Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

Друге практичне використання – вивчення структури кристалів (рентгеноструктурний аналіз). У цьому випадку за відомим спектральним складом падаючого випромінювання знаходять міжатомні відстані в кристалі. Існують різні методики рентгеноструктурного аналізу (метод Лауе, метод Дебая).

 

 

§ 6.8. Поляризація світла. Типи і способи поляризації

6.8.1. Світлова хвиля складається з багатьох цугів електромагнітних хвиль, що випромінюються окремими атомами. Площина коливань (площина коливань світлового вектора  ) для кожного цугу орієнтована випадково. Тому в природному світлі коливання різних напрямків швидко і хаотично змінюють одне одного. Світло, в якому напрямки коливань якимось чином впорядковані, називається поляризованим. Якщо коливання світлового вектора відбувається в одній площині, світло називають плоско- (або лінійно-) поляризованим. Площина, в якій коливається світловий вектор, називається площиною коливань. Площину, перпендикулярну до площини коливань, називають площиною поляризації (рис.6.19).

Якщо кінець світлового вектора описує еліпс, то світло називається еліптично-поляризованим. Таке світло можна представити як суму двох когерентних плоскополяризованих хвиль, площини коливань яких взаємно перпендикулярні. Проекції світлових векторів на відповідні осі змінюються по закону

 . (6.42)

При різниці фаз   еліпс вироджується в пряму – маємо плоскополяризоване світло. При різниці фаз   і рівності амплітуд еліпс перетворюється в коло. В цьому випадку маємо циркулярно-поляризоване світло (колова поляризація). В залежності від напрямку обертання світлового вектора розрізняють праву і ліву еліптичну і колову поляризації.

Плоскополяризоване світло можна отримати з природного за допомогою поляризаторів. Ці прилади вільно пропускають коливання, паралельні до площини поляризатора і повністю затримують коливання, перпендикулярні до цієї площини.

Нехай на поляризатор падає плоскополяризоване світло з амплітудою   і інтенсивністю   (мал.6.20). Крізь прилад пройде  складова коливання з амплітудою   де   – кут між площиною коливань падаючого світла і площиною поляризатора. Інтенсивність світла, що пройшло через поляризатор,

  (6.43)

Це співвідношення носить назву закону Малюса.

Поляризоване світло можна також отримати при відбиванні світла на межі поділу двох середовищ. При куті падіння, який задовольняє умові

  (6.44)

(закон Брюстера) відбитий промінь – повністю поляризований. Коливання у відбитому промені відбуваються у площині, перпендикулярній до площини падіння. Ступінь поляризації заломленого променя при куті падіння   – максимальний, однак цей промінь лишається поляризованим лише частково (рис.6.21).

6.8.2. При проходженні світла через анізотропні кристали відбувається явище подвійного променезаломлення. Падаючий на кристал природний промінь ділиться на два плоскополяризовані – звичайний (0) і незвичайний (е) (рис. 6.22). Звичайний промінь підкоряється закону заломлення, незвичайний – ні; для нього показник заломлення різний в різних напрямках.

В кожному анізотропному кристалі існує напрямок (або два), вздовж якого подвійне променезаломлення не відбувається, а звичайний і незвичайний промені поширюються з однаковою швидкістю. Такий напрямок називається оптичною віссю кристалу. Існують одноосні кристали (кварц, ісландський шпат) і двоосні (слюда, гіпс). Довільна площина, яка проходить через оптичну вісь, називається головною площиною кристалу. На рис.6.22   – оптична вісь, тому площина малюнку є головною площиною. Якщо напрямок променя співпадає з оптичною віссю, то подвійного променезаломлення немає.

Подвійне променезаломлення лежить в основі роботи поляризаторів: поляризаційних призм і поляроїдів. Поляризаційна призма Ніколя (ніколь) являє собою призму з ісландського шпату, розрізану по діагоналі і склеєну канадським бальзамом. Показник заломлення канадського бальзаму n лежить між показниками заломлення   і   звичайного і незвичайного променів в кристалі  . Кут падіння такий, що звичайний промінь зазнає на прошарку клею повного внутрішнього відбивання і не проходить крізь призму. З рис.6.23 видно, що призма Ніколя пропускає лише незвичайний лінійнополяризований промінь.

В деяких кристалах один з променів поглинається сильніше іншого. Це явище називається дихроїзмом. Так, наприклад, в кристалі турмаліну звичайний промінь на довжині 1 мм поглинається практично повністю. Таку ж властивість має целулоїдна плівка–поляроїд, в яку введена велика кількість однаково орієнтованих кристалів сульфату йодистого хініну.

 

 

§ 6.9. Інтерференція поляризованих променів. Обертання площини поляризації

 

6.9.1. Звичайна і незвичайна хвилі, які поширюються в одноосному кристалі при падінні на нього природного світла, – некогерентні. Якщо ж на одноосний кристал падає лінійнополяризоване світло, то звичайна і незвичайна хвилі в кристалі будуть когерентними. Нехай плоскопаралельна пластинка, яка вирізана з одноосного кристалу паралельно його оптичній осі, розміщена між двома ніколями (рис.6.24). На виході з пластинки між звичайною і незвичайною хвилями виникає різниця фаз

 . (6.45)

Хоча ці хвилі після пластинки – когерентні, однак вони не можуть давати інтерференцію через те, що вони поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах. Для спостереження інтерференції цих хвиль необхідно за допомогою аналізатора виділити з них складові, які поляризовані в одній площині і тому здатні інтерферувати. Таким чином, якщо  , спостерігається максимум інтенсивності поляризованого світла. Якщо  , спостерігається мінімум інтенсивності поляризованого світла.

Інтерференцію поляризованих променів спостерігають при штучній анізотропії, яка може бути зумовлена деформацією або електричним полем. Зеебек і Брюстер (1816) відкрили явище фотопружності, яке полягає в тому, що оптично ізотропне тверде тіло під впливом механічної