Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Засєкіна

§ 32. Поляризація світла

Природне і поляризоване світло. Дослідимо ще одну властивість світлових хвиль — їх поляризацію. 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 Е 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 Е переважають над іншими.

Методи отримання поляризованого світла. Візьмемо дві однакові прямокутні пластинки з турмаліну, вирізані так, що одна зі сторін прямокутника збігається з певним напрямком усередині кристала, який називають оптичною віссю. Розмістимо другу пластинку так, щоб їхні осі збігалися за напрямком, і пропустимо крізь складену пару пластинок вузький пучок світла від якогось джерела або від Сонця. Під час обертання першої пластинки навколо пучка (друга пластинка нерухома), виявимо, що світловий пучок слабшатиме, а після повороту пластинки на 90° він зовсім зникне (мал. 146).

Мал. 146. Схема поляризації хвилі

Цей результат можна пояснити так. У природному світлі вектор напруженості електричного поля має довільні напрямки. Проходження природного світла крізь першу пластинку турмаліну приводить до того, що з усіх напрямків поперечних коливань відбираються лише ті, які пропускає турмалін. Тому світло, що пройшло крізь турмалін, є сукупністю поперечних коливань одного напрямку, який визначено орієнтацією осі пластинки турмаліну. Таке світло називають плоскополяризованим, а кристал турмаліну — поляризатором світла. Другий кристал турмаліну є аналізатором: він майже повністю пропускає поляризоване світло, що збігається з площиною поляризації. Якщо ж аналізатор повернути на 90°, то вже поляризоване світло він практично не пропускатиме.

Поляризація властива тільки поперечним хвилям. Якщо хвилі поляризуються, то вони є поперечними. Поздовжні хвилі не поляризуються. Окрім турмаліну, такі властивості має кварцова пластина, вирізана в певний спосіб із кристала. Прозорі плівки, що можуть бути поляризаторами й аналізаторами світла, називають поляроїдами відтоді, як засновник компанії «Polaroid» Едвін Ленд (1909-1991, США) у 1929 р. винайшов та випустив перші зразки поляризаційних лінз.

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.

Використання поляризованого світла. У багатьох випадках потрібно плавно регулювати освітлення того або іншого об’єкта. Поставивши перед джерелом світла поляризатор й аналізатор, можна повільним повертанням аналізатора плавно змінювати освітлення об’єкта від максимального до повної темряви. Поляроїди використовують для гасіння дзеркально відбитих відблисків, наприклад, під час фотографування картин, скляних і фарфорових виробів тощо. Світло відблисків частково поляризоване. Якщо помістити поляроїд між джерелом світла та віддзеркалювальною поверхнею, то відблиски можна зовсім погасити (мал. 147).

Мал. 147. Схема поляризації хвилі

Установлено також, що під час проходження плоскополяризованого світла крізь деякі розчини площина його поляризації повертається. Наприклад, на малюнку 148 (с. 158) 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. 148. 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. 149).

Мал. 149. 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. Де на практиці застосовують явище поляризації світла?