Pievērsīsimies sīkākai refrakcijas koeficienta apskatei, ko mēs ieviesām 81.§, formulējot laušanas likumu.

Refrakcijas koeficients ir atkarīgs no optiskajām īpašībām un vides, no kuras stars nokrīt, un no vides, kurā tas iekļūst. Refrakcijas koeficientu, kas iegūts, kad vakuuma gaisma nokrīt uz vides, sauc par šīs vides absolūto laušanas koeficientu.

Rīsi. 184. Divu nesēju relatīvais refrakcijas koeficients:

Ļaujiet absolūtam refrakcijas indekss pirmā vide ir un otrā vide - . Ņemot vērā refrakciju uz pirmās un otrās vides robežas, mēs pārliecināmies, ka refrakcijas indekss pārejā no pirmās vides uz otro, tā sauktais relatīvais refrakcijas indekss, ir vienāds ar attiecību otrās un pirmās vides absolūtais refrakcijas koeficients:

(184. att.). Gluži pretēji, pārejot no otrās vides uz pirmo, mums ir relatīvais refrakcijas indekss

Konstatēto saistību starp divu mediju relatīvo laušanas koeficientu un to absolūtajiem laušanas koeficientiem varētu arī teorētiski, bez jauniem eksperimentiem, atvasināt, tāpat kā to var izdarīt attiecībā uz atgriezeniskuma likumu (82.§).

Tiek uzskatīts, ka vide ar augstāku refrakcijas indeksu ir optiski blīvāka. Parasti mēra dažādu nesēju refrakcijas koeficientu attiecībā pret gaisu. Gaisa absolūtais laušanas koeficients ir. Tādējādi jebkuras vides absolūtais laušanas koeficients ir saistīts ar tā laušanas koeficientu attiecībā pret gaisu pēc formulas

6. tabula. Dažādu vielu laušanas koeficients attiecībā pret gaisu

Šķidrumi		Cietās vielas
Viela		Viela
Etanols
oglekļa disulfīds
Glicerīns		Stikls (gaišs kronis)
šķidrais ūdeņradis		Stikls (smags krams)
šķidrais hēlijs

Refrakcijas koeficients ir atkarīgs no gaismas viļņa garuma, tas ir, no tā krāsas. Dažādas krāsas atbilst dažādiem refrakcijas rādītājiem. Šai parādībai, ko sauc par dispersiju, ir svarīga loma optikā. Mēs šo parādību vairākkārt aplūkosim turpmākajās nodaļās. Tabulā norādītie dati. 6, attiecas uz dzelteno gaismu.

Interesanti atzīmēt, ka atstarošanas likumu formāli var uzrakstīt tādā pašā formā kā refrakcijas likumu. Atgādiniet, ka mēs vienojāmies vienmēr mērīt leņķus no perpendikulāra pret attiecīgo staru. Tāpēc mums ir jāuzskata, ka krišanas leņķim un atstarošanas leņķim ir pretējas zīmes, t.i. atstarošanas likumu var uzrakstīt kā

Salīdzinot (83.4) ar refrakcijas likumu, redzam, ka atstarošanas likumu var uzskatīt par īpašs gadījums refrakcijas likums pie . Šī formālā līdzība starp atstarošanas un refrakcijas likumiem ir ļoti noderīga praktisku problēmu risināšanā.

Iepriekšējā prezentācijā refrakcijas indeksam bija vides konstante, kas nav atkarīga no caur to ejošās gaismas intensitātes. Šāda refrakcijas indeksa interpretācija ir diezgan dabiska, taču augstas starojuma intensitātes gadījumā, ko var panākt, izmantojot mūsdienu lāzerus, tas nav attaisnojams. Vides īpašības, caur kurām iziet spēcīgs gaismas starojums, šajā gadījumā ir atkarīgas no tā intensitātes. Kā saka, medijs kļūst nelineārs. Vides nelinearitāte jo īpaši izpaužas faktā, ka augstas intensitātes gaismas vilnis maina refrakcijas indeksu. Refrakcijas indeksa atkarībai no starojuma intensitātes ir forma

Šeit ir parastais refrakcijas indekss, a ir nelineārais refrakcijas indekss un proporcionalitātes koeficients. Papildu termins šajā formulā var būt pozitīvs vai negatīvs.

Relatīvās refrakcijas indeksa izmaiņas ir salīdzinoši nelielas. Plkst nelineārais refrakcijas indekss. Taču pat tik nelielas refrakcijas indeksa izmaiņas ir manāmas: tās izpaužas kā savdabīga gaismas pašfokusēšanās parādība.

Apsveriet vidi ar pozitīvu nelineāro refrakcijas indeksu. Šajā gadījumā paaugstinātas gaismas intensitātes zonas ir vienlaikus paaugstināta refrakcijas indeksa zonas. Parasti reālā lāzera starojumā intensitātes sadalījums pa stara šķērsgriezumu ir nevienmērīgs: intensitāte ir maksimālā pa asi un vienmērīgi samazinās virzienā uz stara malām, kā parādīts attēlā. 185 cietas līknes. Līdzīgs sadalījums apraksta arī refrakcijas koeficienta izmaiņas šūnas šķērsgriezumā ar nelineāru vidi, pa kuras asi izplatās lāzera stars. Refrakcijas koeficients, kas ir lielākais gar šūnas asi, pakāpeniski samazinās virzienā uz tās sienām (punktētas līknes 185. attēlā).

Staru staru kūlis, kas izplūst no lāzera paralēli asij un iekrīt vidē ar mainīgu refrakcijas koeficientu, tiek novirzīts virzienā, kur tas ir lielāks. Tāpēc palielināta intensitāte OSP šūnas tuvumā noved pie gaismas staru koncentrācijas šajā reģionā, kas shematiski parādīts šķērsgriezumos un attēlā. 185, un tas noved pie turpmāka pieauguma . Galu galā gaismas stara efektīvais šķērsgriezums, kas iet caur nelineāru vidi, ievērojami samazinās. Gaisma iziet it kā pa šauru kanālu ar paaugstinātu refrakcijas indeksu. Tādējādi lāzera stars sašaurinās, un nelineārā vide intensīva starojuma ietekmē darbojas kā saplūstoša lēca. Šo parādību sauc par pašfokusēšanos. To var novērot, piemēram, šķidrā nitrobenzolā.

Rīsi. 185. Starojuma intensitātes un refrakcijas koeficienta sadalījums pa lāzera stara šķērsgriezumu pie ieejas kivetē (a), pie ieejas gala (), vidū (), netālu no kivetes izejas gala ()

Gaismas laušanas likums. Laušanas absolūtie un relatīvie rādītāji (koeficienti). Pabeigts iekšējā refleksija

Gaismas laušanas likums empīriski tika noteikts 17. gadsimtā. Kad gaisma pāriet no vienas caurspīdīgas vides uz otru, gaismas virziens var mainīties. Gaismas virziena maiņu uz dažādu nesēju robežām sauc par gaismas refrakciju. Refrakcijas visuzināšana ir acīmredzamas objekta formas izmaiņas. (piemērs: karote glāzē ūdens). Gaismas laušanas likums: uz divu vidiņu robežas lauztais stars atrodas krišanas plaknē un veido tādu refrakcijas leņķi, kurā saskarnes normāls ir atjaunots krišanas punktā, lai: = n 1- kritiens, 2 atspulgi, n-refrakcijas indekss (f. Snelius) - relatīvais rādītājs Staru kūļa laušanas koeficientu, kas krīt uz vidi no bezgaisa telpas, sauc par to absolūtais refrakcijas indekss. Krituma leņķis, pie kura lauztais stars sāk slīdēt pa divu nesēju saskarni bez pārejas uz optiski blīvāku vidi - kopējā iekšējā atstarojuma ierobežojošais leņķis. Pilnīga iekšējā atspulga- iekšējā atstarošana, ja krišanas leņķis pārsniedz noteiktu kritisko leņķi. Šajā gadījumā krītošais vilnis tiek pilnībā atspoguļots, un atstarošanas koeficienta vērtība pārsniedz lielāko lielas vērtības pulētām virsmām. Kopējās iekšējās atstarošanas atstarošanas koeficients nav atkarīgs no viļņa garuma. Optikā šī parādība tiek novērota plašā diapazonā elektromagnētiskā radiācija, ieskaitot rentgena diapazonu. Ģeometriskajā optikā parādība tiek izskaidrota ar Snela likumu. Ņemot vērā, ka laušanas leņķis nevar pārsniegt 90°, iegūstam, ka pie krišanas leņķa, kura sinuss ir lielāks par mazākā laušanas koeficienta attiecību pret lielāko, elektromagnētiskajam vilnim pilnībā jāatspoguļojas pirmajā vidē. Piemērs: Daudzu dabisko kristālu un īpaši slīpēto dārgakmeņu un pusdārgakmeņu spožo spožumu var izskaidrot ar pilnīgu iekšējo atspīdumu, kā rezultātā katrs stars, kas nonāk kristālā, veido lielu skaitu diezgan spilgtu staru, kas izplūst, krāsoti kā izkliedes rezultāts.

Optika ir viena no vecākajām fizikas nozarēm. No laika senā Grieķija, daudzus filozofus interesēja gaismas kustības un izplatīšanās likumi dažādos caurspīdīgos materiālos, piemēram, ūdenī, stiklā, dimantā un gaisā. Šajā rakstā aplūkota gaismas refrakcijas parādība, uzmanība tiek pievērsta gaisa refrakcijas indeksam.

Gaismas staru refrakcijas efekts

Ikviens savā dzīvē simtiem reižu ir saskāries ar šo efektu, skatoties uz rezervuāra dibenu vai ūdens glāzi ar kādu priekšmetu. Tajā pašā laikā rezervuārs nešķita tik dziļš, kā tas bija patiesībā, un priekšmeti ūdens glāzē izskatījās deformēti vai salauzti.

Refrakcijas fenomens sastāv no tās taisnās trajektorijas pārtraukuma, kad tā šķērso divu caurspīdīgu materiālu saskarni. Apkopojot lielu skaitu eksperimentālo datu, 17. gadsimta sākumā holandietis Vilebrors Snels ieguva matemātisko izteiksmi, kas precīzi aprakstīja šo parādību. Šī izteiksme ir uzrakstīta šādā formā:

n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = konst.

Šeit n 1 , n 2 ir gaismas absolūtie laušanas koeficienti attiecīgajā materiālā, θ 1 un θ 2 ir leņķi starp krītošo un lauzto staru un perpendikulāru saskarnes plaknei, kas tiek novilkta caur staru kūļa krustpunktu. un šī lidmašīna.

Šo formulu sauc par Snela vai Snela-Dekarta likumu (tieši francūzis to pierakstīja uzrādītajā formā, holandietis izmantoja nevis sinusus, bet garuma vienības).

Papildus šai formulai refrakcijas fenomenu apraksta vēl viens likums, kam ir ģeometrisks raksturs. Tas slēpjas faktā, ka marķētais perpendikulārs plaknei un divi stari (lauztie un krītošie) atrodas vienā plaknē.

Absolūtais refrakcijas indekss

Šī vērtība ir iekļauta Snell formulā, un tās vērtībai ir svarīga loma. Matemātiski refrakcijas indekss n atbilst formulai:

Simbols c ir ātrums elektromagnētiskie viļņi vakuumā. Tas ir aptuveni 3*10 8 m/s. Vērtība v ir gaismas ātrums vidē. Tādējādi refrakcijas indekss atspoguļo gaismas palēnināšanās apjomu vidē attiecībā pret bezgaisa telpu.

No iepriekš minētās formulas izriet divi svarīgi secinājumi:

• n vērtība vienmēr ir lielāka par 1 (vakuumam tā ir vienāda ar vienu);
• tas ir bezizmēra lielums.

Piemēram, gaisa laušanas koeficients ir 1,00029, bet ūdenim tas ir 1,33.

Refrakcijas indekss nav nemainīga vērtība konkrētai videi. Tas ir atkarīgs no temperatūras. Turklāt katrai elektromagnētiskā viļņa frekvencei tai ir sava nozīme. Tātad iepriekš minētie skaitļi atbilst 20 o C temperatūrai un redzamā spektra dzeltenajai daļai (viļņa garums - aptuveni 580-590 nm).

n vērtības atkarība no gaismas frekvences izpaužas baltās gaismas sadalīšanā ar prizmu vairākās krāsās, kā arī varavīksnes veidošanās debesīs stipra lietus laikā.

Gaismas refrakcijas indekss gaisā

Tā vērtība (1,00029) jau ir norādīta iepriekš. Tā kā gaisa laušanas koeficients no nulles atšķiras tikai ceturtajā zīmē aiz komata, tad praktisku uzdevumu risināšanai to var uzskatīt par vienādu ar vienu. Neliela n atšķirība gaisam no vienotības norāda, ka gaismu praktiski nepalēnina gaisa molekulas, kas ir saistīts ar tās salīdzinoši zemo blīvumu. Tādējādi vidējais gaisa blīvums ir 1,225 kg/m 3, tas ir, tas ir vairāk nekā 800 reizes vieglāks nekā saldūdens.

Gaiss ir optiski plāns vide. Pats gaismas ātruma palēnināšanās procesā materiālā ir kvantu raksturs un tas ir saistīts ar vielas atomu fotonu absorbcijas un emisijas aktiem.

Gaisa sastāva izmaiņas (piemēram, ūdens tvaiku satura palielināšanās tajā) un temperatūras izmaiņas izraisa būtiskas refrakcijas indeksa izmaiņas. Spilgts piemērs ir mirāžas efekts tuksnesī, kas rodas dažādu temperatūru gaisa slāņu refrakcijas koeficientu atšķirību dēļ.

stikla-gaisa saskarne

Stikls ir daudz blīvāks materiāls nekā gaiss. Tā absolūtais refrakcijas indekss svārstās no 1,5 līdz 1,66 atkarībā no stikla veida. Ja ņemam vidējo vērtību 1,55, tad staru kūļa lūzumu pie gaisa un stikla saskarnes var aprēķināt, izmantojot formulu:

grēks (θ 1) / grēks (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1,55.

Vērtību n 21 sauc par gaisa un stikla relatīvo laušanas koeficientu. Ja stars iziet no stikla gaisā, jāizmanto šāda formula:

grēks (θ 1) / grēks (θ 2) \u003d n 2 / n 1 \u003d n 21 \u003d 1 / 1,55 \u003d 0,645.

Ja lauztā stara leņķis pēdējā gadījumā ir vienāds ar 90 o , tad atbilstošo sauc par kritisko. Stikla-gaisa robežai tas ir vienāds ar:

θ 1 \u003d arcsin (0,645) \u003d 40,17 o.

Ja stars nokrīt uz stikla-gaisa robežas ar lielākiem leņķiem par 40,17 o , tad tas pilnībā tiks atstarots atpakaļ stiklā. Šo parādību sauc par "totālu iekšējo refleksiju".

Kritiskais leņķis pastāv tikai tad, kad stars pārvietojas no blīvas vides (no stikla uz gaisu, bet ne otrādi).

Biļete 75.

Gaismas atstarošanas likums: krītošais un atstarotais stars, kā arī perpendikuls saskarnei starp divām vidēm, kas atjaunots staru kūļa krišanas punktā, atrodas vienā plaknē (krituma plaknē). Atstarošanas leņķis γ ir vienāds ar krišanas leņķi α.

Gaismas laušanas likums: krītošie un lauztie stari, kā arī perpendikulāri saskarnei starp diviem nesējiem, kas atjaunoti stara krišanas punktā, atrodas vienā plaknē. Krituma leņķa α sinusa attiecība pret refrakcijas leņķa β sinusu ir nemainīga vērtība diviem dotiem medijiem:

Atstarošanas un laušanas likumi ir izskaidroti viļņu fizikā. Saskaņā ar viļņu koncepcijām refrakcija ir viļņu izplatīšanās ātruma izmaiņu sekas pārejas laikā no vienas vides uz otru. Refrakcijas indeksa fiziskā nozīme ir viļņu izplatīšanās ātruma attiecība pirmajā vidē υ 1 pret to izplatīšanās ātrumu otrajā vidē υ 2:

3.1.1. attēlā parādīti gaismas atstarošanas un laušanas likumi.

Vidi ar zemāku absolūto refrakcijas indeksu sauc par optiski mazāk blīvu.

Kad gaisma pāriet no optiski blīvākas vides uz optiski mazāk blīvu vidi n 2< n 1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать kopējās refleksijas fenomens, tas ir, lauztā stara izzušana. Šī parādība tiek novērota pie krišanas leņķiem, kas pārsniedz noteiktu kritisko leņķi α pr, ko sauc kopējā iekšējā atstarojuma ierobežojošais leņķis(skat. 3.1.2. att.).

Krituma leņķim α = α pr sin β = 1; vērtība sin α pr \u003d n 2 / n 1< 1.

Ja otrā vide ir gaiss (n 2 ≈ 1), tad formulu ir ērti pārrakstīt kā

Pilnīgas iekšējās atstarošanas fenomens tiek izmantots daudzās optiskajās ierīcēs. Interesantākais un praktiski svarīgākais pielietojums ir šķiedru gaismas vadotņu izveide, kas ir plāni (no vairākiem mikrometriem līdz milimetriem) patvaļīgi izliekti pavedieni no optiski caurspīdīga materiāla (stikla, kvarca). Gaisma, kas krīt uz šķiedras gala, var izplatīties pa to lielos attālumos kopējā iekšējā atstarošanās dēļ no sānu virsmām (3.1.3. att.). Zinātnisko un tehnisko virzienu, kas saistīts ar optisko gaismas vadu izstrādi un pielietošanu, sauc par optisko šķiedru.

Izkliedējiet to "rsija gaismu" (gaismas sadalīšanās)- tā ir parādība, kas saistīta ar vielas absolūtā refrakcijas indeksa atkarību no gaismas frekvences (vai viļņa garuma) (frekvences dispersija), vai, tas pats, gaismas fāzes ātruma atkarība vielā no gaismas frekvences (vai viļņa garuma). viļņa garums (vai frekvence). Eksperimentāli atklāja Ņūtons ap 1672. gadu, lai gan teorētiski labi izskaidrots daudz vēlāk.

Telpiskā izkliede ir vides caurlaidības tenzora atkarība no viļņu vektora. Šī atkarība izraisa vairākas parādības, ko sauc par telpiskās polarizācijas efektiem.

Viens no visvairāk labi piemēri dispersija - baltās gaismas sadalīšanās izlaižot to caur prizmu (Ņūtona eksperiments). Dispersijas fenomena būtība ir gaismas staru ar dažādu viļņu garumu izplatīšanās ātrumu atšķirība caurspīdīgā vielā - optiskā vidē (turpretim vakuumā gaismas ātrums vienmēr ir vienāds, neatkarīgi no viļņa garuma un līdz ar to krāsas) . Parasti, jo augstāka ir gaismas viļņa frekvence, jo lielāks ir tam paredzētās vides refrakcijas indekss un mazāks viļņa ātrums vidē:

Ņūtona eksperimenti Eksperiments par baltās gaismas sadalīšanos spektrā: Ņūtons nosūtīja staru saules gaisma caur nelielu caurumu uz stikla prizmas. Uzkāpjot uz prizmas, stars tika lauzts un pretējā sienā radīja iegarenu attēlu ar zaigojošu krāsu maiņu - spektru. Eksperimentējiet par monohromatiskās gaismas pāreju caur prizmu: Ņūtons saules stara ceļā novietoja sarkanu stiklu, aiz kura saņēma monohromatisku gaismu (sarkanu), tad prizmu un novēroja uz ekrāna tikai sarkanu plankumu no gaismas stara. Pieredze baltās gaismas sintēzē (iegūšanā): Pirmkārt, Ņūtons virzīja saules staru uz prizmu. Tad, savācis krāsainos starus, kas iznāca no prizmas ar saplūstoša objektīva palīdzību, Ņūtons saņēma baltu attēlu ar caurumu uz baltas sienas, nevis krāsainu joslu. Ņūtona secinājumi:- prizma nemaina gaismu, bet tikai sadala to sastāvdaļās - gaismas stari, kas atšķiras pēc krāsas, atšķiras ar laušanas pakāpi; Violetie stari laužas visspēcīgāk, sarkanā gaisma laužas mazāk - sarkanajai gaismai, kas laužas mazāk, ir vislielākais ātrums, bet violetajai - vismazākais, tāpēc prizma sadala gaismu. Gaismas refrakcijas indeksa atkarību no tās krāsas sauc par dispersiju.

Secinājumi:- prizma sadala gaismu - baltā gaisma ir sarežģīta (kompozīta) - violetie stari laužas vairāk nekā sarkanie. Gaismas stara krāsu nosaka tā svārstību biežums. Pārejot no vienas vides uz otru, mainās gaismas ātrums un viļņa garums, bet frekvence, kas nosaka krāsu, paliek nemainīga. Baltās gaismas diapazonu un tās komponentu robežas parasti raksturo to viļņu garumi vakuumā. Baltā gaisma ir viļņu garumu kopums no 380 līdz 760 nm.

Biļete 77.

Gaismas absorbcija. Bouguer likums

Gaismas absorbcija vielā ir saistīta ar enerģijas pārveidi elektromagnētiskais lauks viļņi nonāk vielas siltumenerģijā (vai sekundārā fotoluminiscējošā starojuma enerģijā). Gaismas absorbcijas likumam (Bugu likumam) ir šāda forma:

I=I 0 exp (- x),(1)

kur es 0 , es- ieejas gaismas intensitāte (x=0) un iziet no vidēja biezuma slāņa X, - absorbcijas koeficients, tas ir atkarīgs no .

Dielektriķiem  =10 -1  10 -5 m -1 , metāliem =10 5  10 7 m -1 , tāpēc metāli ir gaismas necaurredzami.

Atkarība  ( ) izskaidro absorbējošo ķermeņu krāsojumu. Piemēram, stikls, kas absorbē maz sarkanās gaismas, šķitīs sarkans, kad tas tiks apgaismots ar baltu gaismu.

Gaismas izkliede. Reilija likums

Gaismas difrakcija var notikt optiski neviendabīgā vidē, piemēram, duļķainā vidē (dūmi, migla, putekļains gaiss utt.). Izkliedējot vides neviendabīgumu, gaismas viļņi rada difrakcijas modeli, kam raksturīgs diezgan vienmērīgs intensitātes sadalījums visos virzienos.

Šādu difrakciju ar mazām neviendabībām sauc gaismas izkliede.

Šī parādība tiek novērota, ja šaurs saules gaismas stars iziet cauri putekļainam gaisam, izkliedējas uz putekļu daļiņām un kļūst redzams.

Ja neviendabīgumu izmēri ir mazi, salīdzinot ar viļņa garumu (ne vairāk kā 0,1  ), tad izkliedētās gaismas intensitāte ir apgriezti proporcionāla viļņa garuma ceturtajai pakāpei, t.i.

es rass ~ 1/  4 , (2)

šīs attiecības sauc par Reilija likumu.

Gaismas izkliede tiek novērota arī tīrā vidē, kas nesatur svešas daļiņas. Piemēram, tas var rasties blīvuma, anizotropijas vai koncentrācijas svārstībām (nejaušām novirzēm). Šādu izkliedi sauc par molekulāro. Tas izskaidro, piemēram, debesu zilo krāsu. Patiešām, saskaņā ar (2) zilie un zilie stari ir izkliedēti spēcīgāk nekā sarkanie un dzeltenie stari, jo ir īsāks viļņa garums, tādējādi radot debesu zilo krāsu.

Biļete 78.

Gaismas polarizācija- viļņu optikas parādību kopums, kurā izpaužas elektromagnētisko gaismas viļņu šķērsvirziena raksturs. šķērsvilnis- vides daļiņas svārstās virzienos, kas ir perpendikulāri viļņu izplatīšanās virzienam ( att.1).

1. att šķērsvilnis

elektromagnētiskais gaismas vilnis plakne polarizēta(lineārā polarizācija), ja vektoru E un B svārstību virzieni ir stingri fiksēti un atrodas noteiktās plaknēs ( att.1). Tiek saukts plaknes polarizēts gaismas vilnis plakne polarizēta(lineāri polarizēta) gaisma. nepolarizēts(dabiskais) vilnis - elektromagnētisks gaismas vilnis, kurā vektoru E un B svārstību virzieni šajā vilnī var atrasties jebkurās plaknēs, kas ir perpendikulāras ātruma vektoram v. nepolarizēta gaisma- gaismas viļņi, kuros vektoru E un B svārstību virzieni nejauši mainās tā, ka visi svārstību virzieni plaknēs, kas ir perpendikulāras viļņu izplatīšanās kūlim, ir vienādi iespējamas ( att.2).

2. att nepolarizēta gaisma

polarizētie viļņi- kurā vektoru E un B virzieni paliek nemainīgi telpā vai mainās saskaņā ar noteiktu likumu. Radiācija, kurā vektora E virziens mainās nejauši - nepolarizēts. Šāda starojuma piemērs var būt termiskais starojums (nejauši sadalīti atomi un elektroni). Polarizācijas plakne- šī ir plakne, kas ir perpendikulāra vektora E svārstību virzienam. Galvenais polarizētā starojuma rašanās mehānisms ir elektronu, atomu, molekulu un putekļu daļiņu starojuma izkliede.

1.2. Polarizācijas veidi Ir trīs polarizācijas veidi. Definēsim tos. 1. Lineārs Rodas, ja elektriskais vektors E saglabā savu pozīciju telpā. Tas it kā izceļ plakni, kurā vektors E svārstās. 2. Apļveida Tā ir polarizācija, kas rodas, ja elektriskais vektors E griežas ap viļņa izplatīšanās virzienu ar leņķisko ātrumu, kas vienāds ar viļņa leņķisko frekvenci, vienlaikus saglabājot tā absolūto vērtību. Šī polarizācija raksturo vektora E griešanās virzienu plaknē, kas ir perpendikulāra redzes līnijai. Piemērs ir ciklotronu starojums (elektronu sistēma, kas rotē magnētiskajā laukā). 3. Eliptisks Rodas, kad elektriskā vektora E lielums mainās tā, ka tas apraksta elipsi (vektora E rotāciju). Eliptiska un apļveida polarizācija ir pa labi (vektora E rotācija notiek pulksteņrādītāja virzienā, ja skatās uz izplatošo vilni) un pa kreisi (vektora E rotācija notiek pretēji pulksteņrādītāja virzienam, ja skatās uz izplatošo vilni).

Patiesībā visizplatītākais daļēja polarizācija (daļēji polarizēti elektromagnētiskie viļņi). Kvantitatīvi to raksturo noteikts daudzums, ko sauc polarizācijas pakāpe R, kas ir definēts kā: P = (Imax — Imin) / (Imax + Imin) kur Maksimālais,ES piedalos- lielākais un zemākais elektromagnētiskās enerģijas plūsmas blīvums caur analizatoru (Polaroid, Nicol prizma…). Praksē radiācijas polarizāciju bieži apraksta ar Stoksa parametriem (tiek noteiktas starojuma plūsmas ar noteiktu polarizācijas virzienu).

Biļete 79.

Ja dabiskā gaisma nokrīt uz saskarnes starp diviem dielektriķiem (piemēram, gaisu un stiklu), tad daļa no tā tiek atstarota, bet daļa tiek lauzta un izplatās otrajā vidē. Novietojot analizatoru (piemēram, turmalīnu) atstaroto un lauzto staru ceļā, mēs pārliecināmies, ka atstarotie un lauztie stari ir daļēji polarizēti: analizatoru pagriežot ap stariem, gaismas intensitāte periodiski palielinās un samazinās ( pilnīga izmiršana nav novērota!). Turpmākie pētījumi parādīja, ka atstarotajā starā dominē krituma plaknei perpendikulāras svārstības (275. att. tās apzīmētas ar punktiem), lauztajā starā - svārstības, kas ir paralēlas krišanas plaknei (parādītas ar bultiņām).

Polarizācijas pakāpe (gaismas viļņu atdalīšanas pakāpe ar noteiktu elektriskā (un magnētiskā) vektora orientāciju) ir atkarīga no staru krišanas leņķa un refrakcijas indeksa. Skotu fiziķis D. Brūsters(1781-1868) izveidota likumu, saskaņā ar kuru krišanas leņķī i B (Brewstera leņķis), ko nosaka attiecība

(n 21 - otrās vides refrakcijas indekss attiecībā pret pirmo), atstarotais stars ir plaknē polarizēts(satur tikai krišanas plaknei perpendikulāras svārstības) (276. att.). Lauztais stars krišanas leņķīi B polarizēts līdz maksimumam, bet ne pilnībā.

Ja gaisma krīt uz saskarnes Brewster leņķī, tad atstarotie un lauztie stari savstarpēji perpendikulāri(tg i B = grēks i B/cos i b, n 21 = grēks i B / grēks i 2 (i 2 - laušanas leņķis), no kurienes cos i B = grēks i 2). Sekojoši, i B + i 2 =  /2, bet i’ B= i B (atspoguļošanas likums), tātad i’ B+ i 2 =  /2.

Atstarotās un lauztās gaismas polarizācijas pakāpi dažādos krišanas leņķos var aprēķināt pēc Maksvela vienādojumiem, ja ņemam vērā robežnosacījumus elektromagnētiskajam laukam divu izotropu dielektriķu saskarnē (t.s. Freneļa formulas).

Refrakcijas gaismas polarizācijas pakāpi var ievērojami palielināt (ar atkārtotu refrakciju, ja gaisma katru reizi krīt uz saskarnes Brewster leņķī). Ja, piemēram, stiklam ( n= 1.53), lauztā stara polarizācijas pakāpe ir 15%, tad pēc laušanas ar 8-10 stikla plāksnēm, kas atrodas viena uz otras, no šādas sistēmas izplūstošā gaisma būs gandrīz pilnībā polarizēta. Šo plākšņu komplektu sauc pēda. Pēdu var izmantot, lai analizētu polarizēto gaismu gan tās atstarošanā, gan refrakcijā.

Biļete 79 (spuram)

Kā rāda pieredze, gaismas laušanas un atstarošanas laikā lauztā un atstarotā gaisma izrādās polarizēta, un atstarojums. gaisma var būt pilnībā polarizēta noteiktā krišanas leņķī, bet gaisma vienmēr ir daļēji polarizēta Pamatojoties uz Frinela formulām, var parādīt, ka atstaro. gaisma ir polarizēta plaknē, kas ir perpendikulāra krišanas un laušanas plaknei. gaisma ir polarizēta plaknē, kas ir paralēla krišanas plaknei.

Krituma leņķis, pie kura atstarojas Gaisma ir pilnībā polarizēta tiek saukta par Brūstera leņķi.Brūstera leņķi nosaka pēc Brūstera likuma: -Brūstera likuma.Šajā gadījumā leņķis starp atstarošanu. un salauzt. stari būs vienādi Gaisa-stikla sistēmai Brūstera leņķis ir vienāds Lai iegūtu labu polarizāciju, t.i. , laužot gaismu, tiek izmantotas daudz salauztu virsmu, kuras sauc par Stoletova pēdu.

Biļete 80.

Pieredze rāda, ka gaismas mijiedarbības laikā ar matēriju galveno darbību (fizioloģisko, fotoķīmisko, fotoelektrisko u.c.) izraisa vektora svārstības, ko šajā sakarā dažkārt sauc par gaismas vektoru. Tāpēc, lai aprakstītu gaismas polarizācijas modeļus, tiek uzraudzīta vektora uzvedība.

Plakne, ko veido vektori un tiek saukta par polarizācijas plakni.

Ja vektora svārstības notiek vienā fiksētā plaknē, tad šādu gaismu (staru) sauc par lineāri polarizētu. Tas ir patvaļīgi apzīmēts šādi. Ja stars ir polarizēts perpendikulārā plaknē (plaknē xz, skatīt att. 2 otrajā lekcijā), tad tas tiek apzīmēts.

Dabiskā gaisma (no parastiem avotiem, saules) sastāv no viļņiem, kuriem ir dažādas, nejauši sadalītas polarizācijas plaknes (sk. 3. att.).

Dabisko gaismu dažreiz parasti dēvē par šo. To sauc arī par nepolarizētu.

Ja viļņa izplatīšanās laikā vektors griežas un tajā pašā laikā vektora gals apraksta apli, tad šādu gaismu sauc par cirkulāri polarizētu, un polarizācija ir apļveida vai cirkulāra (pa labi vai pa kreisi). Ir arī eliptiska polarizācija.

Ir optiskās ierīces (plēves, plāksnes utt.) - polarizatori, kas izstaro lineāri polarizētu gaismu vai daļēji polarizētu gaismu no dabiskās gaismas.

Tiek saukti polarizatori, ko izmanto, lai analizētu gaismas polarizāciju analizatori.

Polarizatora (vai analizatora) plakne ir polarizatora (vai analizatora) pārraidītās gaismas polarizācijas plakne.

Lai polarizators (vai analizators) krīt ar lineāri polarizētu gaismu ar amplitūdu E 0 . Raidītās gaismas amplitūda būs E=E 0 cos j, un intensitāte I=I 0 cos 2 j.

Šī formula izsaka Malusa likums:

Lineāri polarizētās gaismas intensitāte, kas iet caur analizatoru, ir proporcionāla leņķa kosinusa kvadrātam j starp krītošās gaismas svārstību plakni un analizatora plakni.

Biļete 80 (spuriem)

Polarizatori ir ierīces, kas ļauj iegūt polarizētu gaismu. Analizatori ir ierīces, ar kurām var analizēt, vai gaisma ir vai nav polarizēta. Strukturāli polarizators un analizators ir vienādi. -th, tad visi vektora E virzieni ir vienādi katru vektoru var sadalīt divās savstarpēji perpendikulārās komponentēs: viena no kurām ir paralēla polarizatora polarizācijas plaknei, bet otra ir perpendikulāra tai.

Acīmredzot no polarizatora izejošās gaismas intensitāte būs vienāda No polarizatora izejošās gaismas intensitāti apzīmēsim ar () Ja uz polarizatora ceļa novieto analizatoru, kura galvenā plakne veido leņķi ar polarizatora galvenā plakne, tad no analizatora izejošās gaismas intensitāti nosaka likums.

Biļete 81.

Pētot urāna sāļu šķīduma luminiscenci rādija staru iedarbībā, padomju fiziķis P. A. Čerenkovs vērsa uzmanību uz to, ka pats ūdens spīd, kurā nav urāna sāļu. Izrādījās, ka starus (skat. Gamma starojumu) izlaižot cauri tīriem šķidrumiem, tie visi sāk spīdēt. S. I. Vavilovs, kura vadībā strādāja P. A. Čerenkovs, izvirzīja hipotēzi, ka svelme ir saistīta ar elektronu kustību, ko no atomiem izsituši rādija kvanti. Patiešām, spīdums bija ļoti atkarīgs no magnētiskā lauka virziena šķidrumā (tas liecināja, ka tā cēlonis bija elektronu kustība).

Bet kāpēc elektroni, kas pārvietojas šķidrumā, izstaro gaismu? Pareizo atbildi uz šo jautājumu 1937. gadā sniedza padomju fiziķi I. E. Tamms un I. M. Franks.

Elektrons, kas pārvietojas vielā, mijiedarbojas ar apkārtējiem atomiem. Viņa iespaidā elektriskais lauks atomu elektroni un kodoli tiek pārvietoti pretējos virzienos – vide ir polarizēta. Polarizējoties un pēc tam atgriežoties sākotnējā stāvoklī, barotnes atomi, kas atrodas gar elektrona trajektoriju, izstaro elektromagnētiskos gaismas viļņus. Ja elektronu ātrums v ir mazāks par gaismas izplatīšanās ātrumu vidē (- laušanas koeficients), tad elektromagnētiskais lauks apsteigs elektronu, un vielai būs laiks polarizēties telpā pirms elektrona. Vides polarizācija elektrona priekšā un aiz tā ir pretēja virzienā, un pretēji polarizēto atomu starojumi, "summējot", "dzēš" viens otru. Kad atomiem, kurus elektrons vēl nav sasniedzis, nav laika polarizēties, un parādās starojums, kas virzīts pa šauru konisku slāni ar virsotni, kas sakrīt ar kustīgo elektronu, un leņķi virsotnē c. Gaismas "konusa" izskatu un starojuma stāvokli var iegūt no visparīgie principi viļņu izplatīšanās.

Rīsi. 1. Viļņu frontes veidošanās mehānisms

Ļaujiet elektronam pārvietoties pa ļoti šaura tukša kanāla asi OE (skat. 1. att.) viendabīgā caurspīdīgā vielā ar laušanas koeficientu (tukšs kanāls ir nepieciešams, lai neņemtu vērā elektrona sadursmes ar atomiem teorētiskais apsvērums). Jebkurš OE līnijas punkts, ko secīgi aizņem elektrons, būs gaismas emisijas centrs. Viļņi, kas izplūst no secīgiem punktiem O, D, E, traucē viens otru un tiek pastiprināti, ja fāzu starpība starp tiem ir nulle (sk. Interference). Šis nosacījums ir izpildīts virzienam, kas veido 0 leņķi ar elektrona trajektoriju. Leņķi 0 nosaka attiecība:.

Patiešām, apsveriet divus viļņus, kas izstaro virzienā 0 leņķī pret elektronu ātrumu no diviem trajektorijas punktiem - punktu O un punktu D, kas atdalīti ar attālumu . Punktā B, kas atrodas uz taisnes BE, perpendikulāri OB, pirmais vilnis - laikā Uz punktu F, kas atrodas uz taisnes BE, no punkta izstarotais vilnis ieradīsies laika momentā pēc starojuma izstarošanas. vilnis no punkta O. Šie divi viļņi būs fāzē, t.i., taisne būs viļņu fronte, ja šie laiki ir vienādi:. To kā laiku vienlīdzības nosacījumu dod. Visos virzienos, kuriem gaisma tiks nodzēsta, traucējot viļņus, kas izstaro no trajektorijas posmiem, kas atdalīti ar attālumu D. D vērtību nosaka acīmredzams vienādojums, kur T ir gaismas svārstību periods. Šim vienādojumam vienmēr ir risinājums, ja.

Ja , tad virziens, kurā izstarotie viļņi, kas traucē, pastiprinās, nepastāv, nevar būt lielāks par 1.

Rīsi. 2. Skaņas viļņu sadalījums un triecienviļņa veidošanās ķermeņa kustības laikā

Radiāciju novēro tikai tad, ja .

Eksperimentāli elektroni lido ierobežotā cietā leņķī ar noteiktu ātrumu izkliedi, un rezultātā starojums izplatās koniskā slānī tuvu galvenajam virzienam, ko nosaka leņķis .

Mūsu apsvērumos mēs esam ignorējuši elektrona palēninājumu. Tas ir diezgan pieņemami, jo Vavilova-Čerenkova starojuma radītie zudumi ir nelieli, un pirmajā tuvinājumā var pieņemt, ka elektrona zaudētā enerģija neietekmē tā ātrumu un tas pārvietojas vienmērīgi. Tā ir Vavilova-Čerenkova starojuma būtiskā atšķirība un neparastums. Parasti lādiņi izstaro, piedzīvo ievērojamu paātrinājumu.

Elektrons, kas apsteidz savu gaismu, ir kā lidmašīna, kas lido ar ātrumu, kas lielāks par skaņas ātrumu. Šajā gadījumā lidmašīnas priekšā izplatās arī konisks trieciens. skaņu vilnis, (skat. 2. att.).

Nav nekā cita kā krišanas leņķa sinusa attiecība pret laušanas leņķa sinusu

Refrakcijas indekss ir atkarīgs no vielas īpašībām un starojuma viļņa garuma, dažām vielām refrakcijas koeficients mainās diezgan spēcīgi, mainoties elektromagnētisko viļņu frekvencei no zemām frekvencēm uz optisko un tālāk, kā arī var mainīties vēl krasāk noteiktās frekvenču skalas apgabali. Noklusējums parasti ir optiskais diapazons vai diapazons, ko nosaka konteksts.

Vērtība n, ceteris paribus, parasti ir mazāka par vienību, kad stars pāriet no blīvākas vides uz mazāk blīvu vidi, un lielāka par vienību, kad stars pāriet no mazāk blīvas vides uz blīvāku vidi (piemēram, no gāze vai no vakuuma uz šķidrumu vai cietu vielu). Šim noteikumam ir izņēmumi, un tāpēc ir pieņemts, ka barotne ir optiski vairāk vai mazāk blīva nekā cita (nejaukt ar optisko blīvumu kā vides necaurredzamības mēru).

Tabulā ir parādītas dažas refrakcijas indeksa vērtības dažiem datu nesējiem:

Tiek uzskatīts, ka vide ar augstāku refrakcijas indeksu ir optiski blīvāka. Parasti mēra dažādu nesēju refrakcijas koeficientu attiecībā pret gaisu. Gaisa absolūtais laušanas koeficients ir. Tādējādi jebkuras vides absolūtais laušanas koeficients ir saistīts ar tā laušanas koeficientu attiecībā pret gaisu pēc formulas:

Refrakcijas koeficients ir atkarīgs no gaismas viļņa garuma, tas ir, no tā krāsas. Dažādas krāsas atbilst dažādiem refrakcijas rādītājiem. Šai parādībai, ko sauc par dispersiju, ir svarīga loma optikā.