Aunque el fenómeno de la interferencia apenas admite otra interpretación que la basada en la teoría ondulatoria, la aceptación generalizada de esta teoría encontró dos dificultades, que, como hemos visto, Newton consideró los argumentos decisivos en su contra: primero, la propagación rectilínea de la luz en el caso general y, en segundo lugar, la naturaleza del fenómeno de polarización. La primera dificultad se superó en el marco de la propia teoría ondulatoria, cuando alcanzó nivel suficiente desarrollo: se encontró; que las ondas "dan la vuelta a las esquinas", pero sólo en regiones del orden de la longitud de onda. Dado que estos últimos son extremadamente pequeños en el caso de la luz, a simple vista parece que las sombras tienen límites definidos y los rayos están limitados por líneas rectas. Solo observaciones muy precisas permiten notar las franjas de interferencia de la luz difractada paralelas a los límites de la sombra.
El honor de crear la teoría de la difracción pertenece a Fresnel, más tarde a Kirchhoff (1882) y más tarde a Sommerfeld (1895). Analizaron matemáticamente estos fenómenos sutiles y determinaron los límites dentro de los cuales es aplicable el concepto de rayo de luz.
La segunda dificultad está relacionada con los fenómenos provocados por la polarización de la luz. Arriba, cuando hablamos de olas, siempre quisimos decir ondas longitudinales similar a las conocidas ondas sonoras. De hecho, una onda de sonido consiste en compactación y rarefacción periódicas, en las que las partículas de aire individuales se mueven hacia adelante y hacia atrás en la dirección de propagación de la onda.
Las ondas transversales, por supuesto, también se conocían: un ejemplo son las ondas en la superficie del agua o las vibraciones de una cuerda estirada, en las que las partículas vibran en ángulo recto con la dirección de propagación de las ondas. Pero en estos casos no se trata de ondas dentro de la materia, sino de fenómenos en la superficie (ondas en el agua) o de movimientos de configuraciones enteras (vibración de una cuerda). Ni la observación ni la teoría de la propagación de ondas en elástico sólidos entonces aún no se conocían. Esto explica el hecho aparentemente extraño de que el reconocimiento de las ondas ópticas como vibraciones transversales haya llevado tanto tiempo. De hecho, es de destacar que el ímpetu para el desarrollo de la mecánica de los cuerpos rígidos elásticos fue la experiencia y los conceptos asociados con la dinámica de un éter ingrávido e intangible.
Arriba (p. 91) explicamos cuál es la naturaleza de la polarización. Dos rayos que emanan de un cristal birrefringente de espato islandés se comportan, al pasar a través de un segundo cristal, no como rayos de luz ordinaria; es decir, en lugar de un par de rayos igualmente intensos, dan dos rayos de intensidad desigual, uno de los cuales, en determinadas condiciones, puede incluso desaparecer por completo.
En la luz "natural" ordinaria, las diferentes direcciones en el plano de la onda, es decir, en el plano perpendicular a la dirección del haz, son iguales o equivalentes (Fig. 62). En un rayo de luz polarizada, por ejemplo, en uno de los rayos producidos por doble refracción en un cristal de espato islandés, este ya no es el caso. Malus descubrió (1808) que la polarización es una característica inherente no solo a los rayos de luz que experimentan doble refracción en un cristal; esta propiedad también se puede obtener por simple reflexión. Contempló a través del cristal de mástil islandés el sol poniente reflejado en la ventana. Al girar su cristal, notó que la intensidad de las dos imágenes del sol estaba cambiando. Esto no sucede si miras a través de un cristal de este tipo directamente al sol. Brewster (1815) mostró que la luz reflejada por una placa de vidrio en un cierto ángulo se refleja en una segunda placa de este tipo en una extensión diferente si esta última gira alrededor del haz incidente (Fig. 63). El plano perpendicular a la superficie del espejo, en el que se encuentran los rayos incidentes y reflejados, se denomina plano de incidencia.
HIGO. 62. En un rayo de luz natural, ninguna dirección perpendicular al plano de propagación es preferible a la otra.
Cuando decimos que el haz reflejado está polarizado en el plano de incidencia, no queremos decir más que el hecho de que dicho rayo se comporta de manera diferente con respecto al segundo espejo, dependiendo de la posición en la que se encuentren el primer plano de incidencia y el segundo. en relación con los demás. La teoría corpuscular no puede explicar tales propiedades, ya que las partículas de luz que caen sobre la placa de vidrio deben penetrar en la placa o reflejarse.
Los dos rayos que emanan del cristal del mástil islandés están polarizados en direcciones perpendiculares entre sí. Si los dirige en el ángulo apropiado al espejo, uno de ellos no se reflejará en absoluto, mientras que el otro se reflejará por completo.
Fresnel y Arago realizaron un experimento decisivo (1816), intentando obtener un patrón de interferencia de dos de estos haces polarizados perpendicularmente entre sí. Su intento no tuvo éxito. A partir de esto, Fresnel y Jung (1817) llegaron a la conclusión final de que las oscilaciones de la luz deberían ser transversales.
HIGO. 63. Al experimento de polarización. Si gira la primera o la segunda placa alrededor del rayo incidente como un eje, la intensidad del rayo reflejado cambia.
De hecho, esta conclusión deja en claro inmediatamente el comportamiento inusual de la luz polarizada. Las oscilaciones de las partículas de éter no se llevan a cabo en la dirección de propagación de la onda, sino en un plano perpendicular a esta dirección, en el plano de la onda (Fig. 62). Pero cualquier movimiento de un punto en un plano puede considerarse que consta de dos movimientos en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Considerando la cinemática de un punto (ver Capítulo II, § 3), vimos que su movimiento se determina únicamente especificando su coordenadas rectangulares variando con el tiempo. Además, es obvio que un cristal birrefringente tiene la capacidad de transmitir vibraciones de luz a dos velocidades diferentes en dos direcciones mutuamente perpendiculares. De esto, según el principio de Huygens, se deduce que cuando tales vibraciones penetran en el cristal, experimentan diferentes deflexiones o se refractan de diferentes formas, es decir, se separan en el espacio. Cada rayo que emerge del cristal, por lo tanto, consiste solo en vibraciones en un cierto plano que pasa a través de la dirección del rayo, y el plano
correspondientes a cada uno de los dos rayos salientes son mutuamente perpendiculares (Fig. 64). Obviamente, dos de esas vibraciones no pueden influirse entre sí, no pueden interferir. Ahora, si el haz polarizado golpea el segundo cristal nuevamente, se transmite sin atenuación solo si la dirección de sus oscilaciones tiene la orientación correcta con respecto al cristal, de modo que esta oscilación se pueda propagar sin interferencia.
HIGO. 64. Dos haces obtenidos como resultado de la doble refracción están polarizados perpendiculares entre sí.
HIGO. 65. Reflexión de un rayo que cae sobre la superficie en el ángulo de Brewster. A un cierto ángulo de incidencia a, el haz reflejado resulta polarizado. Lleva vibraciones en una sola dirección.
En todas las demás posiciones, el rayo se divide en dos y la intensidad de los dos rayos resultantes cambia según la orientación del segundo cristal.
Se aplican condiciones similares a la reflexión. Si la reflexión ocurre en un ángulo apropiado, entonces de las dos vibraciones, una de las cuales es paralela y la otra perpendicular al plano de incidencia, solo se refleja una; el otro penetra en el espejo, siendo absorbido en el caso de un espejo de metal o atravesado en el caso de una placa de vidrio (Fig. 65). ¿Cuál de las dos vibraciones es perpendicular?
o paralelo al plano de incidencia - resulta que se refleja, por supuesto, es imposible de establecer. (En la Fig.65 se asume que se realiza la segunda opción.) Sin embargo, esta cuestión de la orientación de las oscilaciones con respecto al plano de incidencia o la dirección de polarización, como veremos ahora, dio lugar a una serie de de estudios, teorías y discusiones profundas.
Y O. Fresnel sabía que las ondas de luz son longitudinales, es decir, son similares a las ondas de sonido. En ese momento, las ondas de luz se percibían como ondas elásticas en el éter, que llenan todo el espacio y penetran en todos los cuerpos. Parecía que las olas no podían llamarse transversales.
Pero aún así, poco a poco, se fueron recolectando cada vez más evidencias y hechos experimentales que no pudieron ser explicados, asumiendo que las ondas de luz son longitudinales. Después de todo ondas de corte podría existir exclusivamente en sólidos. Pero, ¿cómo puede un cuerpo moverse en éter sólido sin resistencia? El éter, sin embargo, no debe obstaculizar el movimiento de los cuerpos de ninguna manera. De lo contrario, no se cumpliría.
Se puede considerar un experimento simple y útil con un cristal de turmalina. Es transparente y de color verde.
El cristal de turmalina tiene Este cristal se considera cristales uniaxiales. Se toma una placa rectangular de turmalina, recortada de manera que una de sus caras quede paralela al eje del propio cristal. Si un rayo de luz solar o eléctrico se dirige normalmente a esta placa, la rotación de la placa a su alrededor no provocará cambios en la intensidad de la luz que la atraviesa. Existe la sensación de que la luz transmitida en la turmalina se absorbe parcialmente y adquiere un color verde claro. No pasa nada más. Pero esto está mal. La onda de luz adquiere nuevas propiedades.
Pueden detectarse si un rayo de luz atraviesa el mismo segundo cristal de turmalina, que es paralelo al primero. Con la misma dirección de los ejes de los dos cristales tampoco pasa nada interesante, solo el haz de luz se atenúa cada vez más por absorción, pasando por el segundo cristal. Pero cuando el segundo cristal gira, si el primero se deja inmóvil, se descubrirá un fenómeno interesante llamado "extinción de la luz". En el proceso de aumentar el ángulo entre estos dos ejes, la saturación del haz de luz transmitida disminuye. Cuando dos ejes son perpendiculares entre sí, la luz no puede pasar en absoluto. Será absorbido completamente por el segundo cristal. ¿Cómo se explica esto?
Ondas de luz transversales
De la descripción de los hechos mostrada anteriormente, se sigue:
1. Primero, la onda de luz que proviene de la fuente de luz es absolutamente simétrica con respecto a la dirección en la que se propaga. Cuando un cristal dado se hizo girar alrededor de un haz de luz transmitida durante el primer experimento, su intensidad no cambió.
2. En segundo lugar, la onda que emerge del primer cristal no tendrá simetría axial. La intensidad de la luz que atraviesa otro cristal depende de su rotación.
Las ondas longitudinales son completamente simétricas con respecto a la dirección de propagación. Las oscilaciones de ondas longitudinales ocurren a lo largo de esta dirección, esta oscilación es una onda. Por eso no es posible explicar el experimento con la rotación del segundo cristal, considerando que la onda de luz es longitudinal, no es posible: son ondas transversales.
La experiencia se puede explicar completamente haciendo dos suposiciones:
El supuesto número uno se relaciona directamente con la luz: las ondas de luz son ondas de corte. Pero en un haz de ondas de luz que inciden desde una fuente de luz, hay oscilaciones de varias direcciones, que son perpendiculares a la dirección en la que se propaga dicha onda. En este caso, considerando este supuesto, podemos concluir que la onda de luz tiene al mismo tiempo ser transversal. Por ejemplo, olas en superficie del agua no tienen tal simetría, porque las vibraciones de las partículas de agua ocurren exclusivamente en el plano vertical.
Las ondas de luz con fluctuaciones en diferentes direcciones, que son perpendiculares a las direcciones de propagación, se denominan naturales. Este nombre está justificado porque en condiciones estándar diferentes fuentes de luz crean tales ondas. Esta suposición se explica por los resultados del primer experimento realizado. La rotación del cristal de turmalina no cambia la saturación del haz de luz transmitida, porque esta onda incidente tiene simetría axial, aunque sea una onda transversal.
La segunda suposición se aplica al cristal en sí. La turmalina tiene la propiedad de transmitir ondas de luz con vibraciones que ocurren en un plano determinado. Esta luz se llama polarizada (o polarizada plana). Es diferente al natural, no polarizado.
Esta suposición se explica por el segundo experimento. La luz plana polarizada (onda) emerge del primer cristal de turmalina. Cuando los cristales se cruzan en un ángulo de noventa grados, la onda no puede atravesar el segundo. Si el ángulo de cruce es diferente, pasarán lo que será igual a la proyección de la amplitud de la onda que ha pasado por la primera placa en la dirección del segundo eje. Esto es precisamente lo que prueba la teoría de que las ondas de luz son ondas transversales.
Onda transversal- una onda que se propaga en una dirección perpendicular al plano en el que se producen las oscilaciones de las partículas del medio (en el caso de una onda elástica) o en el que los vectores de la electricidad y campo magnético(para una onda electromagnética).
Las ondas transversales incluyen, por ejemplo, ondas en cuerdas o membranas elásticas, cuando los desplazamientos de partículas en ellas ocurren estrictamente perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, así como ondas electromagnéticas planas uniformes en un dieléctrico o imán isotrópico; en este caso, las oscilaciones transversales son realizadas por los vectores de los campos eléctrico y magnético.
La onda transversal está polarizada, es decir el vector de su amplitud está orientado de cierta manera en el plano transversal. En particular, se hace una distinción entre polarizaciones lineales, circulares y elípticas dependiendo de la forma de la curva, que se describe por el final del vector de amplitud. El concepto de onda transversal, como una onda longitudinal, es hasta cierto punto arbitrario y está relacionado con la forma en que se describe. La "transversal" y la "longitudinal" de la onda están determinadas por las cantidades que se observan realmente. Por tanto, una onda electromagnética plana puede describirse mediante un vector Hertz longitudinal. En varios casos, la división de ondas en longitudinales y transversales pierde completamente su significado. Entonces, en una onda armónica en la superficie de aguas profundas, las partículas del medio hacen movimientos circulares en el plano vertical pasando por el vector de onda, es decir. las vibraciones de las partículas tienen componentes tanto longitudinales como transversales.
En 1809, el ingeniero francés E. Malus descubrió la ley que lleva su nombre. En los experimentos de Malus, la luz pasó sucesivamente a través de dos placas de turmalina idénticas (transparentes sustancia cristalina color verdoso). Las placas podrían girar entre sí en un ángulo φ
La intensidad de la luz transmitida resultó ser directamente proporcional a cos2 φ:
El fenómeno de Brewster se utiliza para crear polarizadores de luz, y el fenómeno de la reflexión interna total se utiliza para la localización espacial de una onda de luz dentro de una fibra óptica. El índice de refracción del material de fibra óptica es más alto que el índice de refracción. medio ambiente(aire), por lo que el haz de luz dentro de la fibra experimenta una reflexión interna total en la interfaz fibra-medio y no puede ir más allá de la fibra. Con la ayuda de fibra óptica, puede enviar un haz de luz de un punto en el espacio a otro a lo largo de una trayectoria curva arbitraria.
En la actualidad se han desarrollado tecnologías para la fabricación de fibras de cuarzo con un diámetro que prácticamente no tiene defectos internos y externos, y su resistencia no es menor que la del acero. Al mismo tiempo, fue posible reducir las pérdidas. radiación electromagnética en la fibra a un valor menor, y también reducir significativamente la dispersión. Esto permitió en 1988. poner en funcionamiento una línea de comunicación de fibra óptica conectada a lo largo de la parte inferior océano Atlántico América con Europa. Las líneas de comunicación de fibra óptica modernas son capaces de proporcionar velocidades de transferencia de información superiores.
A una alta intensidad de la onda electromagnética, las características ópticas del medio, incluido el índice de refracción, dejan de ser constantes y pasan a ser funciones de la radiación electromagnética. El principio de superposición de campos electromagnéticos deja de ser válido y el medio se llama no lineal... En física clásica, el modelo se utiliza para describir efectos ópticos no lineales. oscilador anarmonico... En este modelo, la energía potencial de un electrón atómico se escribe como una serie de potencias del desplazamiento x de un electrón en relación con su posición de equilibrio.
Respondamos las preguntas: 1. ¿En qué dos tipos se dividen todas las ondas? 2. ¿Qué ondas se llaman longitudinales? 3. ¿Qué ondas se llaman ondas de corte? 4. Qué fluctúa en el lateral onda mecánica? 5. ¿A qué tipo de ondas pertenece la onda de sonido? 6. ¿Qué tipo de ondas es la onda electromagnética? ¿Por qué?
En 1865, Maxwell concluyó que la luz es una onda electromagnética. Uno de los argumentos a favor de esta afirmación es la coincidencia de la velocidad ondas electromagnéticas, calculada teóricamente por Maxwell, con la velocidad de la luz determinada experimentalmente (en los experimentos de Roemer y Foucault).
Luz natural La luz es una onda cortante. En un haz de ondas que inciden desde una fuente ordinaria, hay oscilaciones de todas las direcciones posibles perpendiculares a la dirección de propagación de las ondas. Una onda de luz con vibraciones en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de propagación se llama natural.
El cristal de turmalina de luz polarizada tiene la capacidad de transmitir ondas de luz con vibraciones en un plano específico. Esta luz se denomina polarizada o, más precisamente, polarizada plana, a diferencia de la luz natural, que también puede denominarse no polarizada.
Polaroid Es una película fina (0,1 mm) de cristales de hepatita depositados sobre celuloide o placa de vidrio. Películas transparentes (polímero, monocristalino, etc.) que convierten la luz no polarizada en polarizada linealmente, porque transmite luz de una sola dirección de polarización. Los polaridos fueron inventados por el científico estadounidense E. Land en 1932.
Si la luz natural incide en la interfaz entre dos dieléctricos (por ejemplo, aire y vidrio), parte de ella se refleja y parte se refracta y se propaga en el segundo medio. Al instalar un analizador (por ejemplo, turmalina) en el camino de los rayos reflejados y refractados, puede asegurarse de que los rayos reflejados y refractados estén parcialmente polarizados: cuando gira el analizador alrededor de los rayos, la intensidad de la luz aumenta y disminuye periódicamente. (¡no se observa una extinción completa!). Otros estudios demostraron que el haz reflejado está dominado por vibraciones perpendiculares al plano de incidencia (en la figura están indicadas por puntos), en el refractado - vibraciones paralelas al plano de incidencia (mostradas por flechas).
Prueba experimental de la polarización de la luz emitida por diversas fuentes Un monitor LCD produce luz polarizada. Cuando se gira el polarizador, se debilita, cuando se gira 90, se apaga por completo. La radiación de la pantalla de la calculadora también está polarizada. La luz de la pantalla del teléfono móvil está polarizada. La luz reflejada por el vidrio está polarizada. Mira el cristal a través de la polaroid. Al girar la polaroid conseguimos la desaparición del deslumbramiento.
Luz polarizada en la naturaleza La luz reflejada está polarizada, deslumbramiento, por ejemplo, que se encuentra en la superficie del agua, La luz dispersa del cielo no es más que luz del sol que ha sufrido múltiples reflejos de moléculas de aire, refractadas en gotas de agua o cristales de hielo. Por lo tanto, en cierta dirección del Sol, está polarizado. Muchos insectos, a diferencia de los humanos, ven la polarización de la luz. Las abejas y las hormigas, no peores que los vikingos, usan esta habilidad para navegar cuando el Sol está cubierto por nubes. La luz de algunos objetos astronómicos está polarizada. La mayoría ejemplo famoso- La Nebulosa del Cangrejo en la constelación de Tauro. Algunos tipos de escarabajos que poseen lustre metálico, convierten la luz reflejada en su espalda en polarización circular. Este es el nombre de la luz polarizada, cuyo plano de polarización se retuerce en el espacio helicoidalmente, hacia la izquierda o hacia la derecha.
Gafas de sol polarizadas y antirreflectantes Conducción segura durante la noche, el día, el crepúsculo, la niebla y el invierno. Los lentes polarizados eliminan el resplandor del parabrisas, de una carretera mojada, de la nieve, protegen de los faros del tráfico que se aproxima, alivian la fatiga y mejoran la visibilidad en cualquier clima. Son indispensables para los exploradores polares que constantemente tienen que mirar el deslumbrante reflejo de los rayos del sol desde un campo de nieve helada.
Detección de tensiones en cuerpos transparentes (detección de defectos): si aparecen tensiones en el material transparente (provocadas por tensiones internas o carga externa), entonces el material comienza a rotar el ángulo de polarización de manera no homogénea. Este efecto es más pronunciado en polímeros que en vidrio. EXPERIENCIA: Pellizca el transparente caja de plástico de un CD entre dos polaroids. La luz sufre una polarización no uniforme, que se manifiesta en diferentes intensidades de luz que pasan a través de los polarizadores, coloreando el campo de visión en Colores diferentes en luz transmitida. Cuando la caja se dobla o se aprieta, la intensidad de la luz transmitida cambia y el color de la luz transmitida a través de las polaroides también cambia. Así es como se detectan las tensiones en muestras transparentes.
Recepción de una imagen estéreo, monitor estéreo Para obtener un efecto de volumen (efecto estéreo), es necesario mostrar a cada ojo su propia imagen, como si diferentes ojos estuvieran mirando un objeto desde diferentes ángulos; todo lo demás nuestro cerebro completará y calculará por sí solo. En un monitor estéreo, las líneas pares e impares de píxeles en la pantalla deben tener una dirección diferente de polarización de la luz. Las lentes de las gafas son polarizadores rotados entre sí en 90 grados; solo las líneas pares son visibles a través de una lente de las gafas y las líneas impares a través de la otra. Cada ojo verá solo la imagen que está destinada a él, por lo que la imagen se vuelve tridimensional.
Principio de funcionamiento de las pantallas LCD El funcionamiento de las pantallas LCD se basa en el fenómeno de la polarización del flujo luminoso. Los cristales líquidos son sustancias orgánicas que, bajo la influencia del estrés, pueden rotar en campo eléctrico... Los cristales líquidos tienen propiedades de anisotropía. En particular, dependiendo de la orientación, la luz se refleja y se transmite de diferentes formas, su plano de polarización gira. El panel TFT es como un sándwich multicapa. La capa de cristal líquido se encuentra entre los dos paneles polarizadores. El voltaje hace que los cristales funcionen como un obturador, bloqueando o dejando pasar la luz. La intensidad de la luz que pasa a través del polarizador depende del voltaje.
Conclusiones: el cristal de turmalina (polaroid) convierte la luz natural en luz polarizada plana. La polarización es una de las propiedades ondulatorias de la luz. Varias fuentes de luz pueden emitir luz tanto polarizada como no polarizada. Con la ayuda de polaroides, puede controlar la intensidad de la luz; El fenómeno de la polarización de la luz ocurre en la naturaleza y se usa ampliamente en la tecnología moderna. La luz es una onda cortante.
