Поляризация при отражении и преломлении

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными . В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 135.1 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче — колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке они изображены двусторонними стрелками). Степень поляризации зависит от угла падения.

Обозначим через угол, удовлетворяющий условию

(135.1)

( — показатель преломления второй среды относительно первой). При угле падения равном отраженный луч полностью поляризован (он содержит только колебания, перпендикулярные к плоскости падения). Степень поляризации преломленного луча при угле падения, равном достигает наибольшего значения, однако этот луч остается поляризованным только частично.

Зако́н Брю́стера — закон оптики, выражающий связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, и его поляризация достигает наибольшего значения (но не 100 %, поскольку от границы отразится лишь часть света, поляризованного перпендикулярно к плоскости падения, а оставшаяся часть войдёт в состав преломлённого луча). Угол падения, при котором отражённый луч полностью поляризован, называется углом Брюстера ^[1]. При падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны. Закон Брюстера записывается в виде:

где — показатель преломления второй среды относительно первой, а — угол падения (угол Брюстера).

Фо́рмулы Френе́ля определяют амплитуды и интенсивности преломлённой и отражённой электромагнитной волны при прохождении через плоскую границу раздела двух сред с разными показателями преломления. Названы в честь Огюста Френеля, французского физика, который их вывел. Отражение света, описываемое формулами Френеля, называется френелевским отражением.

12. Прохождение света через линейные фазовые пластинки. Пpохождение поляpизованого света чеpез анизотpопные сpеды. Двойное лучепреломление.

Прохождение света через анизотропную среду

Поперечность ЭМВ. Вектора , и - образуют правовинтовую тройку. Направление распространения не является осью симметрии ЭМВ.

Для обнаружения асимметрии, т.е. поляризованности волн, может служить какая-то асимметричная система, в частности, анизотропное вещество - кристалл, атомы которого располагаются в виде пространственной решетки так, что его свойства по различным направлениям оказываются различными.

^ Прохождение света через турмалин

	Интенсивность наибольшая, если оси пластинок совпадают, и свет полностью задерживается, если оси перпендикулярны. Опыт показывает, что , a - угол между осями пластинок.
	Интенсивность меньше в два раза, не меняется при повороте
	Линейно- или плоскополяризованный свет

Терминология: направление колебаний электрического вектора называют плоскостью колебаний поляризованного света, а плоскость, в которой расположен магнитный вектор, иногда называют плоскостью поляризации (дань истории).

Отличие турмалина от исландского шпата заключается в том, что в турмалине, который является, также как и исландский шпат, двоякопреломляющим кристаллом, один из преломленных лучей полностью поглощается в самом кристалле, поэтому имеем дело только с одним линейно-поляризованным лучом.

Поляризацию при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков можно изучать с помощью анизотропного кристалла.

, ,

Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропныхсредах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен датским учёным Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).

Поляриза́тор —- устройство, предназначенное для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольным состоянием поляризации^[1]. В соответствии с типом поляризации, получаемой с помощью поляризаторов, они делятся на линейные и круговые. Линейные поляризаторы позволяют получать плоскополяризованный свет, круговые — свет, поляризованный по кругу.

Линейные поляризаторы основаны на использовании одного из трёх физических явлений. Одно из них — двойное лучепреломление, другое — линейный дихроизм и третье — поляризация света, происходящая при отражении на границах раздела сред. Круговые поляризаторы обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки

13. Искусственная оптическая анизотропия. Фотоупругость. Циркулярная фазовая анизотропия. Электрооптические и магнитооптические эффекты.

Анизотропи́я (от др.-греч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) —различиесвойств среды(например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломлен я,скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.

В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.Частный случай анизотропии — ортотропия (от др.-греч. ὀρθός — прямой и τρόπος — направление) — неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям.

Фотоупругость, фотоэластический эффект, пьезооптический эффект — возникновение оптическойанизотропии в первоначально изотропных твёрдых телах (в том числе полимерах) под действием механических напряжений. Открыта Т. И. Зеебеком (1813) и Д. Брюстером (1816). Фотоупругость является следствием зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации и проявляется в видедвойного лучепреломления и дихроизма, возникающих под действием механических нагрузок. При одноосном растяжении или сжатии изотропное тело приобретает свойства оптически одноосного кристалла с оптической осью, параллельной оси растяжения или сжатия (см. Кристаллооптика). При более сложных деформациях, например при двустороннем растяжении, образец становится оптически двухосным.

Поляризационные эффекты, связанные с циркулярной (круговой) фазовой анизотропией, еще более сложны для понимания, чем рассмотренные выше проявления линейного двулучепреломления. Следствием циркулярной фазовой анизотропии является разная скорость распространения электромагнитных волн с правой и левой циркулярной поляризацией. Такой анизотропией обладают кристаллические вещества, например, кварц, вырезанный перпендикулярно оптической оси[29]. Особенно ярко проявляется циркулярная анизотропия в органических и биоорганических веществах, молекулы которых обладают спиральной конфигурацией и поэтому по-разному поляризуются право- и левоциркулярно поляризованным свет. Наконец, циркулярную поляризационную анизотропию в веществе можно создать внешним магнитным полем, о чем речь пойдет ниже.

В средах с циркулярной фазовой анизотропией скорость лево- и правоциркулярно поляризованного света различна. Это приводит к эффекту поворота направления колебаний электрического вектора линейно поляризованного света. Почему это происходит?

Прежде всего, отметим, что линейно поляризованную волну можно рассматривать как суперпозицию (сумму) двух циркулярно поляризованных волн с одинаковыми амплитудами и противоположными направлениями вращения электрического вектора. Если скорость распространения право- и левоциркулярно поляризованного света одинаково, то форма поляризации света не изменяется: в любой точке вдоль направления распространения волны поляризация остается линейной с одним и тем же самым направлением колебаний электрического вектора.

Пусть теперь скорость этих компонентов различна, например, левоциркулярно поляризованная волна отстает от правоциркулярно поляризованной. Результатом сложения циркулярно поляризованных волн в этом случае является линейно поляризованная волна с другим направлением колебаний электрического вектора. Другими словами, имеет место поворот направления колебаний электрического вектора. Чем больше путь, пройденный волной в такой среде, тем больше угол поворота азимута линейной поляризации[30].

Эффект поворота азимута линейной или эллиптической поляризации в среде с циркулярной фазовой анизотропией по традиции называет ЭЛЕКТРООПТИ́ЧЕСКИЙ ЭФФЕ́КТ, изменение оптических свойств — показателя преломления, формы иориентировки оптической индикатрисы (см. ИНДИКАТРИСА) — под действием электрического поля. ся оптической активностью.

Магнитооптический эффект (эффект Фарадея)

Анизотропия оптических свойств может быть вызвана воздействием на вещество внешнего магнитного поля (магнитооптический эффект). Если вещество поместить в однородное магнитное поле с напряженностью и пропустить вдоль линий напряженности линейно-поляризованное излучение, то на выходе из вещества плоскость поляризации окажется повернутой на угол :

14. Поглощение и дисперсия волн. Дисперсия света. Области нормальной и аномальной дисперсии. Элементарная теория дисперсии света.

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества отчастоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее

Аномальная диспе́рсия — вид дисперсии света, при которой показатель преломления среды уменьшается с увеличением частоты световых колебаний.

,

где — показатель преломления среды,

— частота волны.

Нормальная дисперсия характеризуется монотонным уменьшением показателя преломления с увеличением длины волны. В противном случае дисперсия называется аномальной. Обычно она наблюдается в пределах линий полос поглощения вещества.

15. Оптический эффект Доплера и его применение.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Эффект назван в честь австрийского физика К. Доплера.

· Доплеровский радар — радар, измеряющий изменение частоты сигнала, отражённого от объекта. По изменению частоты вычисляется радиальная составляющая скорости объекта (проекция скорости на прямую, проходящую через объект и радар). Доплеровские радары могут применяться в самых разных областях: для определения скорости летательных аппаратов, кораблей, автомобилей, гидрометеоров (например, облаков), морских и речных течений, а также других объектов.

Доказательство вращения Земли вокруг Солнца с помощью эффекта Доплера.

· Астрономия:

· По смещению линий спектра определяют радиальную скоростьдвижения звёзд, галактик и других небесных тел. В астрономии принято называть радиальную скорость небесных светил лучевой скоростью. С помощью эффекта Доплера по спектру небесных телопределяется их лучевая скорость. Изменение длин волн световых колебаний приводит к тому, что все спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону длинных волн, если лучевая скорость его направлена от наблюдателя (красное смещение), и в сторону коротких, если направление лучевой скорости — к наблюдателю (фиолетовое смещение). Если скорость источника мала по сравнению со скоростью света (~300 000 км/с), то в нерелятивистском приближении лучевая скорость равна скорости света, умноженной на изменение длины волны любой спектральной линии и делённой на длину волны этой же линии в неподвижном источнике.

· По увеличению ширины линий спектра можно измерить температуру фотосферы звёзд. Уширение линий при повышении температуры обусловлено увеличением скорости хаотического теплового движения излучающих или поглощающих атомов в газе.

· Бесконтактное измерение скорости потока жидкости или газа. С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей и газов. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию волн ультразвука или оптического излучения (Оптические расходомеры) на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа в жидкости).

· Охранные сигнализации. Для обнаружения движущихся объектов.

· Определение координат. В спутниковой системе Коспас-Сарсат координаты аварийного передатчика на земле определяются спутником по принятому от него радиосигналу, используя эффект Доплера

16. Излучение нагретых тел. Тепловое излучение. Основные понятия и определения. Спектральные характеристики теплового излучения.

Спектральный состав излучения отдельных возбужденных атомов представляет собой набор сравнительно узких линий. Это значит, что излучаемый разреженными газами или парами свет концентрируется в узких спектральных интервалах вблизи определенных частот, характерных для атомов каждого сорта.

Тепловое излучение. Совсем иной вид имеет спектр излучения твердых и жидких тел, нагретых до высокой температуры. В этом излучении, называемом тепловым, присутствуют электромагнитные волны всех частот из очень широкого диапазона, т. е. его спектр является сплошным.

Чтобы получить представление о характере теплового излучения, рассмотрим несколько тел, нагретых до различной температуры и помещенных в замкнутую полость, внутренние стенки которой полностью отражают падающее на них излучение. Опыт показывает, что такая система, в соответствии с положениямитермодинамики, рано или поздно приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую температуру. Так происходит и в том случае, если внутри полости будет абсолютный вакуум и тела могут обмениваться энергией только путем

излучения и поглощения электромагнитных волн. Это позволяет применить при изучении такой системызаконы термодинамики.

В равновесии все тела в единицу времени поглощают столько же энергии электромагнитных волн, сколько излучают, а плотность энергии излучения, заполняющего полость, достигает некоторой определенной величины, соответствующей установившейся температуре. Такое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным или черным излучением. Не только плотность энергии, т. е. полная энергия единицы объема, но и спектральный состав равновесного излучения, заполняющего полость, зависит только от температуры и совершенно не зависит от свойств тел, находящихся в полости.

Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела^[1]. Имеет сплошной спектр, максимум которого зависит от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра. Тепловое излучение испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера и белый карлик^[1][2].

17. Абсолютно черное тело. Законы излучения абсолютно черного тела: Стефана-Больцмана, Вина.

бсолютно чёрное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.^[1] Таким образом для абсолютно чёрного тела поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающего излучения) равна 1 при излучениях всех частот, направлений распространения и поляризаций.^[2][3]

Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Первый закон излучения Вина [править | править вики-текст]

В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:

·

где u _ν — плотность энергии излучения,

ν — частота излучения,

T — температура излучающего тела,

f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.

Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана — Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.

Исторически именно первый закон Вина назывался законом смещения, но в настоящее время термином «закон смещения Вина» называют закон максимума.

Второй закон излучения Вина [править | править вики-текст]

В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон:

где C ₁, C ₂ — константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина.

Позже Макс Планк показал, что второй закон Вина следует из закона Планка для больших энергий квантов, а также нашёл постоянные C ₁ и C ₂. С учётом этого, второй закон Вина можно записать в виде:

где h — постоянная Планка,

k — постоянная Больцмана,

c — скорость света в вакууме.

18. Формула Релея-Джинса и ультрафиолетовая катастрофа. Квантовое объяснение законов теплового излучения и формула Планка.

Закон Рэлея — Джинса — закон излучения для равновесной плотности излучения и дляиспускательной способности абсолютно чёрного тела, который получили Рэлей и Джинс в рамках классической статистики (теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы и представление об электромагнитном поле как о бесконечномерной динамической системе).^[1][2][3]

Правильно описывал низкочастотную часть спектра, при средних частотах приводил к резкому расхождению с экспериментом, а при высоких — к абсурдному результату (см. ниже), означавшему неудовлетворительность классической физики.

Зная связь испускательной способности абсолютно чёрного тела с равновесной плотностью энергии теплового излучения , для находим:

.

Выражения (3) и (4) называют формулой Рэлея — Джинса.

Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения (спектральной плотности энергетической светимости) абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком для плотности энергии излучения :

19. Давление света. Квантовое объяснение давления света. Фотоэффект. Масса и импульс фотона. Эффект Комптона.

Давление света

давление, производимое светом на отражающие илипоглощающие тела. Д. с. впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым (1899).

Фотоэффе́кт, Фотоэлектрический эффект — испускание электроноввеществом под действием света (или любого другого электромагнитного излучения). В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

С квантовой точки зрения давление света на поверхность обусловлено тем, что при соударении с этой поверхностью каждый фотон передает ей свой импульс. Так как фотон может двигаться только со скоростью света в вакууме, то отражение света от поверхности тела следует рассматривать как процесс «переизлучения» фотонов - падающий фотон поглощается поверхностью, а затем вновь излучается ею с противоположным направлением импульса.

ледовательно, величина импульса есть:

,

20. Корпускулярно-волновой дуализм света. Соотношения неопределенностей как проявление корпускулярно - волнового дуализма свойств вещества.

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм (или Ква́нтово-волново́й дуали́зм) —принцип, согласно которому любой физический объект может быть описан как с использованием математического аппарата, основанного на волновых уравнениях, так и с помощью формализма, основанного на представлении об объекте как о частице или как о системе частиц. В частности, волновоеуравнение Шрёдингера не накладывает ограничений на массу описываемых им частиц, и следовательно, любой частице, как микро-, так и макро-, может быть поставлена в соответствие волна де Бройля. В этом смысле любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные (квантовые) свойства^[1].

21. Волновые свойства микpочастиц. Гипотеза де Бpойля. Опыты Девиссона и Джеpмеpа. Дифpакция микрочастиц.

Поиск по сайту: