Лекции по физике. Оптика Поляризация света. Законы теплового излучения

2 Поляризация света Согласно теории Максвелла, свет представляет собой поперечные электромагнитные колебания. Возможны различные типы таких колебаний в зависимости от ориентации светового вектора – вектора напряжённости электрического поля Е

3 Поляризация света Если в волнах, составляющих световой пучок с одинаковой вероятностью встречаются различные направления светового вектора то такой свет называется естественным Если в световом пучке существует направление преимущественной ориентации светового вектора, то такой свет называется частично поляризованным

4 Поляризация света Из естественного света можно выделить волны, в которых колебания светового вектора происходят в одной плоскости. Такой свет называют плоскополяризованным или линейно поляризованным При сложении двух линейно-поляризованных колебаний в общем случае получается эллиптически поляризованная волна, частным случаем которой является циркулярно поляризованное колебание

5 Поляризация света В эллиптически поляризованной волне конец светового вектора описывает эллипс При циркулярной (круговой) поляризации конец светового вектора описывает окружность. Циркулярно поляризованную волну можно представить как сумму двух линейно поляризованных колебаний одинаковой амплитуды происходящих в перпендикулярных друг другу плоскостях и сдвинутых по фазе на угол ± /2

6 Поляризация света Различают правую и левую круговую и эллиптическую поляризации. В первом случае конец светового вектора вращается по часовой стрелке, а во втором случае против часовой стрелки

7 Поляризация света Степенью поляризации называется величина: где I max и I min – соответственно максимальная и минимальная интенсивности линейно поляризованных компонент волны Для естественного и циркулярно- поляризованного света Р=0, а для плоскополяризованного Р=1

8 Поляризация света Естественно поляризованный свет можно преобразовать в поляризованный с помощью поляризаторов – устройств, пропускающих колебания, имеющие преимущественное направление светового вектора В поляризаторах используют два эффекта: 1. Различие коэффициентов пропускания 2. Различие в отражении/преломлении колебаний с различной поляризацией

9 Поляризация света В качестве поляризаторов можно использовать естественные анизотропные кристаллы: исландский шпат, турмалин и др. В кристалле исландского шпата показатель преломления лучей с разной поляризацией различен (двулучепреломление), поэтому при прохождении сквозь кристалл происходит их пространственное разделение

10 Поляризация света Чтобы разделить лучи с разным состоянием поляризации используют не просто двулучепреломляющие кристаллы, а их комбинации – поляризационные призмы Призма Николя состоит из двух склеенных между собой кристаллов исландского шпата, определённой формы и кристаллографической ориентации. Один из лучей выводится в сторону благодаря полному внутреннему отражению от прослойки, соединяющей кристаллы

11 Поляризация света Кристаллы турмалина действуют иначе чем исландский шпат. Они имеют различный коэффициент поглощения лучей разной поляризации (дихроизм). Поэтому после прохождения кристалла интенсивность одного из лучей оказывается выше чем другого Можно изготовить полимерные материалы, обладающие таким же свойством

12 Изменение состояния поляризации при отражении/преломлении Установлено, что соотношение интенсивностей отражённых/преломлённых лучей на границе двух диэлектриков различно для волн различной поляризации Различают луч, поляризованный в плоскости падения и перпендикулярно к ней. В первом случае световой вектор лежит в плоскости, проходящей через перпендикуляр к поверхности раздела двух сред и падающий луч

13 Изменение состояния поляризации при отражении/преломлении Коэффициент отражения света, поляризованного перпендикулярно плоскости падения монотонно увеличивается с увеличением угла падения Коэффициент отражения света, поляризованного в плоскости падения достигает нуля при падении под углом Брюстера Б R R R Б

14 Поляризация света Величина угла Брюстера определяется соотношением: tg Б =n где n – относительный показатель преломления двух сред Изменение состояния поляризации при отражении/преломлении используется для создания поляризаторов света Стопа Столетова представляет собой 8-10 стеклянных пластинок устанавливаемых под углом Брюстера. Она даёт практически полную поляризацию падающего и прошедшего лучей

15 Закон Малюса Если на пути луча естественного света установить два поляризатора и исследовать зависимость интенсивности I прошедшего света от угла между осями поляризаторов, то можно получить закон Малюса: I=I 0 cos 2 где I 0 – интенсивность падающего света

16 Искусственная оптическая анизотропия Явление искусственной оптической анизотропии заключается в том, что оптически изотропные вещества становятся анизотропными в результате внешних воздействий: сжатия/растяжения, наложения электрического (эффект Керра) и магнитного полей

17 Вращение плоскости поляризации Некоторые вещества (сахар, кварц, скипидар и др.), называемые оптически активными обладают способностью поворачивать плоскость поляризации проходящего сквозь них света Величина угла поворота пропорциональна расстоянию d, пройденному светом в веществе и концентрации С раствора в случае растворов. Коэффициент пропорциональности называется удельным вращением

18 Вращение плоскости поляризации Для кристаллов и чистых жидкостей: = d Для растворов: = Сd Разделяют право- и левовращающие оптически активные вещества Под действием магнитного поля оптически неактивные вещества могут становиться оптически активными. Это явление называется эффектом Фарадея

19 Применение поляризации света Исследования в поляризованном свете имеют большое техническое значение На моделях деталей из материалов с искусственной анизотропией можно выявлять участки на которые приходится наибольшая нагрузка Поляризационные устройства позволяют управлять световыми потоками, записывать информацию, проводить оптические исследования и измерения физических параметров

20

21 Тепловое излучение Нагретые тела излучают электромагнитные волны. При достаточно высокой температуре тел (свыше С) наблюдается их свечение в видимом диапазоне Для каждого вещества характерна своя зависимость мощности излучения с единичной площади, отнесённая к частотному интервалу от частоты (или длины волны) – спектральная плотность энергетической светимости R

22 Тепловое излучение Эта величина зависит также от температуры R(,T) Каждое вещество обладает также характерной для него способностью поглощать падающее излучение. Это свойство характеризуется величиной спектральной поглощательной способности А(,T), показывающей какая доля мощности излучения падающего на единицу площади поглощается телом. Эта мощность так же должна быть отнесена к малому спектральному интервалу в пределах которого производится облучение

23 Тепловое излучение Как и R(,T) А(,T) зависит от частоты и температуры Абсолютно чёрное тело поглощает всё падающее на него излучение. Для него А(,T)=1 Моделью абсолютно чёрного тела может служить небольшое отверстие в теле, содержащем замкнутую полость

24 Законы теплового излучения В замкнутой системе нагретые тела должны находиться в равновесии со своим излучением. Из этого факта следует, что между способностью тел излучать и поглощать свет должно существовать фундаментальное соотношение (закон Кирхгофа): где r(,T) - спектральная плотность энергетической светимости абсолютно чёрного тела

25 Законы теплового излучения Согласно закону Стефана-Больцмана интегральная энергетическая светимость абсолютно чёрного тела R e пропорциональна четвёртой степени его термодинамической температуры: R e = T 4 где - постоянная Стефана-Больцмана Функция r(,T) – имеет максимум, положение которого зависит от температуры тела

26 Законы теплового излучения Согласно закону смещения Вина зависимость длины волны max, соответствующей максимуму функции r(,T), от температуры тела описывается формулой: max =b/T где b – постоянная Вина

27 Законы теплового излучения Используя термодинамический подход можно получить следующую формулу для функции r(,T) (Формула Рэлея-Джинса): (1) Эта формула показывает, что интегральная излучательная способность R e = т.к. интеграл от (1) расходится

28 Законы теплового излучения Выражение (1) находится в противоречии с опытными данными и с законом Стефана-Больцмана. Этот результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы» т.к. он показал, что в рамках классической физики невозможно объяснить законы теплового излучения

29

30