Физика (стр. 25 )

Примерами таких кристаллов могут служить исландский шпат, кварц, турмалин. У них имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распространяются, не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла (это не прямая линия, а определенное направление в кристалле). Плоскость, проходящая через направление падающего луча света и оптическую ось кристалла, называется главным сечением кристалла или его главной плоскостью.

Исследование обыкновенного и необыкновенного лучей показало, что они поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 3.3.32). Плоскость поляризации обыкновенного луча перпендикулярна к главному сечению кристалла. В необыкновенном луче колебания светового вектора совершаются в плоскости, совпадающей с главной плоскостью. По выходе из кристалла оба луча отличаются друг от друга только направлением поляризации, так что названия «обыкновенный» и «необыкновенный» имеют смысл только внутри кристалла.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. В кристаллах некубической системы диэлектрическая проницаемость зависит от направления: направлении оптической оси и в направлениях, перпендикулярных к ней, значения диэлектрической проницаемости различны. В других направлениях имеет промежуточные значения. Поскольку и , скорость световых волн зависит от направления колебаний светового вектора. В обыкновенном луче колебания вектора всегда происходят в направлении, перпендикулярном к главной плоскости, т. е. перпендикулярно оптической оси, поэтому скорость световой волны всегда одна и та же. Колебания в необыкновенном луче совершаются в главной плоскости, поэтому для разных лучей направления колебаний вектора образуют с оптической осью разные углы, вследствие чего скорость распространения необыкновенного луча по разным направлениям различна.

Явление двойного лучепреломления лежит в основе работы приспособлений, служащих для получения поляризованного света. Наиболее часто для этой цели применяются призмы и поляроиды. В поляризационных призмах один из лучей (обыкновенный или необыкновенный) либо гасится, либо сильно отклоняется от направления другого луча.

Некоторые из двояко преломляющих кристаллов обладают свойством дихроизма, т. е. существенно различно поглощают свет в зависимости от направления колебаний электрического вектора. Дихроичные кристаллы приобрели важное значение в связи с изобретением поляроидов. Это поляризационное устройство представляет собой целлулоидную пленку, в которую введено большое количество одинаково ориентированных кристалликов сульфата йодистого хинина. Такая пленка уже при толщине около 0.1 мм полностью поглощает обыкновенные лучи в видимой области спектра.

Пример 14. Предельный угол полного отражения для пучка света на границе кристалла каменной соли с воздухом равен . Определить угол Брюстера при падении света из воздуха на поверхность этого кристалла.

Решение. Закон преломления света на границе раздела двух сред дает: . По условию – показатели преломления кристалла и воздуха соответственно; . Отсюда (учтено, что ). Для угла Брюстера имеем: 57º

Пример 15. Плоскополяризованный свет, длина волны которого в вакууме , падает на пластинку исландского шпата, перпендикулярно его оптической оси. Принимая показатели преломления для исландского шпата для обыкновенного и необыкновенного лучей, соответственно и , определить длины волн этих лучей в кристалле.

Решение. Для вакуума имеем: , где – скорость света в вакууме, – частота световой волны. Для света в кристалле: , где – длина волны света в кристалле, – ее частота, – скорость распространения света в кристалле. Частота световой волны при переходе через границу раздела воздух – кристалл не изменится, скорость распространения света и, следовательно, длина волны уменьшатся. Учитывая, что , где – показатель преломления кристалла, для обыкновенного луча имеем: . С другой стороны, . Приравнивая два выражения для частоты, получаем: . Аналогично получаем .

Использование поляризованного света. В основе всех приборов для исследований в поляризованном свете лежит система из расположенных вдоль направления световых лучей поляризатора и анализатора, между которыми помещается исследуемый материал. Как уже говорилось, анализатор – это такой же поляризатор, но приспособленный для вращения вокруг продольной оси. Анализатор пропускает только те колебания, плоскость поляризации которых совпадает с плоскостью анализатора. В противном случае через анализатор проходит только составляющая колебаний, совпадающая с этой плоскостью. Сила света, проходящего через анализатор, подчиняется закону Малюса.

Поляризованный свет применяется для исследования оптически анизотропных микроструктур в технике и медицине. Он позволяет установить их строение и расположение, что во многих случаях не удается сделать при микроскопировании в естественном свете, для этих целей обычно применяют поляризационный микроскоп. Его устройство такое же, как и у обычного микроскопа, с той лишь разницей, что он снабжен двумя поляризаторами: один служит собственно поляризатором и расположен перед конденсором; второй служит анализатором и расположен в тубусе между объективом и окуляром. Анизотропные микроструктуры обладают двойным лучепреломлением. Если поляризатор и анализатор скрещены (т. е. свет не пропускают), то, поместив на предметный столик анизотропную структуру, можно будет видеть ее на общем темном фоне.

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. К числу таких веществ принадлежат кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и пр.).

Вращение плоскости поляризации поляризованного света можно наблюдать на следующем опыте (рис. 3.3.33). Между поляризатором П и анализатором А помещается оптически активное вещество (например, кювета К с раствором сахара). Через систему пропускается пучок монохроматического света, и наблюдается световое пятно, получающееся на экране Э. В отсутствие кюветы наиболее ярким пятно получается при совпадении плоскостей поляризатора и анализатора, а наиболее темным – при их взаимно перпендикулярном расположении. При наличии кюветы для получения таких же результатов необходимо повернуть анализатор на некоторый угол. Это и есть угол, на который раствор в кювете повернул плоскость поляризации поляризованного света.

 

Рис. 3.3.33

Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота пропорционален пути , пройденному лучом в кристалле: . Коэффициент называется постоянной вращения и зависит от длины волны.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе и концентрации активного вещества : (здесь – удельная постоянная вращения). На этом принципе основано действие различного рода поляриметров и сахариметров, позволяющих измерить концентрацию растворенного вещества в растворе. Обычно – известно, – задается, – измеряется, – считается.