительную часть излучения (от солнца). Имеется два окна прозрачности: видимые и ИК лучи с λ от 0,3 до 14мкм (с полосой поглощения от 5 до 8мкм ) и радикально λ от 1мм до 30 м (с полосами поглощения 2,5 и 5мм и 0,16 и 1,35 мм). Существование Изменение n с высотой приводит к рефракции.
Если распределение плотности испытывает местное отклонение от нормы, то может возникнуть мираж. При излучении дифракции выяснено, что дифракционная картина создаваемая системой периодически расположенных одинаковых объектов (например, решетка) определяется произведением 2-х сомножителей. Один из них учитывает влияние единичного объекта, создающего дифракцию, другой – их совместное действие. При этом последний сомножитель в направлениях max света пропорционален квадрату числа объектов. Если объекты создающие дифракцию расположены хаотически, то этот сомножитель пропорционален числу объектов. Поэтому при прохождении световой волны, например от луны, через хаотически расположенные многочисленные микроскопические кристаллы льда, иногда появляющиеся в верхних слоях атмосферы. Создается достаточно яркая дифракционная картина, состоящая из цветных колец, окружающих светило. Такую картину можно наблюдать, рассматривая удаленный светильник через запотевшее стекло. Если монокристаллы однородны (редко) то наблюдается образование вокруг солнца или луны четких колец определенного радиуса (
|
|||||||
|