Лекция 11 Взаимодействие света с веществом Поляризация света

Лекция 11 Взаимодействие света с веществом. Поляризация света. 1. Дисперсия света. 2. Адсорбция. Поглощение света. Закон Бугера. 3. Поляризация света. 4. Закон Малюса. 5. Закон Брюстера.

Взаимодействие света с веществом • При взаимодействии света с веществом наблюдаются следующие явления – Изменение скорости света по сравнению с вакуумом – Поглощение света – Рассеяние света – Изменение состояния поляризации 2

1. Дисперсия света • Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от длины волны • Дисперсия света представляется в виде зависимости n=f( ) • Из-за дисперсии наблюдается преломление лучей с разной длинной волны под разными углами 3

Дисперсия света • Этот эффект используется для разложения светового пучка на монохроматические компоненты • Для разложения в спектр обычно используют призмы 4

Дисперсия света • В призме наибольшее отклонение испытывают фиолетовые лучи. Это связано с тем, что прозрачные вещества сильнее преломляют более коротковолновое излучение, чем длинноволновое (нормальная дисперсия) • Дисперсией вещества называется величина: 5

Дисперсия света • У прозрачных веществ показатель преломления n убывает с увеличением длины волны . Такая зависимость называется нормальной дисперсией • Вблизи областей поглощения наблюдается аномальная дисперсия когда n увеличивается с увеличением n 200 600 , нм 6

Электронная теория дисперсии • Согласно теории Максвелла показатель преломления связан с относительной диэлектрической проницаемостью и относительной магнитной проницаемостью среды: (1) • В (1) величины и необходимо определять для электромагнитных волн соответствующей частоты. Они будут иными чем при статических измерениях. В оптическом диапазоне =1 7

Электронная теория дисперсии • Объяснить зависимость величин n и от позволяет электронная теория дисперсии • В этой теории рассматривается взаимодействие электромагнитной волны с электронами вещества, которые представляются осцилляторами. Их взаимодействие описывается уравнениями колебаний 8

2. Адсорбция. Поглощение света. Закон Бугера. • Поглощением (адсорбцией) света называется уменьшение энергии световой волны при её распространении в среде • Энергия поглощённой световой волны преобразуется в другие виды энергии: тепловую, химическую и др. 12

Поглощение света • При прохождении тонкого слоя вещества dx, происходит изменение интенсивности света d. I пропорциональное самой интенсивности I и толщине слоя: d. I=- Idx (3) где - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы поглотителя и 13 внешних условий

Поглощение света • Интегрируя уравнение (3) можно получить зависимость интенсивности света от глубины проникновения (Закон Бугера-Ламберта-Бера): I=I 0 exp(- x) (4) где I 0 – начальная интенсивность света • Наибольший показатель поглощения (103 -105 см-1) наблюдается у металлов 14

Поглощение света • Различают следующие спектры поглощения: – Линейчатый. Наблюдается у разреженных газов. Представляет собой узкие линии поглощения – Полосатый спектр поглощения обычно наблюдается у молекул в конденсированном состоянии – Сплошной спектр поглощения наблюдается у конденсированных веществ. Он характеризуется отсутствием структуры 15

Поглощение света • Линейчатые и полосатые спектры поглощения являются характерными для определённых веществ. На этом основан метод спектрального анализа веществ • Анализ спектров поглощения позволяет так же исследовать процессы, происходящие в веществе и влияние на них внешних факторов 16

Рассеяние света • Особый случай представляет рассеяние на флуктуациях однородной среды. Оно особенно усиливается вблизи критической точки вещества • Ещё один вид представляет комбинационное рассеяние при котором происходит изменение длины волны света за счёт обмена энергией с колебательными движениями молекул 25

3. Поляризация света Естественный и поляризованный свет. Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряженности Е и магнитного Н полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости υ распространения волны (перпендикулярно лучу).

Естественный свет Электромагнитные волны поперечны Y Ey 0 Z X Hz Поляризованный свет Поляризация Y Поляризатор Анализатор Ey 0 X Z Плоскость поляризации

Типы поляризации Естественный свет Графическое изображение Y X – не когерентны Полностью поляризованный свет –когерентны Y Y Y X Линейная X Эллиптическая Y X Круговая X Линейная

4. Закон Малюса Прохождение естественного света через поляризатор Пропускается О О Плоскость поляризатора Поглощается

Закон Малюса Прохождение поляризованного света через анализатор О Пропускается Закон Малюса О Поглощается Степень поляризации 0 1

5. Закон Брюстера. Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух сред. Получить поляризованный свет из неполяризованного можно еще одним способом отражением. Когда свет падает на неметаллическую поверхность под любым углом, кроме прямого, отраженный луч оказывается плоско поляризованным преимущественно параллельно отражающей поверхности (рис. ). Иначе говоря, компонента с поляризацией в плоскости, Рис.

перпендикулярной отражающей поверхности, почти полностью проходит или поглощается. В этом можно убедиться, поворачивая поляроидные очки, когда вы смотрите в них на поверхность озера или дороги. Поскольку, большинство поверхностей под открытым небом горизонтальны, ось поляроидных очков направляют по вертикали, с тем, чтобы погасить самую интенсивную компоненту света и тем самым ослабить отблески. Это хорошо знают рыбаки, использующие поляроидные очки, чтобы избавиться от бликов на поверхности озера или реки и тем самым лучше видеть, что происходит под водой. Степень поляризации отраженного пучка зависит от угла: при нормальном падении свет полностью не поляризован, а при падении под углом, который называется углом полной поляризации Б, отраженный свет поляризован на 100%. Угол полной поляризации связан с показателями преломления сред по обе стороны границы их раздела соотношением (5. 2 а)

где п 1 показатель преломления среды, в которой распространяется луч, а n 2 показатель преломления среды, лежащей по другую сторону отражающей границы. Если свет распространяется в воздухе, то n 1 = 1, и (5. 2 б) Угол полной поляризации называют также углом Брюстера, а соотношение(5. 2 а) законом Брюстера в честь шотландского физика Дэвида Брюстера (1781 1868), открывшего экспериментально в 1812 г. Формулы могут быть получены на основе электромагнитной теории света. Интересно отметить, что при падении под углом Брюстера отраженный и преломленный лучи образуют угол 90°, т. е. Б + r = 90° (рис. 5. 1). В этом можно убедиться, подставив соотношение (5. 2 а) (п 2 = n 1 tg Б = n 1 sin Б/cos Б) в выражение для закона Снелля п 1 sin Б = n 2 sin r и получив равенство cos Б = sin r, которое справедливо только для Б = 90° Г.

5. 1 Свет, отраженный под углом 9 р, плоско поляри зован параллельно поверхно сти, и r = 90° , где r угол преломления. Б +

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), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при вращении 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 рис. 10. 8 они обозначены точками), в преломленном — колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке эти колебания изображены стрелками).

Рис. 10. 8 Степень поляризации отраженного и преломленного света при различных углах падения можно рассчитать из уравнений Максвелла, если учесть граничные условия для электромагнит ного поля на границе раздела двух изотропных диэлектриков (так называемые формулы Френеля).

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена путем многократного преломления при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера. Если, например, для стекла (п = 1, 53) степень поляризации преломленного луча составляет 10%, то после преломления на 8 10 наложенных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляризованным. Такая совокупность пластинок называется стопой. Стопа может служить для анализаполяризованного света как при его отражении, так и при его преломлении.

Закон Брюстера Поляризационные приборы Стопа Столетова Черное зеркало