Iš Maksvelio lygčių išplaukia, kad elektromagnetinės bangos yra skersinės. E ir H statmeni v. E vektorius svyruoja E ir v plokštumoje Ši plokštuma vadinasi. - презентация

1 Iš Maksvelio lygčių išplaukia, kad elektromagnetinės bangos yra skersinės. E ir H statmeni v. E vektorius svyruoja E ir v plokštumoje Ši plokštuma vadinasi poliarizacijos plokštuma. Šviesą sudaro ne viena elektromagnetinė banga, o jų pluoštas. Paprastai natūralioje šviesoje, kurioje elektromagnetinės bangos sklinda ta pačia kryptimi, E vektorius svyruoja visomis kryptimis, statmenomis sklidimo krypčiai. Tokią šviesą, kurios vektorių E amplitudės visomis kryptimis yra vienodos, vadinama natūraliąja. Šviesos poliarizacija

2 Tačiau, jei nagrinėjamame šviesos pluošte vyrauja kurios nors krypties svyravimai, tai tokia šviesa yra vadinama iš dalies poliarizuota, o jei E vektorius svyruoja tik vienoje plokštumoje, – pilnai arba tiesiškai poliarizuota. Šviesos poliarizuotumo laipsnis vaizduojamas E vektorių projekcijomis, kai sklidimo kryptis yra statmena brėžiniui. Poliarizacijos laipsnis kiekybiškai nusakomas: Šviesos poliarizacija

3 Į bet kokių skaidrių dielektrikų skiriamąjį paviršių krintanti šviesa dalinai atsispindi, dalinai lūžta. Tiek lūžusioji, tiek atsispindėjusi šviesa yra dalinai poliarizuotos m. D. Briusteris nustatė dėsnį: šviesai krintant į dielektriką kampu, tenkinančiu sąlygą:, šviesa yra tiesiškai poliarizuota. Lūžusioji šviesa visada yra dalinai poliarizuota. Šviesos poliarizacija atspindint ir lūžtant skaidrių dielektrikų riboje

4 Šviesa poliarizuojama optinėmis sistemomis, vadinamomis poliarizatoriais. Paprasčiausias poliarizatorius yra turmalino kristalo plokštelė. Turmalinas yra vienas iš optiškai anizotropinių kristalų, jis gerai praleidžia tik vienos E-v plokštumos svyravimus. Šviesos poliarizacija

5 Pro poliarizatorių praėjusi šviesa yra tiesiškai poliarizuota. Jos intensyvumas sumažėja du kartus: Šios, tiesiškai poliarizuotos plokštelės kelyje pastatykime antrą tokią pat plokštelę, vadinamą analizatoriumi. Keičiant kampą tarp poliarizacijos plokštumos ir analizatoriaus optinės ašies, pro analizatorių praėjusios šviesos intensyvumas kinta pagal Maliu dėsnį: Šviesos poliarizacija

6 Optiškai anizotropinėmis aplinkomis sklindančios šviesos spindulys suskyla į du. Šis reiškinys vadinamas dvejopu šviesos lūžimu. Tokios savybės būdingos daugeliui kristalų (kvarcui, turmalinui, islandiškajam špatui ir kt.). Šviesos greitis juose priklauso ne tik nuo jos sklidimo krypties, bet ir nuo E vektoriaus orientacijos. Kryptys, išilgai kurių dvejopo šviesos lūžimo nebūna, vadinamos kristalo optinėmis ašimis. Jų gali būti viena arba kelios. Per optinę ašį ir krintantį spindulį išvesta plokštuma vadinama pagrindinio pjūvio plokštuma. Abu spinduliai yra poliarizuoti taip, kad jų E vektoriai svyruoja tarpusavyje statmenose plokštumose. Šviesos poliarizacija – dvejopas šviesos lūžimas

7 Paprastojo (ordinarinio – o) spindulio E vektorius svyruoja plokštumoje, statmenoje pagrindinio pjūvio plokštumai. Nepaprastojo (ekstraordinarinio – e) spindulio E vektorius svyruoja pagrindinio pjūvio plokštumoje. Dvejopas šviesos lūžimas reiškia, kad krintanti šviesos banga anizotropinėje aplinkoje sužadina dvi bangas – paprastąją ir nepaprastąją. Jos yra poliarizuotos ir sklinda skirtingais greičiais. Abiejų spindulių lūžimas priklauso nuo kampo tarp spindulio ir optinės ašies ir kritimo kampo. Šviesos poliarizacija – dvejopas šviesos lūžimas

8 Dvejopo šviesos lūžimo reiškinys naudojamas tiesiškai poliarizuotai šviesai gauti. Tam yra gaminamos Nikolio prizmės (nikoliai), kurios išpjaunamos iš islandiškojo špato ir suklijuojamos (jei norima gauti regimąją šviesą) Kanados balzamu. Paprastoji banga krinta į balzamo sluoksnį kampu, didesniu už ribinį visiško vidaus atspindžio kampą, ir nuo jo atsispindi (pašalinama). Prizmę pereina nepaprastoji tiesiškai poliarizuota banga. Paprastosios bangos lūžio rodiklis islandiškajame špate n=1.648, o nepaprastosios – n= Šviesos lūžio Kanados balzame rodiklis lygus n=1.55. Šviesos poliarizacija – dvejopas šviesos lūžimas

9 Per du nikolius perėjusios šviesos intensyvumas aprašomas Maliu dėsniu. Šviesos poliarizacija – dvejopas šviesos lūžimas

10 Optiškai izotopinės aplinkos (stiklas, skystis) gali tapti optiškai neizotopinėmis, t.y. šviesą dvejopai laužiančiomis, jei bus mechaniškai deformuojamos. Perleiskime monochromatinės šviesos spindulių pluoštą per sukryžiuotą nikolių P ir A sistemą. Tarp nikolių ar turmalino plokštelių įdėkime švino stiklo plokštelę. Kol plokštelė nesuspausta ar neištempta, regėjimo laukas tamsus. Suspaudus ar ištempus plokštelę, regėjimo laukas nušvinta. Atsiradusios optinės anizotropijos matas – paprastosios ir nepaprastosios bangų lūžio rodiklių skirtumas. Jis proporcingas normaliniam įtempimui σ: Šiuo optiniu metodu tiriama kūnų liekamoji deformacija ir vidiniai įtempimai. Šviesos poliarizacija – dirbtinė anizotropija (mechaninė)

11 Optiškai izotopinės aplinkos gali tapti optiškai neizotopinėmis, t.y. šviesą dvejopai laužiančiomis, jei bus veikiamos elektriniu lauku m. Keras nustatė, kad dujos, kai kurie skysčiai ir skaidrūs kieti dielektrikai tampa optiškai anizotropiniai stipriame elektriniame lauke. Tai vadinama Kero efektu. Tarp sukryžiuotų nikolių P ir A ar turmalino plokštelių dedamas indas su elektrodais ir tiriamuoju skysčiu. Kol elektrinio lauko nėra, regėjimo laukas tamsus. Sudarius tarp elektrodų įtampą, regėjimo laukas nušvinta. Šviesos poliarizacija – dirbtinė anizotropija (elektrinė)

12 Tiesiškai poliarizuotos šviesos E vektorius optiškai anizotropinėje išsiskaido į dvi statmenas viena kitai dedamąsias. Tokioje aplinkoje šių komponenčių greičiai skiriasi (viena atsilieka). Todėl, jei viena komponentė, praėjus tokį kristalą atsiliks per pusę bangos ilgio, atstojamoji poliarizacijos plokštuma bus pasisukusi per Atitinkamą kristalą (vadinamą elektrooptiniu) veikiant elektriniu lauku, galimą valdyti šviesos poliarizacijos plokštumos pasukimą. Tokį elektrooptinį elementą, patalpinus tarp poliarizatoriaus ir analizatoriaus, elektriniu lauku valdysime šviesos intensyvumą. Lūžio rodiklių skirtumas proporcingas elektrinio lauko stiprumo kvadratui Šviesos poliarizacija – dirbtinė anizotropija (elektrinė)

13 Šviesos poliarizacija – LCD monitoriai

14 Optiškai aktyvios medžiagos (kvarcas, terpentinas, nikotinas, cukraus ar spirito tirpalas vandenyje ir kt.) pasuka sklindančios šviesos poliarizacijos plokštumą. Šis reiškinys paaiškinamas molekulių sandaros ar dalelių išsidėstymo gardelėje asimetrija. Optiškai aktyvūs kristalai ir gryni skysčiai pasuka poliarizacijos plokštumą kampu, proporcingu medžiagos sluoksnio storiui:, koeficientas α vadinamas specifiniu sukimu. Specifinis sukimas skaitine verte lygus kampui, kuriuo pasukama poliarizacijos plokštuma per ilgio vienetą (1 m), ir priklauso nuo medžiagos prigimties, temperatūros ir šviesos bangos ilgio. Tirpalai pasuka poliarizacijos plokštumą kampu: α – tirpalo specifinis sukimas, c – jo koncentracija (m 3 /kg). Šiuo metodu nustatoma optiškai aktyvių medžiagų koncentracija. Šviesos poliarizacija – poliarizacijos plokštumos sukimas

15 Optiškai neaktyvios medžiagos tampa aktyviomis magnetiniame lauke. Tai – vadinamas Faradėjaus reiškinys. Plokštumos posūkio kampas priklausantis nuo magnetinio lauko stiprumo H, medžiagos sluoksnio storio l išilgai magnetinio lauko: čia V – Verdė daugiklis, priklausantis nuo medžiagos prigimties ir šviesos bangos ilgio. Šviesos poliarizacija – poliarizacijos plokštumos sukimas

16 Medžiaga sklindanti šviesa ją įšildo, t.y. pakelia jos temperatūrą. Tai reiškia, kad šviesos bangos energija sklindant medžiaga virsta jos vidine energija. Kitaip tariant medžiaga palaipsniui sugeria šviesos energija, kurios intensyvumas tolygiai mažėja. Šis procesas vadinamas šviesos absorbcija. Jei visų ilgių bangos absorbuojamos vienodai, absorbcija vadinama paprastąja. Taip regimąją šviesa absorbuoja oras, vanduo, stiklas. Jei kai kurių ilgių bangos absorbuojamos labai stipriai, tokia absorbcija vadinama selektyviąja. Šiuo atveju atskiros spektro dalys gali būti visiškai sugertos ir perėjęs medžiagą baltos šviesos spindulys tampa spalvotas. Šviesos sugertis

17 Paimkime vienalytį kūną, kuriame sklinda I 0 intensyvumo šviesos spindulys. Perėjęs storį dx intensyvumas sumažėja dydžiu - dI. Intensyvumo sumažėjimą galime išreikšti: - čia - absorbcijos koeficientas. Kiekviename dx storio sluoksnyje sugeriama tokia pat dalis bendro intensyvumo, atėjusio iki kiekvieno sluoksnio. Lygtį galime perrašyti: suintegruojame per visą storį: Kadangi pradžioje intensyvumas I 0. O praėjęs atstumą x, spindulio intensyvumas sumažės iki I. Todėl integralas bus lygus: arba: Šviesos sugertis

18 Išlogaritmavę: Gauname: Šis, monochromatinės šviesos absorbcijos medžiagoje, dėsnis vadinamas Bugerio-Lamberto dėsniu. Iš Bugerio-Lamberto dėsnio galime išvesti a prasmę: absorbcijos koeficientas skaitine verte yra lygus atvirkštiniam medžiagos sluoksnio storiui, kurį perėjusios šviesos intensyvumas sumažėja e kartų. Jis priklauso nuo: medžiagos prigimties, jos būsenos ir šviesos bangos ilgio. Tačiau nepriklauso nuo: medžiagos storio ir intensyvumo.

19 Šviesos sugertis Šviesos sugertis tirpaluose aprašoma modifikuotu Bugerio-Lamberto dėsniu: čia: - ištirpintos medžiagos koncentracija, - koeficientas, priklausantis nuo ištirpintos medžiagos savybių ir šviesos bangos ilgio.

20 Šviesos sugertis Absorbcijos koeficiento priklausomybė nuo šviesos bangos ilgio vadinama medžiagos absorbcijos spektru. Jis gali būti linijinis arba ištisinis. Linijiniu absorbciniu spektru pasižymi praretintos vienatomės dujos. Šiuo atveju visuose bangos ilgiuose, išskyrus sutampančiuose su elektronų rezonansiniais dažniais, yra lygus nuliui. Tik labai siauruose bangos ilgių (dažnių) intervaluose ( ~ 0.1 nm) stebima ryški sugertis. Tokia absorbcija dar vadinama atrankine arba selektyviąja.

21 Šviesos sugertis Pagal linijinį absorbcijos spektrą nustatoma dujų elementinė sudėtis:

22 Šviesos sugertis Dujos, kurių molekulės sudarytos iš daugelio atomų, pasižymi juostiniais absorbcijos spektrais. Juostos gaunasi susiliejus keletui artimų absorbcijos linijų. Juostų struktūra priklauso nuo molekulių sudėties bei atomų išsidėstymo molekulėje. Iš absorbcijos spektro galime atpažinti medžiagos sudėtį bei spręsti apie jos struktūrines savybes. Ypač paplitusi infraraudonųjų spindulių absorbcinė spektrinė analizė, nes absorbciją infraraudonojoje srityje sąlygoja medžiagos atomų bei jonų priverstiniai svyravimai, veikiant šviesai.

23 Šviesos sugertis Kondensuotų medžiagų (suslėgtų dujų, skysčių bei kietų kūnų) absorbcijos spektrai yra ištisiniai. Jie sudaryti iš plačių absorbcijos juostų, kurių ribose α kinta tolygiai. Dydžio α priklausomybė nuo bangos dažnio paaiškinama šviesą sugeriančios medžiagos spalva. Pavyzdžiui, balta šviesa apšviesta plėvelė, kuri sugeria visas, išskyrus raudonosios šviesos, bangas, praėjusioje šviesoje atrodo raudona. Šis reiškinys panaudojamas absorbcinių šviesos filtrų gamybai.

24 Šviesos sklaida Kai šviesa sklinda optiškai nevienalyte aplinka, dėl šviesos difrakcijos jos intensyvumas visomis kryptimis pasiskirsto tolydžiai. Šis reiškinys vadinamas šviesos sklaida. Šviesos sklaida nuo medžiagos dalelių, kurių spindulys r yra labai mažas, palyginti su šviesos bangos ilgiu λ, vadinamas Tindalio efektu. Jis pasireiškia drumstose aplinkose, pavyzdžiui, dūmuose, rūke, emulsijoje ir kitur. Šviesa, sąveikaudama su maža priemaišinės medžiagos dalele sukelia joje antrinius virpesius, kurie spinduliuoja antrines šviesos bangas kaip elektriniai dipoliai. Toks vienas dipolis virpa krintančios šviesos dažniu. Antrinių bangų spinduliavimo intensyvumas dipoliui yra proporcingas 4. Todėl išsklaidytai šviesai galioja Reilio dėsnis: jei šviesą sklaidančių dalelių matmenys yra daug mažesni už krintančios į ją šviesos bangos ilgį λ, tai išsklaidytos šviesos intensyvumas I yra atvirkščiai proporcingas bangos ilgiui ketvirtuoju laipsniu, t.y.

25 Šviesos sklaida Dėl to, baltai šviesai praėjus pro drumstą aplinką, išsklaidytoje šviesoje dominuoja trumpabangė (mėlynai žydra) šviesa, o praėjusioje – ilgabangė (geltonai raudona) šviesa. Tuo paaiškinamas dangaus melsvumas ir tekančios bei besileidžiančios Saulės geltonai rausva spalva.

26 Šviesos sklaida Kiekvienos medžiagos molekulės chaotiškai juda. Todėl mažuose tūriuose medžiagos tankis fliuktuoja. Tokio pobūdžio aplinkos nevienalytiškumo sukeliama šviesos sklaida vadinama molekuline. Fliuktuacinių medžiagos nevienalytiškumo sričių matmenys yra daug mažesni už šviesos bangos ilgį, todėl molekulinei sklaidai tinka Reilio dėsnis.