Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат
§ 18. Спектроскоп. Поляризація світла
1. Спектроскоп. Неперервний спектр світла
Ви вже знаєте, що біле світло можна розділити на «складові» — монохроматичні (тобто «однокольорові») світлові хвилі, кожна з яких характеризується певною довжиною хвилі. Таке розділення можна здійснити за допомогою призми або дифракційних ґраток (див. рис. 17.13). У першому випадку застосовується явище дисперсії світла, яке ви вивчали в 9 класі, у другому — явище дифракції.
• Отриману на екрані внаслідок розділення світла на монохроматичні «складові» забарвлену смужку називають спектром. Спектром називають також множину можливих значень довжини хвилі або частоти монохроматичних «складових» певного світла.
Ви знаєте, що колір тіла при освітленні його білим світлом визначається тим, як поверхня цього тіла відбиває світло. Якщо поверхня поглинає майже все світло, ми бачимо її чорною; якщо відбиває майже все світло — білою; якщо ж відбивання світла суттєво залежить від довжини хвилі — виникає певне забарвлення. Наприклад, листя дерев, яке найкраще поглинає червоне світло та відбиває зелене, ми бачимо як зелене. Пелюстки ж троянд, які відбивають тільки червоне світло, ми бачимо червоними. Голубий колір чистого неба зумовлений тим, що в атмосфері саме короткохвильова частина спектра найбільше розсіюється. А райдуга виникає через неоднакове заломлення світла різних кольорів у краплях води під час дощу або туману.
Навколо фізики
Від часів Ньютона виникла традиція поділяти спектр видимого світла на сім ділянок: червоне, оранжеве, жовте, зелене, голубе, синє та фіолетове світло. Проте такий поділ досить умовний, бо кожна із зазначених ділянок спектра має багато відтінків (пересічна людина розрізняє більше ніж 150 таких відтінків, а професіонали й набагато більше). Якщо ж згадати, що кожний «чистий» колір відповідає певній довжині хвилі, то дійдемо висновку, що біле світло містить безліч «чистих» кольорів. Такий спектр називають неперервним.
візуальних спостережень спектрів) і спектрограф (для їх фотографування). Найпростіший спектроскоп (рис. 18.1) складається з двох труб (коліматорної 1 і зорової 2) та скляної призми під кришкою 3. Світло потрапляє в коліматорну трубу крізь вузьку щілину, на іншому кінці цієї труби є збиральна лінза (щілина розташована в її фокусі). Лінза перетворює пучок світла на паралельний. Після заломлення в призмі виникають паралельні пучки світла різних кольорів, кожний із яких об’єктив зорової труби фокусує на екрані (наприклад, на матовому склі). Отриманий спектр можна розглядати крізь окуляр.
Рис. 18.1. Спектроскоп
У більш досконалих сучасних спектральних приладах замість призм застосовують дифракційні ґратки.
Вивчення світла від різних джерел за допомогою спектральних приладів показало: нагріті до високої температури рідкі та тверді тіла, а також плазма високої густини випромінюють світло з неперервним спектром.
2. Поляризація світла
Творці хвильової теорії світла довгий час уважали, що світлові хвилі є поздовжніми. Проте поступово з’явилася ціла низка експериментальних даних, які свідчили про поперечність світлових хвиль.
Розгляньмо лише один красивий експеримент з прозорими пластинками, які певним чином вирізані з кристалів турмаліну. Якщо на таку пластинку нормально падає пучок сонячного світла (або світла від електричної лампи), то поворот пластинки (рис. 18.2) не впливає на проходження світла. Здається, що пластинка тільки частково поглинає світло та надає йому зеленуватого забарвлення.
Рис. 18.2. Поворот пластинки з турмаліну нібито не впливає на світло, яке вона пропускає (світло поширюється перпендикулярно до площини рисунка)
Проте легко переконатися, що це не так: слід поставити перед пучком світла другу таку саму пластинку (рис. 18.3). Тоді залежно від кута повороту цієї пластинки інтенсивність світла, яке проходить крізь неї, змінюється від нуля до максимуму.
Рис. 18.3. Накладання двох пластинок турмаліну свідчить про залежність властивостей світла, яке вони пропускають, від кута між їх осями
Уже з цього експерименту можна зробити важливі висновки: до проходження першої пластинки світлова хвиля була симетричною відносно напряму її поширення (тобто всі «бокові» напрями були для неї еквівалентними), а після проходження першої пластини зазначена симетрія зникла. Отже, світлові хвилі є поперечними (для поздовжньої хвилі всі «бокові» напрями були б еквівалентними).
Рис. 18.4. Різні способи зображення поляризованого та неполяризованого світла
• Поляризація світла характеризує нерівноправність різних напрямів у площині, перпендикулярній до напряму поширення світлової хвилі.
Людське око не розрізняє світлові хвилі з різною поляризацією (на відміну від ока бджоли або восьминога). А от турмалін і деякі інші кристали пропускають тільки світло, лінійно поляризоване вздовж певної осі. Отже, після проходження першої пластинки неполяризоване світло стало лінійно поляризованим (і втратило 50 % інтенсивності). Якщо друга пластинка орієнтована так само, як перша, то світло проходить крізь неї практично без послаблення; якщо ж другу пластинку повернути на 90° — світло не пройде.
Існує наочна механічна аналогія описаних явищ. Розгляньмо замість світлових хвиль поперечні хвилі в мотузці, яку розгойдують з одного кінця. Нехай коливання відбуваються і в горизонтальній, і у вертикальній площинах. Після проходження крізь вертикальну щілину лишаються тільки вертикальні коливання, які вільно пройдуть крізь ще одну вертикальну щілину, але не зможуть пройти крізь горизонтальну.
У сучасних експериментах для отримання лінійно поляризованого світла застосовують так звані поляроїди — тонкі прозорі полімерні плівки, властивості яких аналогічні властивостям кристала турмаліну. Як ми вже згадували, лінійно поляризовану світлову хвилю дає лазер.
Часткова поляризація світла відбувається внаслідок заломлення та відбивання («портрет» частково поляризованого світла наведено на рис. 18.5). Сонячне світло також набуває часткової поляризації внаслідок розсіювання в атмосфері.
Рис. 18.5. Частково поляризоване світло
3. Деякі застосування поляризації світла
Поляризація відбитого світла дозволяє позбутися під час фотографування яскравих відблисків, зумовлених відбиванням від поверхні води. Для цього застосовують поляроїдні насадки на об’єктиві фотоапарата. Повертаючи таку насадку навколо осі об’єктива, можна знайти положення, за якого відблиски сильно поглинаються поляроїдом і не знижують якості отриманої світлини (рис. 18.6).
Рис. 18.6. Порівнюємо якість світлин, отриманих без поляроїдної насадки (а) та з нею (б)
Існує також проект застосування поляроїдів на автотранспорті для захисту водіїв від засліплення світлом фар зустрічного автомобіля. Для цього слід наклеїти на фари та вітрове скло кожного автомобіля поляроїди, осі яких паралельні одна одній і утворюють кут 45° з горизонтом (рис. 18.7). Тоді водій бачитиме світло фар свого автомобіля, відбите від дороги та предметів на ній, світло ж фар зустрічного автомобіля значною мірою поглинатиметься поляроїдом (осі поляроїдів на зустрічних автомобілях перпендикулярні одна до одної).
Рис. 18.7. Можливе застосування поляризації світла: червоними стрілками показано напрям осі поляроїдів на фарах та вітровому склі автомобіля, білими — напрям відповідної осі для зустрічного автомобіля
Навколо фізики
Багато хто з вас бачив так зване 3D-кіно, яке забезпечує стереоскопічність зображення, сприйняття глибини простору. У реальному житті це забезпечується головним чином завдяки бінокулярному зору, тобто сприйняттю зображень обома очима. При цьому зображення на сітківках очей дещо відрізняються одне від одного. Отже, для створення стереоскопічного зображення (кінець кінцем воно формується в мозку) треба показувати кожному оку «своє кіно». Саме так і роблять: на екран одночасно проектують два зображення, які дещо відрізняються одне від одного. А щоб кожне око глядача отримувало призначене саме йому зображення, застосовують два поляризованих у перпендикулярних напрямах світлові пучки, а глядачі мають надівати окуляри з відповідно орієнтованими поляроїдами.
Розчини деяких речовин (наприклад, цукру) повертають площину поляризації світла на кут, який залежить від концентрації розчину. На цьому ґрунтується дія цукрометрів, які дозволяють практично миттєво виміряти концентрацію цукру в розчині.
Деякі тверді прозорі матеріали теж повертають площину поляризації світла, коли в них існує механічна напруга. Це дозволяє вивчити розподіл механічної напруги у складній конструкції, розмістивши прозору модель цієї конструкції між двома поляроїдами та досліджуючи проходження світла за різних деформацій моделі.
Поляризоване світло «працює» в усіх рідкокристалічних індикаторах і екранах. Тут застосовують здатність рідких кристалів повертати площину поляризації світла, яке крізь них проходить, і залежність структури рідких кристалів від прикладеного електричного поля. Пояснимо принцип дії рідкокристалічних екранів на одному з їх різновидів (рис. 18.8).
Рис. 18.8. Рідкокристалічний екран: 1 — кольоровий фільтр (ліворуч від нього розташоване джерело білого світла, не показане на рисунку); 2 — горизонтальний фільтр (поляроїд); 3 — прозорі електроди; 4 — молекули рідкого кристала; 5 — вертикальний фільтр (поляроїд)
Крізь кольоровий фільтр 1 і поляроїд 2 на прозорі електроди падає лінійно поляризована в горизонтальній площині світлова хвиля. Якби між електродами не було рідкокристалічного шару, то світло практично не могло б вийти через поляроїд 5. Проте поверхні електродів, що контактують з шаром рідкого кристала, спеціально оброблені для орієнтації його молекул у певних напрямах: горизонтально біля лівого електрода та вертикально — біля правого. Отже, за відсутності електричного поля електродів молекули утворюють гвинтову структуру, в якій напрям орієнтації молекул поступово змінюється від однієї поверхні до іншої. Така структура повертає площину поляризації світла на 90°, так що світло без втрат виходить через поляроїд 5 (утім нагадаємо, що 50 % неполяризованого світла поглинає ще на вході до екрана поляроїд 2).
Якщо ж на електроди подано напругу, то молекули починають орієнтуватися в напрямі електричного поля, гвинтова структура порушується (після зникнення поля під дією міжмолекулярних сил ця структура відновиться). Збільшуючи напругу, можна зменшувати прозорість екрана аж до повної непрозорості. Керуючи таким чином яскравістю світіння всіх комірок екрана (пікселів), електронна система й «малює» зображення на екрані.
Рідкокристалічні екрани дозволили зробити телевізори та монітори тонкими (майже плоскими). Вони витрачають значно менше електроенергії порівняно з електронно-променевими апаратами, позбавлені багатьох їх недоліків (рентгенівського випромінювання тощо).
Підбиваємо підсумки
Спектральний склад світла досліджують за допомогою спектральних приладів: для візуальних спостережень спектрів застосовують спектроскоп, а для фотографування — спектрограф. Головними елементами цих приладів можуть бути скляна призма або дифракційні ґратки (які відповідно дають дисперсійний або дифракційний спектр).
Поляризація світла характеризує нерівноправність різних напрямів у площині, перпендикулярній до напряму поширення світлової хвилі. Поляризація свідчить, що світлові хвилі є поперечними. Природне світло є неполяризованим. У лінійно поляризованій світловій хвилі коливання напруженості електричного поля весь час відбувалися в одній площині (площині поляризації), а коливання магнітної індукції — у перпендикулярній площині.
Лінійно поляризоване світло можна отримати, пропустивши природне світло крізь поляроїд. Часткова поляризація відбувається внаслідок відбивання та заломлення світла (відбивання за певних умов може спричинити й повну поляризацію).
Контрольні запитання
1. Який спектр називають неперервним? 2. Поясніть принцип дії спектроскопа. 3. Яка фізична характеристика визначає колір світла? 4. Чим відрізняється поляризоване світло від неполяризованого? 5. Який кут називають кутом Брюстера?
Навколо фізики
У другій половині XVII століття данський учений Бартолін описав цікаву властивість прозорого природного кристала — ісландського шпату. Якщо дивитися крізь цей кристал, зображення «подвоюється»! Відповідне оптичне явище назвали подвійним променезаломленням, і воно деякий час не знаходило пояснення. Таке явище спостерігається тільки в анізотропних речовинах. Виявляється, ісландський шпат, як і турмалін або поляроїди, є «чутливим» до поляризації світла. Але, на відміну від турмаліну, ісландський шпат не поглинає світло з певною поляризацією. Він пропускає практично все світло, але залежно від поляризації заломлює світлові хвилі по-різному, тобто розділяє один пучок світла на два з різними площинами поляризації (зазвичай говорять про «звичайний» і «незвичайний» промені). У кристалі існує так звана оптична вісь — єдиний напрям, у якому світло поширюється без подвійного заломлення.
Вправа № 18
1R. Поясніть походження синього кольору футболки та світлофільтра.
2R. На білому аркуші зробили зелений напис. За якого освітлення напис буде практично невидимим? Яким здаватиметься напис у червоному освітленні?
3R. Поясніть, чому під час проходження крізь призму широкого пучка світла забарвлення виникає тільки біля його країв.
4R. Пучок білого світла падає на поверхню води під кутом 45°. Який кут утворюють у воді червоні та фіолетові промені? Показник заломлення води для червоного світла 1,329, а для фіолетового — 1,344.
5. Доведіть наведену в тексті параграфа формулу для тангенса кута Брюстера.
6. На скляну призму із заломлюючим кутом φ = 30° падає пучок білого світла (див. рисунок). Визначте кут між червоними та фіолетовими променями (для них показники заломлення скла призми відповідно 1,62 і 1,67) після виходу з призми.
7. Учень приклав до ока поляроїд та повільно повертає його. Чи змінюється інтенсивність світла, яке потрапляє до ока, якщо учень дивиться: а) на лампу розжарення; б) на небо в сонячний день; в) на зображення ліхтаря в дзеркалі спокійної води?
