Дисперсия. Поляризация света

1. Дисперсия света

Солнечный свет имеет много тайн. Одна из них – явление дисперсии. Первым его обнаружил великий английский физик Исаак Ньютон, занимаясь усовершенствованием телескопа.

Дисперсия света (разложение света) –  это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты).

Один из самых наглядных примеров дисперсии –  разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона).

Сущностью явления дисперсии является неодинаковая скорость распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе –  оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно чем больше частота волны, тем больше показатель преломления среды и меньше ее скорость света в ней:

- у красного цвета максимальная скорость в среде и минимальная степень преломления

- у фиолетового цвета минимальная скорость света в среде и максимальная степень преломления.

Дисперсия света позволила впервые вполне убедительно показать составную природу белого света.

Белый свет разлагается на спектр и в результате прохождения через дифракционную решётку или отражения от нее (это не связано с явлением дисперсии, а объясняется природой дифракции).

Дифракционный и призматический спектры несколько отличаются: призматический спектр сжат в красной части и растянут в фиолетовой, и располагается в порядке убывания длины волны: от красного к фиолетовому; нормальный (дифракционный) спектр –  равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн: от фиолетового к красному.

Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

Явление дисперсии, открытое Ньютоном, – первый шаг к пониманию природы цвета. Глубина понимания дисперсии пришла после того, как была выяснена зависимость цвета от частоты (или длины) световой волны.

Дисперсией объясняется факт появления радуги после дождя (точнее тот факт, что радуга разноцветная, а не белая).

Радуга

Радуга –  это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги. Поэтому полезно подробнее остановиться на физическом объяснении этого эффектного оптического явления.

Радуга глазами внимательного наблюдателя. Прежде всего, радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область –  в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга –  более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область).

Дисперсия является причиной хроматических аберраций –  одних из аберраций оптических систем, в том числе фотографических и видео-объективов.

Дисперсия света в природе и искусстве

 - Из-за дисперсии можно наблюдать разные цвета света.

 - Радуга, чьи цвета обусловлены дисперсией, –  один из ключевых образов культуры и искусства.

- Благодаря дисперсии света, можно наблюдать цветную «игру света» на гранях бриллианта и других прозрачных гранёных предметов или материалов.

- В той или иной степени радужные эффекты обнаруживаются достаточно часто при прохождении света через почти любые прозрачные предметы. В искусстве они могут специально усиливаться, подчеркиваться.

- Разложение света в спектр (вследствие дисперсии) при преломлении в призме –  довольно распространенная тема в изобразительном искусстве. Например, на обложке альбома Dark Side Of The Moon группы Pink Floyd изображено преломление света в призме с разложением в спектр.

Открытие дисперсии стало в истории науки весьма значительным. На надгробии ученого есть надпись с такими словами: «Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который… первый с факелом математики объяснил движения планет, пути комет и приливы океанов.

Он исследовал различие световых лучей и проявляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал. …Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого».

2. Поляризация света

Изучая интерференцию, мы не рассматривали вопрос о поперечности или продольности световой волны. Изучая явление поляризации покажем, что свет – поперечная волна.

Мы знаем, что свет – это электромагнитная волна. В падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания вектора напряженности электрического поля во всевозможных плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волн.

В этой связи будем различать:

Естественный свет – неполяризованный (колебания вектора Е происходят по всем

Свет с преимущественным направлением колебаний вектора Е – частично поляризованный

Линейно поляризованный (колебания вектора Е происходят в одном направлении) – электромагнитная волна называется полностью поляризованной. 

Представим схему получения поляризованного света

Рисунок - Схематическое изображение электромагнитных колебаний в луче естественного (1) и поляризованного света (2).

Поляроид

Поляризованный свет получают, используя поляризаторы. Поляроид - особая тонкая кристаллическая пленка толщиной 0,1 мм из герапатита, нанесенная на целлулоид или стеклянную пластинку. Если посмотреть через поляризатор на естественный свет и покрутить его вокруг своей оси, то свет станет менее интенсивным и приобретет характерную окраску.

При пропускании света через два поляроида у него обнаруживаются новые свойства. При вращении одной пластинки относительно другой интенсивность прошедшего света меняется от полного пропускания в случае, когда плоскости поляризации обоих пластинок совпадают, до полного гашения, в случае, когда эти плоскости перпендикулярны.

Можно продемонстрировать аналогию поляризации света и колебания шнура изменяющиеся по направлению.

1. Пропустим шнур через щель, она выделит колебания в одной плоскости

2. Пропустим шнур через две параллельные друг другу щели, колебания будут проходить полностью

3. Если щели будут перпендикулярны друг другу, то после второй щели колебания полностью погасятся

Естественные поляризаторы - одноосные кристаллы (обладающие симметрией вращения относительно некоторого направления). Прямоугольные пластинки из турмалина или исландского шпата, которые вырезаны так, что одна из граней параллельна оси. При прохождении естественного света через такую пластину на выходе получается плоскополяризованный свет

Электромагнитная теория света. Опыты с поляризатором доказали поперечность электромагнитных волн и еще раз подтвердили теорию Максвелла. Поляризовать продольные волны невозможно, так как колебание продольных волн происходит вдоль направления распространения волны. Явление поляризации света в очередной раз доказывает волновую природу света.

Применение поляризации

На солнечные очки наносится поляризационная пленка для избавления от бликов, которые получаются при отражении света.

В трехмерном кинематографе поляризация используется для разделения изображения для левого и правого глаза.

Поляризационные фильтры используются для улучшения качества изображения.

Закон Малю́са — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла α между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора. Говорит о том, что интенсивность плоскополяризованного света в результате прохождения плоскополяризующего фильтра падает пропорционально квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации входящего света и фильтра.

I = I₀·cos²φ

где  I₀— интенсивность падающего на поляризатор света, 

I — интенсивность света, выходящего из поляризатора.

Установлен Э. Л. Малюсом в 1810 году

Электромагнитная теория света. Опыты с поляризатором доказали поперечность электромагнитных волн и еще раз подтвердили теорию Максвелла. Поляризовать продольные волны невозможно, так как колебание продольных волн происходит вдоль направления распространения волны. Явление поляризации света в очередной раз доказывает волновую природу света.

Применение поляризации

На солнечные очки наносится поляризационная пленка для избавления от бликов, которые получаются при отражении света.

В трехмерном кинематографе поляризация используется для разделения изображения для левого и правого глаза.

Поляризационные фильтры используются для улучшения качества изображения.

Примеры решения задач.

Задача 1. В глаз человека проникает электромагнитное излучение частотой 9,5·10¹⁴ Гц. Воспримет ли человек это излучение как свет? Какова длина волны этого излучения в вакууме?

Задача 2. На опыте было установлено, что показатель преломления воды для крайних красных лучей в спектре видимого света равен 1,329, а для крайних фиолетовых — 1,344. Определите скорости распространения красных и фиолетовых лучей в воде. Какая скорость больше и на сколько?

Задача 3. Анализатор в k=2 раза уменьшает интенсивность света, приходящего к нему от поляризатора. Определить угол φ между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора. Потерями интенсивности света в анализаторе пренебречь.

Задача 4. Во сколько раз ослабляется интенсивность света, проходящего через два поляризатора, плоскости пропускания которых образуют угол φ = 30°, если в каждом из них в отдельности теряется 10 % интенсивности падающего на него света?

Задачи для самостоятельного решения

1. Меняются ли длина волны и частота колебаний в световом излучении при переходе луча из вакуума в какую-либо другую среду?

2. Известно, что человек воспринимает излучение с частотой от 4·10¹⁴ Гц до 7,5·10¹⁴ Гц как световое. Определите интервал длин волн электромагнитного излучения в вакууме, вызывающего у человека световое ощущение.

3. Длина волны желтого света в вакууме равна 0,589 мкм. Какова частота колебаний в таком световом излучении?

4. На сколько изменится длина волны фиолетовых лучей с частотой колебаний 7,5·10¹⁴ Гц при переходе из воды в вакуум, если скорость распространения таких лучей в воде равна 2,23·10⁸ м/с?

5. На белом листе написано красным карандашом    «отлично», а зеленым — «хорошо». Имеются два стекла — зеленое и красное. Через какое стекло надо смотреть, чтобы увидеть оценку «отлично»?

6. При рассматривании тел через зеленый светофильтр одни из них кажутся зелеными, а другие — черными. Почему?

7. Анализатор в k=3 раза уменьшает интенсивность света, приходящего к нему от поляризатора. Определить угол φ между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора. Потерями интенсивности света в анализаторе пренебречь

Контрольные вопросы:

1. Чем отличается естественный свет от поляризованного?

2. Где применяется поляризация света

3. Что называется дисперсией света?