Поляризация света. Проходя через анизотропный кристалл, свет поляризуется, т

Проходя через анизотропный кристалл, свет поляризуется, т. е. у его е-лучей колебания совершаются только в одной плоскости, а у о-лучей колебания также лежат в одной плоскости, но эта плоскость образует прямой угол с плоскостью колебаний е-лучей. Продолжая рассмотрение оптических свойств кристаллов, попытаемся понять особенности поляризованного света.

Свет, излучаемый в воздухе каким-либо источником, можно представить как волновое движение с колебаниями во всех направлениях, перпендикулярных направлению его распространения. Существуют три способа, с помощью которых можно получить пучок света с колебаниями только в одной плоскости, т.е. плоскополяризованный свет, который для краткости называют просто поляризованным. При получении этими тремя способами поляризованного света происходит уменьшение интенсивности полного светового потока, так как исключается часть первоначального пучка.

7.6.1 Поляризация при отражении

Как уже говорилось ранее (разд. 7.3.2), при падении света на границу раздела сред с различными показателями преломления одна его часть пересекает эту границу, преломляясь в новую среду, а другая отражается. Отраженный свет частично поляризуется таким образом, что большая часть его колебаний лежит в плоскости, нормальной к той, в которой находится падающий луч и перпендикуляр к отражающей поверхности. (Плоскость, содержащая падающий луч и нормаль к границе раздела сред, называется плоскостью падения.) Пересекая границу сред, преломленный свет поляризуется таким образом, что начинает колебаться под прямым углом к направлению колебаний отраженного света (рис. 7.20). Отраженный луч оказывается поляризованным не полностью, но максимальная степень его поляризации наблюдается тогда, когда угол между ним и преломленным лучом составляет 90°. Это соотношение называется законом Брюстера. Угол падения, соответствующий максимуму поляризации, определяется соот-

ношением показателей преломления двух граничащих сред. Если на рис. 7.20, б угол BOC — 90°, то угол r является дополнительным к углу г. Следовательно, sin //sin r = sin //cos i = tg i. Поэтому если среда с меньшей плотностью представлена воздухом, максимальная поляризация наблюдается в том случае, когда тангенс угла падения равен показателю преломления отражающей среды.

Поляризацию при отражении можно использовать для формирования пучка поляризованного света в процессе его прохождения через ряд стеклянных пластинок, причем на каждой границе между пластинками теряется отраженная составляющая света. Однако этот метод в настоящее время почти не используется.

7.6.2 Поляризация при двупреломлении

В старых поляризационных микроскопах для получения поляризованного света использовали дву-преломляюшие свойства кальцита, о которых говорилось выше. Применяемое для этого соответствующее устройство называется призмой Николя или просто николем.

Призматический спайный выколок кальцита распиливается через центр по диагонали, и образовавшиеся его части снова склеиваются канадским бальзамом (рис. 7.21). Края призмы шлифуют, а затем полируют так, чтобы диагональный срез приобрел определенные углы. Эти углы должны быть такими, чтобы при возникновении двупреломления (когда свет попадает на край призмы) обыкновенный луч (п = 1,658) подходил к слою канадского бальзама (п — 1,54) под углом, большим предельного (разд. 7.4.1). В этом случае о-луч будет испытывать полное внутреннее отражение и поглощаться черной оправой призмы. Необыкновенный луч (n = 1,516) сможет пройти, преломляясь, через бальзам и выйти из призмы. При этом он становится полностью поляризованным, что подтверждается простым опытом, рассмотренным ниже (разд. 7.6.4).

7.6.3 Поляризация при поглощении

Некоторые природные вещества проявляют заметное различие в поглощении света, колеблющегося по разным направлениям при прохождении через кристалл. Например, в дравите и других ми-

34J"

Рис. 7.21 Призма Николя.

нералах группы турмалина Na(Mg,Fe)₃Al₆(BO₃)₃ (Si₆O₁₈)(OH)₄ лучи с колебаниями, параллельными удлинению кристалла, поглощаются в значительно меньшей степени, чем лучи с колебаниями в поперечном направлении. В результате этого мы наблюдаем явление, называемое дихроизмом, суть которого состоит в изменении окраски кристаллов в зависимости от двух указанных направлений колебаний света. В турмалинах данное свойство объясняется атомной структурой, определяемой кольцами Si₆O₁₈ и треугольными группами ВО₃- Содержащие их плоскости перпендикулярны кристаллографической оси z, являющейся тройной осью. Когда электрический вектор света колеблется перпендикулярно оси z и параллельно плоскостям расположения упомянутых структурных групп, он интенсивно взаимодействует с ними и в результате в значительной степени поглощается. Если же электрический вектор колеблется параллельно оси z, большая часть длин волн свободно проходит через кристалл.

Минералоги используют это свойство кристаллов уже в течение многих лет, применяя турмалиновые клинья для грубой оценки двупреломления.

Две пластинки турмалина выпиливаются параллельно оси z, и из каждой изготавливают клин. Пластинки соединяют таким образом, чтобы их оси z взаимно пересекались в вершинах клиньев. После прохождения через первую пластинку свет начинает колебаться в направлении, в котором будет сильно поглощаться другой пластинкой. Поэтому свет не может выйти из этой пары турмалиновых пластинок, пока между ними не будет помещен какой-нибудь двупреломляющий кристалл, создающий новые направления колебаний света прежде, чем он достигнет второй пластинки.

Основываясь на этом принципе и использовав свойства только что открытых пластиковых пленок, Э. Лэнд в 1928 г. изобрел поляризующую пластинку, которая в более совершенной форме повсеместно используется в настоящее время для формирования поляризованного света в микроскопах. В ранних образцах поляроидов, как стали называть такие пластинки, в пластиковую пленку помещалось большое количество тончайших игольчатых кристалликов органических солей йодисто-водородной кислоты, обладающих сильно выраженным дихроизмом. Затем пленка туго натягивалась и иголки кристаллов принимали параллельную ориентацию. Свет, совершающий в этом случае колебания параллельно удлинению кристалликов, поглощается настолько сильно, что практически совсем не выходит из пленки. Другие лучи, у которых колебания перпендикулярны удлинению кристалликов, проходят через пленку свободно, давая плоскополяризованный свет. В последних типах поляроидов для получения того же результата используются соединения иода или других окрашенных веществ и пластик, сложенный удлиненными и параллельно расположенными молекулами.

7.6.4 Проверка поляризации света по кальциту

Зная особенности поляризованного света, можно продолжить опыт с ромбоэдром кальцита. Посмотрим через поляроидные солнечные очки на ромбоэдр кальцита, расположенный над точкой, которая изображена на листе бумаги. Если начать поворачивать бумагу с находящейся на ней точкой, то сначала одно, а потом другое изображение точки будут исчезать. Это свидетельствует о том, что свет, формирующий оба изображения, поляризован. Когда плоскость его колебаний оказывается параллельной направлению поглощения света поляроидом, изображение исчезает. Легко убедиться, что е-луч и о-луч поляризуются во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Дата добавления: 2015-06-04