Хотя явление интерференции едва ли допускает какую-нибудь иную интерпретацию, кроме как на базе волновой теории, всеобщее признание этой теории встретилось с двумя трудностями, которые, как мы видели, Ньютон считал решающими аргументами против нее: во-первых, прямолинейное распространение света в общем случае и, во-вторых, природу явления поляризации. Первая трудность была преодолена в рамках самой волновой теории, когда она достигла достаточного уровня развития: было установлено; что волны «огибают углы», но лишь в областях порядка длины волны. Поскольку последние в случае света чрезвычайно малы, то невооруженному глазу представляется, что тени имеют резкие границы, а лучи ограничены прямыми линиями. Лишь очень точные наблюдения позволяют заметить интерференционные полосы дифрагирующего света, параллельные границам тени.
Честь создания теории дифракции принадлежит Френелю, позднее - Кирхгофу (1882 г.), а в дальнейшем - Зоммерфельду (1895 г.). Они математически проанализировали эти тонкие явления и определили пределы, в которых применимо понятие луча света.
Вторая трудность связана с явлениями, обусловленными поляризацией света. Выше, говоря о волнах, мы всегда имели в виду продольные волны, подобные известным звуковым волнам. Действительно, звуковая волна состоит из периодических уплотнений и разрежений, при которых отдельные частицы воздуха движутся взад-вперед в направлении распространения волны.
Поперечные волны, конечно, тоже были известны: примером могут служить волны на поверхности воды или колебания растянутой струны, в которых частицы колеблются под прямым углом к направлению распространения волны. Но в этих случаях мы имеем дело не с волнами внутри вещества, а либо с явлениями на поверхности (волны на воде), либо с движениями целых конфигураций (колебание струны). Ни наблюдения, ни теория распространения волн в упругих твердых телах еще не были тогда известны. Этим объясняется кажущийся нам странным факт, что признание оптических волн как поперечных колебаний потребовало столь долгого времени. В самом деле примечательно, что толчком к развитию механики твердых упругих тел послужили опыты и концепции, связанные с динамикой невесомого и неосязаемого эфира.
Выше (стр. 91) мы объяснили, в чем состоит природа поляризации. Два луча, исходящие из двоякопреломляющего кристалла исландского шпата, ведут себя при прохождении через второй такой кристалл не как лучи обыкновенного света; именно, вместо пары одинаково интенсивных лучей они дают два луча неравной интенсивности, один из которых при определенных условиях может даже полностью исчезать.
В обычном, «естественном» свете различные направления в плоскости волны, т. е. в плоскости, перпендикулярной направлению луча, равноправны, или эквивалентны (фиг. 62). В луче же поляризованного света, например в одном из лучей, получающихся при двойном преломлении в кристалле исландского шпата, это уже не так. Малюс обнаружил (1808 г.), что поляризация - это особенность, присущая не только лучам света, претерпевшего двойное преломление в кристалле; это свойство можно получить и при простом отражении. Он смотрел сквозь пластинку из кристалла исландского шпата на отражающееся в окне заходящее солнце. Поворачивая свой кристалл, он заметил, что интенсивность двух изображений солнца меняется. Этого не происходит, если смотреть сквозь такой кристалл непосредственно на солнце. Брюстер (1815 г.) показал, что свет, отраженный от стеклянной пластинки под определенным углом, отражается от второй такой пластинки в различной мере, если последнюю поворачивать вокруг падающего луча (фиг. 63). Плоскость, перпендикулярная поверхности зеркала, в которой лежат падающие и отраженные лучи, называется плоскостью падения.
Фиг. 62. В луче естественного света ни одно направление, перпендикулярное плоскости распространения, не предпочтительнее другого.
Говоря, что отраженный луч поляризован в плоскости падения, имеют в виду не более чем тот факт, что такой луч ведет себя различным образом по отношению ко второму зеркалу в зависимости от того, в каком положении относительно друг друга находятся первая плоскость падения и вторая. Такие свойства корпускулярная теория не может объяснить, так как частицы света, падающие на стеклянную пластинку, должны либо проникать в пластинку, либо отражаться.
Два луча, исходящие из кристалла исландского шпата, поляризованы в перпендикулярных друг другу направлениях. Если направить их под соответствующим углом на зеркало, то один из них не будет отражаться совсем, тогда как другой будет отражаться полностью.
Френель и Араго выполнили решающий эксперимент (1816 г.), сделав попытку получить интерференционную картину от двух таких лучей, поляризованных перпендикулярно друг другу. Их попытка оказалась безуспешной. Отсюда Френель и Юнг (1817 г.) сделали окончательный вывод, что световые колебания должны быть поперечными.
Фиг. 63. К опыту по поляризации. Если поворачивать первую или вторую пластинку вокруг падающего луча как оси, интенсивность отраженного луча меняется.
По сути дела это заключение сразу делает понятным необычное поведение поляризованного света. Колебания частиц эфира осуществляются не в направлении распространения волны, а в плоскости, перпендикулярной этому направлению, - в плоскости волны (фиг. 62). Но всякое движение точки в плоскости можно рассматривать как состоящее из двух движений в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Рассматривая кинематику точки (см. гл. II, § 3), мы видели, что ее движение определяется единственным образом заданием ее прямоугольных координат, изменяющихся в зависимости от времени. Далее очевидно, что двоякопреломляющий кристалл обладает способностью пропускать световые колебания с двумя различными скоростями в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Отсюда, согласно принципу Гюйгенса, вытекает, что когда такие колебания проникают в кристалл, они испытывают различные отклонения или преломляются различным образом, т. е. разделяются в пространстве. Каждый выходящий из кристалла луч состоит, таким образом, лишь из колебаний в определенной плоскости, проходящей через направление луча, причем плоскости,
соответствующие каждому из двух выходящих лучей, взаимно перпендикулярны (фиг. 64). Два таких колебания, очевидно, не могут воздействовать друг на друга - они не могут интерферировать. Теперь, если поляризованный луч вновь попадает во второй кристалл, он пропускается без ослабления только в том случае, когда направление его колебаний имеет правильную ориентацию относительно кристалла - такую, в которой это колебание может распространяться без помех.
Фиг. 64. Два луча, полученные в результате двойного преломления, поляризованы перпендикулярно друг другу.
Фиг. 65. Отражение луча, падающего на поверхность под углом Брюстера. При определенном угле падения а отраженный луч оказывается поляризованным. Он несет колебания, происходящие лишь в одном направлении.
Во всех других положениях луч расщепляется на два, и интенсивность двух результирующих лучей изменяется в зависимости от ориентации второго кристалла.
Аналогичные условия имеют иместо и при отражении. Если отражение происходит под соответствующим углом, то из двух колебаний, одно из которых параллельно, а другое перпендикулярно к плоскости падения, отраженным оказывается лишь одно; другое проникает в зеркало, поглощаясь в случае металлического зеркала или проходя насквозь в случае стеклянной пластинки (фиг. 65). Какое из двух колебаний - перпендикулярное
или параллельное плоскости падения - оказывается отраженным, конечно, невозможно установить. (На фиг. 65 предполагается, что осуществляется второй вариант.) Однако этот вопрос об ориентации колебаний относительно плоскости падения или о направлении поляризации, как мы сейчас увидим, дал начало ряду глубоких исследований, теорий и дискуссий.
И О. Френель знали, что световые волны являются продольными, то есть они подобны волнам звуковым. В то время световые волны воспринимались как упругие волны в эфире, которые заполняют все пространство и проникают внутрь каждого тела. Казалось, волны не могут называться поперечными.
Но все же понемногу набиралось все больше экспериментальных доказательств и фактов, которые не удавалось объяснить, предполагая, что световые волны - продольные. Ведь поперечные волны могли существовать исключительно в твердых телах. Но как может тело двигаться в твердом эфире без сопротивления? Эфир же никак не должен тормозить движение тел. Ведь в противном случае не выполнялся бы.
Можно рассмотреть один простой и полезный эксперимент с кристаллом турмалина. Он прозрачен и имеет зеленую окраску.
У кристалла турмалина имеется Этот кристалл причисляют к одноосным кристаллам. Берется прямоугольная пластина турмалина, вырезается так, чтобы одна ее грань находилась параллельно к оси самого кристалла. Если пучок электрического или солнечного света направлять нормально на эту пластину, то вращение пластины вокруг него не вызовет изменений в интенсивности света, который через нее проходит. Возникает ощущение, что проходящий свет в турмалине поглотился частично и приобрел светло-зеленую окраску. Больше ничего не происходит. Но это ошибочно. Волна света приобретает новые свойства.
Их можно обнаружить, если пучок света пройдет через такой же второй кристалл турмалина, который находится параллельно первому. При одинаковом направлении осей двух кристаллов также ничего любопытного не происходит, только пучок света все больше ослабляется из-за поглощения, проходя через второй кристалл. Но при вращении второго кристалла, если при этом первый оставить неподвижно, обнаружится интересное явление под названием «гашение света». В процессе увеличения угла между двумя данными осями уменьшается насыщенность пучка проходящего света. Когда две оси перпендикулярны по отношению одна к другой, свет не может пройти вообще. Он будет полностью поглощаться вторым кристаллом. Как это объясняется?
Поперечность световых волн
Из описания фактов, показанных ранее, следует:
1. Во-первых, световая волна, которая идет от источника света, абсолютно симметрична по отношению к направлению, по которому происходит распространение. При обороте данного кристалла вокруг проходящего луча света при первом проведенном опыте его интенсивность не изменялась.
2. Во-вторых, волна, выходящая из первого кристалла, не будет обладать осевой симметричностью. Интенсивность проходящего света через другой кристалл зависит от его поворота.
Продольные волны отличаются полной симметрией относительно направления распространения. Колебания продольных волн происходят вдоль такого направления, это колебание и является волны. Именно поэтому пояснить опыт с вращением второго кристалла, считая волну света продольной, не представляется возможным: это - поперечные волны.
Можно в полной мере объяснить опыт, делая два предположения:
Предположение номер один относится непосредственно к свету: световые волны - поперечные волны. Но в падающем от источника света пучке световых волн присутствуют колебания различных направлений, которые перпендикулярны направлению, по которому происходит распространение такой волны. В данном случае, рассматривая такое предположение, можно сделать вывод, что волна света имеет в это же время являясь поперечной. К примеру, волны на водной поверхности подобной симметрии не имеют, потому что колебания частиц воды происходят исключительно в вертикальной плоскости.
Волны света с колебаниями в различных направлениях, которые перпендикулярны направлениям распространения, называются естественными. Это название является оправданным, потому что в стандартных условиях разные источники освещения создают именно такие волны. Это предположение объясняется результатами первого проведенного опыта. Вращение турмалинового кристалла не изменяет насыщенности проходящего пучка света, потому что данная падающая волна имеет осевую симметрию, даже несмотря на то, что она - поперечная волна.
Второе предположение относится к самому кристаллу. Турмалин обладает свойством пропускать волны света с колебаниями, которые происходят в определенной плоскости. Этот свет называется поляризованным (или плоскополяризованным). Он отличается от естественного, неполяризованного.
Данное предположение объясняется вторым опытом. Из первого кристалла турмалина выходит плоскополяризованный свет (волна). При скрещении кристаллов под углом девяносто градусов волна не может пройти сквозь второй из них. Если угол скрещения другой, то будут проходить которых будет равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первую пластину в направлении оси второй. Именно это и является доказательством теории о том, что световые волны - поперечные волны.
Поперечная волна - волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц среды (в случае упругой волны) или в которой лежат векторы электрического и магнитного поля (для электромагнитной волны).
К поперечным волнам относят, например, волны в струнах или упругих мембранах, когда смещения частиц в них происходят строго перпендикулярно направлению распространения волн, а также плоские однородные электромагнитные волны в изотропном диэлектрике или магнетике; в этом случае поперечные колебания совершают векторы электрического и магнитного полей.
Поперечная волна обладает поляризацией, т.е. вектор её амплитуды определённым образом ориентирован в поперечной плоскости. В частности, различают линейную, круговую и эллиптическую поляризации в зависимости от формы кривой, которую описывает конец вектора амплитуды. Понятие поперечной волны так же, как и продольной волны, до некоторой степени условно и связано со способом её описания. "Поперечность" и "продольность" волны определяются тем, какие величины реально наблюдаются. Так, плоская электромагнитная волна может описываться продольным Герца вектором. В ряде случаев разделение волн на продольные и поперечные вообще теряет смысл. Так, в гармонической волне на поверхности глубокой воды частицы среды совершают круговые движения в вертикальной плоскости, проходящей через волновой вектор , т.е. колебания частиц имеют как продольную, так и поперечную составляющие.
В 1809 году французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный его именем. В опытах Малюса свет последовательно пропускался через две одинаковые пластинки из турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). Пластинки могли поворачиваться друг относительно друга на угол φ
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos2 φ:
Явление Брюстера используется для создания поляризаторов света, а явление полного внутреннего отражения – для пространственной локализации световой волны внутри оптического волокна. Показатель преломления материала оптического волокна превышает показатель преломления окружающей среды (воздуха), поэтому световой луч внутри волокна испытывает на поверхности раздела волокно – среда полное внутреннее отражение и не может выйти за пределы волокна. С помощью оптического волокна можно послать луч света из одной точки пространства в другую по произвольной криволинейной траектории.
В настоящее время созданы технологии изготовления кварцевых волокон диаметром , которые практически не имеют внутренних и внешних дефектов, а их прочность не меньше прочности стали. При этом удалось снизить потери электромагнитного излучения в волокне до величины менее , а также существенно уменьшить дисперсию. Это позволило в 1988г. ввести в эксплуатацию волоконно-оптическую линию связи, соединившую по дну Атлантического океана Америку с Европой. Современные ВОЛС способны обеспечить скорость передачи информации свыше .
При большой интенсивности электромагнитной волны оптические характеристики среды, включая показатель преломления, перестают быть постоянными и становятся функциями электромагнитного излучения. Принцип суперпозиции для электромагнитных полей перестаёт выполняться, и среда называется нелинейной . В классической физике для описания нелинейных оптических эффектов используется модель ангармонического осциллятора . В этой модели потенциальную энергию атомного электрона записывают в виде ряда по степеням смещения x электрона относительно его положения равновесия
Ответим на вопросы: 1. На какие два типа делят все волны? 2. Какие волны называют продольными? 3. Какие волны называют поперечными? 4. Что колеблется в поперечной механической волне? 5. К какому типу волн относится звуковая волна? 6. Какому типу волн относится электромагнитная волна? Почему?
В 1865 году Максвелл, пришел к выводу, что свет - электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).
Естественный свет Свет – поперечная волна. В падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн. Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной.
Поляризованный свет Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости. Такой свет называется поляризованным или, точнее, плоскополяризованным в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным.
Поляроид Представляет собой тонкую (0.1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. Прозрачные пленки (полимерные, монокристаллические и др.), преобразующие неполяризованный свет в линейно поляризованный, т.к. пропускают свет только одного направления поляризации. Поляроиды изобретены американским ученым Э. Лэндом в 1932.
Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), можно убедиться в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рисунке они обозначены точками), в преломленном - колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).
Проверка на опытах поляризованности света, испускаемого различными источниками Жидкокристаллический монитор даёт поляризованный свет. При повороте поляризатора он ослабляется, при повороте на 90 полностью гасится. Поляризовано также излучение дисплея калькулятора. Поляризован свет дисплея мобильного телефона. Свет, отражённый от стекла, поляризован. Посмотрите на стекло через поляроид. Вращением поляроида добиваемся исчезновения бликов.
Поляризованный свет в природе Поляризован отраженный свет, блики, например, лежащие на поверхности воды, Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован. Многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Поляризован свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо.
Солнцезащитные поляризационные и антибликовые очки Безопасное вождение ночью, днем, в сумерки, туман и зимой. Поляризованные линзы снимают блики от лобового стекла, от мокрой дороги, от снега, защищают от фар встречных машин, снимают усталость, улучшают видимость в любую погоду. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.
Обнаружение напряжений в прозрачных телах (дефектоскопия): Если в прозрачном материале появляются напряжения (вызванные внутренними напряжениями или внешней нагрузкой), то материал начинает неоднородно поворачивать угол поляризации. Данный эффект в полимерах проявляется сильнее, чем в стекле. ОПЫТ: Зажмите прозрачную пластиковую коробку от CD-диска между двумя поляроидами. Свет испытывает неоднородную поляризацию, что проявляется в различной интенсивности проходящего через поляризаторы света, окрашиванием поля зрения в разные цвета в проходящем свете. При изгибе или сжатии коробки интенсивность проходящего света изменяется, изменяется и цвет прошедшего через поляроиды света. Так обнаруживают напряжения в прозрачных образцах.
Получение стереоизображения, стерео монитор Для получения эффекта объёма (стереоэффекта) необходимо показать каждому глазу свою картинку, так, как будто бы разные глаза смотрят на объект с разных ракурсов; всё остальное наш мозг достроит и рассчитает самостоятельно. В стерео мониторе чётные и нечётные строки пикселей на экране должны иметь разное направление поляризации света. Линзы очков – поляризаторы, повёрнутые друг относительно друга на 90 градусов – через одну линзу очков видны только чётные строки, а через другую нечётные. Каждый глаз увидит только ту картинку, которая предназначена для него, поэтому изображение становится объёмным.
Принцип действия ЖК-дисплеев Работа ЖК-дисплеев основана на явлении поляризации светового потока. Жидкие кристаллы - это органические вещества, способные под действием напряжения поворачиваться в электрическом поле. Жидкие кристаллы обладают анизотропией свойств. В частности, в зависимости от ориентации по-разному отражают и пропускают свет, поворачивают его плоскость поляризации. Панель на тонкопленочных транзисторах похожа на многослойный бутерброд. Слой жидких кристаллов находится между двумя поляризационными панелями. Напряжение заставляет кристаллы работать подобно затвору, блокируя или пропуская свет. Интенсивность света, прошедшего через поляризатор, зависит от напряжения.
Выводы: Кристалл турмалина (поляроид) преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Поляризация - одно из волновых свойств света. Различные источники света могут испускать как поляризованный, так и неполяризованный свет. При помощи поляроидов можно управлять интенсивностью света; Явление поляризации света встречается в природе, широко используется в современной технике. Свет – это поперечная волна.
