Волновая оптика

Газы, находящиеся в  атомарном состоянии  (атомарный водород, гелий и др.) дают спектр, nредставляющий собой узкие цветные линии, разделенные широкими темными промежутками. Такой спектр называется линейчатым.

Каждая  линия в спектре, имеющая определенный цвет и яркость, соответствует определенному  атому какого-либо элемента, находящемуся в определенной степени возбуждения, поэтому она является как бы визитной карточкой самого атома.

Если  кусок асбеста, пропитанного парами натрия, поместить в пламя газовой горелки, которое приведет атомы натрия в возбужденное состояние и заставит их излучать свет, то на фоне слабого спектра пламени самой горелки мы увидим яркую желтую линию, соответствующую излучению атомов натрия. Таким способом можно наблюдать спектры излучения атомарных и молекулярных газов.

Если  на пути световых лучей, испускаемых  каким-либо веществом, содержащим атомы натрия, поместить кусок асбеста, пропитанного парами натрия, то в спектре этого вещества мы не обнаружим желтой линии, соответствующей излучению атомов натрия. Это связано с тем, что атомы натрия, входящие в это вещество, поглотят свет желтого цвета.

Каждое  вещество в газообразном состоянии  поглощает волны тех частот, которые само испускает. Образующийся при этом спектр, в котором отсутствуют линии, соответствующие частотам поглощенного света, называют спектром поглощения.

Следовательно, спектры излучения и поглощения обратимы.

Поглощение  света веществом связано с  квантовым переходом электронов в атомах вещества с нижних энергетических уровней на верхние.

Земная  атмосфера избирательно поглощает  световые волны некоторых частот, испускаемых Солнцем и звездами, поэтому по их спектрам поглощения можно судить о химическом составе этих небесных тел.  

24

Метод изучения химического  состава веществ  по их спектрам называется спектральным анализом.

Различают эмиссионный спектральный анализ, производимый по спектрам излучения, и абсорбционный, производимый по спектрам поглощения.

В эмиссионном  спектральном анализе пробу исследуемого вещества вводят в источник возбуждения - атомизатор, которым может быть пламя газовой горелки, электрическая дуга, искра и др. Здесь исследуемое вещество испаряется и его отдельные атомы переходят в возбужденное состояние, испуская световые волны, которые посредством спектроскопа разлагаются в спектр и изучаются.

В абсорбционном  методе исследуемое вещество также испаряют в атомизаторе, а затем испускаемые им световые лучи пропускают через пары какого-либо сложного вещества и по спектру поглощения судят о составе исследуемого вещества.

В последнее  время в качестве атомизаторов широко применяют лазеры.

Спектральный анализ является чрезвычайно точным методом исследования веществ, позволяющим обнаружить данный элемент в составе сложного вещества даже тогда, когда масса этого элемента составляет не более 10^-10 г, т. е. когда никакими химическими методами его уже обнаружить нельзя. С помощью спектрального анализа исследован химический состав пока недоступных для нас объектов - Солнца и звезд. Благодаря этому методу были открыты новые вещества, например, гелий (т. е. солнечный), который вначале был обнаружен на Солнце, а лишь потом - на Земле.

В настоящее  время учеными определены спектры  всех элементов таблицы Менделеева.

Благодаря высокой чувствительности, избирательности, сравнительной простоте и доступности спектральный анализ находит широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, геологии и др. областях народного хозяйства. Он является одним из важнейших методов современной науки, с помощью которого изучают радиоактивные материалы, сверхчистые вещества, плазму и т. д. Применение ЭВМ в современной науке и технике дало возможность существенно ускорить и автоматизировать этот метод, что позволило ученым создать универсальные спектральные анализаторы, нашедшие самое широкое использование.  

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА 

Каждый  возбужденный атом светящегося тела испускает электромагнитную волну, в которой вектор напряженности электрического поля Ё колеблется только в одной плоскости (см. рис. 20). Однако таких атомов в источнике света чрезвычайно много, поэтому векторы Ё в световых волнах, испускаемых множеством возбуж денных атомов, колеблются в самых разных плоскостях. На рис. 20 схематично изображены различные направления колебаний векторов напряженности электрического поля

световой волны  в плоскости чертежа, когда сама                              Рис. 20          волна распространяется от чертежа к наблюдателю (ее направление показано вектором r, который изображен кружком с точкой в центре).

Свет, в  котором векторы напряженности  электрических полей световых волн, излучаемых атомами светящегося тела, колеблются во всевозможных направлениях, называется естественным светом.

25 

Все направления  колебаний векторов Ё в естественном свете можно спроецировать на два взаимно перпендикулярных направления, как показано на рис. 21

Рис. 21

Существуют  прозрачные тела, пропускающие только такие световые волны, в которых вектор электрической напряженности Ё - световой вектор - колеблется только в одной плоскости. Такие тела называются поляризаторами. К ним относятся кристаллы турмалина, кварца, исландского шпата и некоторые другие.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор, называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой колеблется вектор индукции магнитного поля В, называется плоскостью поляризации.

Если  на поляризатор падают волны естественного света, то он пропустит только те волны, в которых вектор Ё колеблется в одной присущей данному телу плоскости abcd (рис. 21), а остальные волны не пропустит. Они будут поглощены веществом поляризатора.

В световых волнах, вышедших из поляризатора, световой вектор Ё колеблется только в одной плоскости (на рис. 21 колеблется в плоскости чертежа).

Свет, в котором вектор напряженности электрического поля световой волны колеблется только 6 одной плоскости, называется поляризованным.

Явление выделения из естественного света таких световых волн, в которых вектор напряженности колеблется только в одной плоскости, называется поляризацией света.

Поляризация света подтверждает поперечность световых волн.

Если к поляризатору П₁, изображенному на рис. 22 с плоскостью поляризации, параллельной плоскости чертежа, поднести второй поляризатор П₂, повернув его на 90⁰ так, чтобы его плоскость поляризации оказалась перпендикулярной плоскости чертежа, то свет не выйдет из второго поляризатора независимо от степени его прозрачности, а поглотится веществом поляризатора. Поэтому, если смотреть на поверхность поляризатора П₂ с той стороны, откуда должен выйти луч, то она окажется темной. Если этот поляризатор повернуть на 90⁰, расположив его так же, как и поляризатор П₁, то эта поверхность станет светлой, поскольку теперь он пропустит световой луч. А если бы световые волны были продольными, то поляризатор П₂ пропускал бы их при любом положении.

Рис. 22

Зависимость степени поглощения света веществом  от направления колебаний  

26

светового вектора называется дихроизмом.

Если  на кристалл исландского шпата, обладающий оптической анизотропией, т. е. различием оптических свойств в разных направлениях, пустить луч естественного света, то он разделится на два когерентных луча (рис. 23).

Рис. 23

Однако, если эти лучи затем соединить  с помощью собирающей линзы, то интерференция  наблюдаться не будет. Это объясняется  тем, что световые векторы Е в этих лучах взаимно перпендикулярны. Один из этих лучей подчиняется закону преломления, поэтому его назвали обыкновенным, а второй - нет, поэтому его назвали необыкновенным. На рис. 23 точками показаны направления - колебаний вектора Е в обыкновенном луче, а стрелками Основное отличие необыкновенного луча от обыкновенного: угол преломления необыкновенного луча зависит от показателя преломления кристалла, потому что скорость света в необыкновенном луче отличается от скорости света в обыкновенном. Если скорость света в обыкновенном луче одинакова по всем направлениям внутри кристалла, то скорость света в необыкновенном луче зависит от направления в анизотропном кристалле.

Согласно  формуле, связывающей абсолютный показатель преломления вещества п со скоростью электромагнитной волны (скоростью света) в нем v

зависимость показателя преломления от направления внутри кристалла приводит и к зависимости скорости света от направления в нем.

Однако  в анизотропном кристалле есть особое направление, которое называется оптической осью кристалла тп. Если луч естественного света направить на кристалл вдоль этого направления, то разделения на обыкновенный и необыкновенный лучи не произойдет. Это означает, что скорость света вдоль оптической оси у обыкновенного и необыкновенного лучей одинакова. А если луч направить перпендикулярно оптической оси, то его раздвоение будет особенно заметным.

Для получения  линейно поляризованных, т. е. поляризованных в одной плоскости, лучей ученные придумали прибор, называемый призмой Николя (рис. 24). Берутся две трехгранные призмы, вырезанные из одного анизотропного кристалла,  склеиваются своими основаниями с помощью особого клея, показатель преломления которого больше показателя преломления самого кристалла. Падающий на слой этого клея луч испытывает полное отражение от слоя, после чего поглощается слоем поглощающего вещества (например, сажи) на одной из граней призмы. А необыкновенный луч не испытав полного отражения (ведь он не подчиняется законам геометрической оптики,  которые, мы рассмотрим дальше), проходит сквозь клей и выходит из призмы после чего его можно использовать для различных оптических исследований и измерений.  
 
 

27

Рис. 24

Если  линейно поляризованный луч пропустить сквозь растворы некоторых веществ (например, сквозь концентрированный раствор сахара), то плоскость колебаний светового вектора в этом луче повернется на некоторый угол относительно первоначального положения. Этот угол тем больше, чем больше концентрация вещества в растворе, поэтому, зная угол поворота плоскости колебаний, можно определить концентрацию раствора. Такие вещества называют оптически активными. К ним, кроме сахара, относятся камфара, винная кислота, глюкоза.

Приборы, позволяющие определить угол поворота плоскости колебаний светового вектора, называются поляриметрами. Точность измерений современных поляриметров с применением лазерного излучения составляет 10^-7 градуса.

Явление поляризации света широко используется в технике, когда нужна плавно регулировать яркость световых лучей. Для этого достаточно поляризовать свет с помощью одного поляризатора, а второй поляризатор плавно поворачивать относительна общей с первым оси. При этом, чем больше будет угол между плоскостями поляризации первого и второго поляризаторов, тем слабее будет свет, выходящий из второго поляризатора.  

ВЫВОДЫ: 

№1

Интерференция -  сложение волн.

Интерференция наблюдается в виде чередующихся темных и светлых полос. Условия и интерференции: наличие когерентных источников.

Максимум (светлая  полоса) наблюдается, если на разности хода укладывается четное число полуволн. ∆r – разность хода лучей,k = 1,2,3, … Условие минимума: ∆l = (2k+1)λ/2, то есть на разности хода укладывается нечетное число полуволн. Различные цвета тонких пленок – это результат интерференции двух волн, отражающихся от нижней и верхней поверхностей пленки. 

№2

Дифракция – отклонение света от прямолинейного распространения на неоднородностях среды. Принцип Гюйгенса-Френеля. Волновая поверхность в каждый момент времени представляет собой не только огибающую вторичных волн, но и результат их интерференции.

Дифракция объясняется интерференцией вторичных волн от разных точек волнового фронта. 

№3

Дифракционная решетка – устройство для спектрального  разложения света. Дифракционные решетки  бывают прозрачные (чередование щелей  и участков, пропускающих свет) и  отражающие (чередование участков, отражающих свет и рассеивающих). Лучи, идущие от краев двух соседних отверстий, имеют разность хода: