Явление двойного лучепреломления

В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет сквозь кристалл исландского шпата, то при определенных положениях кристалла и предмета видны сразу два изображения предмета. Это явление назвали явлением двойного лучепреломления.

Объяснение природы этого явления дал в 1690 г. Христиан Гюйгенс в своей работе «Трактат о свете».

В современной трактовке объяснение природы явления следующее.

Свет, попадающий в двулучепреломляющее вещество, делится на два плоскополяризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча.

В общем случае эти лучи по-разному распространяются в различных направлениях.

Однако в любом двулучепреломляющем веществе существует одно или два направления, вдоль которых оба луча распространяются с одной скоростью.

Эти направления принято называть оптическими осями.
В зависимости от количества осей двулучепреломляющие вещества делят на одноосные и двуосные. Мы будем рассматривать только одноосные двулучепреломляющие вещества.

Важно отметить, что направления колебаний векторов Е плоскополяризованных лучей, возникающих внутри двулучепреломляющего вещества, всегда ориентированы определенным образом. У одного из них колебания вектора Е перпендикулярны плоскости, в которой лежат падающий луч и оптическая ось (эту плоскость принято называть главным сечением). У второго – параллельны главному сечению.

Скорости распространения этих лучей зависят от угла между вектором Е и оптической осью.

В луче с вектором Е, перпендикулярным главному сечению, угол между Е и оптической осью не зависит от угла падения луча. При любых углах падения вектор Е перпендикулярен оптической оси.

Это значит, что при любом угле падения он имеет одну и ту же скорость.

Поскольку скорость света в веществе связана с показателем преломления этого вещества, постольку показатель преломления двулучепреломляющего вещества для этого луча также не зависит от угла падения. Другими словами, этот луч ведет себя как в обыкновенной изотропной среде.

Поэтому его принято называть обыкновенным. Далее вектор Е обыкновенного луча будет обозначаться Е_о.

Второй луч называется необыкновенным, поскольку для него угол между направлением колебаний вектора Е_е (далее вектор Е необыкновенного луча будет обозначаться Е_е) и оптической осью зависит от угла падения (см. рисунок). Следовательно, при разных углах падения он распространяется с разной скоростью и имеет разный показатель преломления, что, в общем, необыкновенно.

Пусть на плоскопараллельную пластинку двулучепреломляющего вещества падает плоскополяризованный свет.

Будем считать, что луч света перпендикулярен поверхности пластинки, а плоскость колебаний вектора Е образует с оптической осью угол a = 45°.

В этом случае плоскость главного сечения перпендикулярна поверхности пластинки.

Внутри пластинки падающий луч разделится на два плоскополяризованных луча, один из которых поляризован перпендикулярно оптической оси (обыкновенный луч), а второй – параллельно (необыкновенный луч).

Естественно, что на входе в пластинку эти лучи будут синфазны.

Внутри пластинки показатели преломления для этих лучей имеют разные значения (n _oи n _e).

Значит, если обыкновенный и необыкновенный лучи пройдут внутри пластинки одинаковое расстояние (например, d – толщину пластинки), то они уже не будут синфазными. Они будут иметь разность фаз Dj, равную k _o(n_od – n_ed). Здесь k _o – волновое число для вакуума.

Если разность фаз лучей, выходящих из пластинки, будет кратна 2p, ориентация плоскости колебаний вектора Е не изменится. Свет за пластинкой будет поляризован так же, как перед ней.

Если разность фаз кратна нечетному числу p, плоскость колебаний вектора Е за пластинкой повернется на 90°, но свет по-прежнему будет плоскополяризованным.

Если разность фаз окажется равной p/2, то свет за пластинкой окажется поляризованным по кругу. Пластинки такой толщины называют четвертьволновыми.

Пропускание поляризованного по кругу света через вторую четвертьволновую пластинку приводит к добавке дополнительной разности фаз в p/2. Это вызовет превращение поляризованного по кругу света в плоскополяризованный, плоскость поляризации которого повернута на 90° по сравнению со светом, падающим на первую пластинку*.

Волновые поверхности обыкновенного и необыкновенного лучей имеют различную форму.

У обыкновенного луча это, естественно, сфера – обыкновенный луч во все стороны распространяется с одной скоростью.

У необыкновенного же волновая поверхность представляет собой эллипсоид – его скорость для разных направлений различна.

Поскольку вдоль оптической оси и обыкновенная, и необыкновенная световая волны распространяются с одной скоростью, в точках пересечения с оптической осью их волновые поверхности соприкасаются.

Рассмотрим естественную световую волну, падающую на поверхность кристаллической двулучепреломляющей пластинки.

Пусть оптическая ось пластинки параллельна поверхности пластинки.

Луч естественного света, попадая в точку А, возбуждает две вторичные световые волны – обыкновенную и необыкновенную.

Их фронты имеют вид, показанный на рисунке.

Лучи вторичных волн, возбужденных между точками А и В, перпендикулярны волновым поверхностям обыкновенной и необыкновенной волн, которые можно построить, проводя из точки В касательную к каждой волновой поверхности, образованной обыкновенным и необыкновенным лучами, прошедшими через точку А.

Из показанного на рисунке построения видно, что обыкновенная и необыкновенная волны распространяются внутри кристалла в разные стороны. На этом свойстве основан ряд методов получения поляризационных устройств – отсекая один из лучей (обыкновенный или необыкновенный), можно получить плоскополяризованный свет.

В заключение отметим, что двулучепреломляющими бывают кристаллические вещества, такие как кварц, исландский шпат.

Кроме этого, двулучепреломляющими могут быть вещества с несимметричными молекулами, ориентированными упорядочено вдоль какого-либо направления. Это могут быть жидкости и аморфные тела, в которых ориентация молекул возникает вследствие внешнего воздействия (механического напряжения, воздействия внешнего электрического или магнитного поля).

Квантовая механика

Кризис классической физики

В конце ХIХ в. в физике сложилась интересная ситуация. Ученые полагали, что стройное здание классической физики близко к завершению. Казалось, осталось объяснить некоторые незначительные эффекты… и развитие физики будет закончено.

Однако на рубеже ХIХ–ХХ вв. было сделано несколько открытий, которые не удавалось объяснить с позиции классической физики. Эти открытия породили кризис классической физики, который, в свою очередь, произвел революционный переворот в науке и вызвал появление квантовой физики.

Тепловое излучение

Тепловым называется электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии.

Тепловое излучение испускается всеми телами, температура которых отлична от абсолютного нуля.

Тепловое излучение представляет собой суперпозицию электромагнитных волн, длины которых лежат в широком диапазоне. Спектр теплового излучения непрерывен.

Спектральный состав теплового излучения зависит от температуры – чем выше температура тела, тем больше в нем доля коротковолнового излучения.

Вы прекрасно знаете, что раскаленные тела могут светиться. Это значит, что тепловое излучение такого тела содержит волны видимого диапазона.

Цвет свечения будет зависеть от температуры. Например, тело можно раскалить добела. Остывая, тело изменит цвет на красный, затем перестанет светиться вообще, хотя будет еще довольно горячим.

Тело перестанет светиться, но будет излучать энергию – вы можете ощущать тепло, идущее от него. Это значит, что тело излучает в инфракрасном диапазоне.

Более холодные тела в основном излучают в диапазоне, не воспринимаемом нашими органами чувств, поэтому мы его не ощущаем.