Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 36. Поляризація світла

Природне і поляризоване світло. Дослідимо ще одну властивість світлових хвиль — їх поляризацію. З дослідів Герца (§ 30) встановлено, що електромагнітні хвилі поперечні. Коливання зарядів у передавальній антені відбуваються вздовж її осі. Унаслідок цього в електромагнітній хвилі вектор напруженості електричного поля розташований у тій же площині, що й вісь антени, а вектор індукції магнітного поля — у перпендикулярній площині.

Напрямок векторів залишається незмінним протягом усього часу поширення хвилі.

Хвилю, вектори якої у процесі її поширення здійснюють коливання в певній площині, називають плоскополяризованою.

Світло — також електромагнітна хвиля, тому можна очікувати на поляризацію і світлової хвилі. Ураховуючи те, що у взаємодії світлової хвилі з речовиною вирішальну роль відіграє вектор напруженості електричного поля, а також для спрощення зображення світлової хвилі на малюнках надалі ми будемо говорити про коливання лише вектора напруженості.

Оскільки світло випромінюють атоми, кількість яких у речовині величезна, то зрозуміло, що таке світло не буде поляризованим (коливання вектора здійснюються в усіх можливих напрямках у площині, перпендикулярній до напрямку поширення хвилі). Проте бувають випадки, коли світлова хвиля буде поляризованою (чи частково поляризованою).

Поляризація світла — стан світлової хвилі, за якого певні напрямки коливань електричного вектора переважають над іншими.

Методи отримання поляризованого світла. Метод поляризації природного світла можна зрозуміти з такого досліду з механічними хвилями (мал. 163). Поставимо на шляху неполяризованої хвилі пластину з паралельними щілинами. З коливань різних напрямків пластина виділить коливання в одній певній площині — хвиля буде поляризованою.

Мал. 163. Схема поляризації хвилі

Якщо на її шляху поставити ще одну таку само пластину, але повернуту відносно першої на 90°, то коливання крізь неї не пройдуть. Хвиля повністю погаситься.

Для поляризації світла використовують спеціальні пристрої з асиметрією оптичних властивостей. Зокрема, існують природні та штучні кристали, які мають оптичну анізотропію — неоднорідність оптичних властивостей у різних напрямках. Проходячи крізь такі кристали, світло поляризується.

Поляризатором називають пристрій, який перетворює природне світло на поляризоване.

Аналізатором називають пристрій, яким визначають, поляризована хвиля, що крізь нього проходить, чи ні.

Прикладом поляризатора (аналізатора) може бути природний кристал турмаліну, значення показника заломлення якого в різних напрямках різне. Завдяки цьому він поглинає випромінювання з коливаннями вектора одного певного напрямку, а випромінювання з коливаннями в перпендикулярному напрямку майже не поглинає. Цю властивість кристалів називають дихроїзмом.

Дібравши таку товщину турмалінової пластинки, за якої коливання одного напрямку цілком поглинаються в ній, дістають повністю поляризований промінь. Якщо пластинка буде тоншою, то у хвилі залишаються коливання у взаємно перпендикулярних напрямках, але амплітуда коливань в одному з них буде більшою. Таку хвилю називають частково поляризованою.

Різко виражений дихроїзм було виявлено в дуже маленьких кристаликів сульфату йодистого хініну. Під час виготовлення поляризатора целулоїдну плівку покривають тонким шаром таких кристаликів, відповідно зорієнтувавши їх. Зовні цю плівку накривають склом і дістають поляризатор з великою поверхнею. Такі поляризатори називають поляроїдами. (Поляроїди винайшов у 1929 р. Едвін Ленд.) Такий поляроїд діє як набір паралельних щілин і майже без втрат пропускає світло однієї поляризації.

Поляризація внаслідок відбиття й заломлення світла. Кут Брюстера. Отримати поляризоване світло з неполяризованого можна ще одним способом — відбиванням і заломленням.

Коли світло падає на поверхню прозорої речовини (наприклад, води) під довільним кутом, крім прямого, відбитий промінь виявляється плоскополяризованим переважно паралельно відбивній поверхні. Це добре знають рибалки, які використовують поляроїдні окуляри, щоб уникнути відблисків води.

Вивчення цього явища показало, що в прозорих речовинах заломлений промінь завжди поляризується тільки частково, а для відбитого променя є один напрямок, у якому він поляризується повністю. На малюнку 164 схематично зображено промінь, який падає на межу поділу повітря й рідини під кутом α. У відбитому промені більше коливань, паралельних поверхні поділу (зображено кружечками), а в заломленому промені — перпендикулярних до них коливань (зображено рисочками). Ступінь поляризації цих променів залежить від кута падіння й показника заломлення. Установлено, що відбитий промінь повністю поляризується тоді, коли кут між відбитим і заломленим променями дорівнює 90°. Позначивши у такому випадку кут падіння αБ, запишемо закон заломлення світла:

Мал. 164. Поляризація відбитої хвилі з довільним кутом падіння (а) і при падінні під кутом Брюстера (б)

Співвідношення tg αБ = n називають законом Брюстера, або умовою повної поляризації.

Використання поляризованого світла. Під час фотографування великих гладеньких поверхонь (наприклад, води) з'являються так звані відблиски — дзеркально відбиті світлові пучки, які істотно погіршують якість зображення. Щоб позбутися цих відблисків, на об'єктив фотоапарата надівають спеціальні фільтри. Оскільки відбите світло завжди частково або повністю поляризоване, то, повертаючи поляризаційний фільтр, можна встановити таке положення, за якого світло відблисків не потраплятиме в об'єктив фотоапарата.

Установлено також, що під час проходження плоскополяризованого світла крізь деякі розчини площина його поляризації повертається. Наприклад, на малюнку 165 світло проходить крізь поляризатор, а потім — крізь розчин цукру в кюветі. Поляроїд-аналізатор за кюветою, розташований під кутом 90° до поляризатора, мав повністю загасити світло, але цього не відбулося. Проте якщо аналізатор повернути ще на деякий кут φ, — світло гаситься. Це означає, що розчин у кюветі повертає на кут φ площину поляризації. Такі речовини називають оптично активними.

Мал. 165. Принцип дії цукрометра

Оптична активність речовин зумовлена асиметрією молекул, які мають форму спіралі, як, наприклад, молекули деяких білків. Деякі речовини (цукор, декстроза, D-глюкоза) повертають площину поляризації праворуч, а деякі речовини (амінокислоти, білки) — ліворуч. Кут повороту φ пропорційний концентрації розчину. Тому цю властивість використовують для виготовлення спеціальних пристроїв — цукрометрів, за допомогою яких визначають вміст цукру.

Спеціальні поляризаційні окуляри використовують під час перегляду стереофільмів у кінотеатрах. Отримати зображення у 3D-форматі можна й на домашньому комп'ютері за допомогою відповідних екранів. Вивчаючи властивості рідкокристалічних екранів, ми зазначали, що їм притаманна певна властивість, зумовлена самою технологією отримання зображення, — вони дають поляризоване світло.

Завдяки цьому, використовуючи тонкі смужки плівочок-поляризаторів, можна створювати парні та непарні ряди пікселів, що мають різний напрямок поляризації. Лінзи окулярів є поляризаторами, у яких площини поляризації повернуті так, що крізь одну лінзу видно парні ряди, а крізь іншу — непарні. Таким чином створюють зображення, які видно окремо лівим оком і правим оком. Мозок людини зіставляє два зображення й «бачить» його об'ємним (мал. 166).

Мал. 166. Механізм утворення зображення у 3D форматі за допомогою поляризованого світла

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Чим відрізняється поляризоване світло від природного? Як отримують поляризоване світло? 2. У чому суть закону Брюстера? 3. Де на практиці застосовують явище поляризації світла?