Сравнительный анализ параметров интерференции и дифракции

Явление	Условия
максимума	минимума
Интерференция	В разность хода укладывается четное число полуволн (целое число длин волн) k=0,1,2,3,…	В разность хода укладывается нечетное число полуволн k=0,1,2,3,…
Дифракция	Зоны Френеля	n=2k+1 Число зон Френеля нечетное k=0,1,2,3,…	n=2k Число зон Френеля четное k=0,1,2,3, …
Щель	Число зон Френеля нечетное k=1,2,3,…	Число зон Френеля четное k=1,2,3,…
Решетка	Условия главных максимумов k=0,1,2,3,…	Условия главных минимумов k=1,2,3,… Условия дополнительных минимумов k=0,1,2,3,… Количество дополнительных минимумов N−1 N- число щелей

§2.3. Дисперсия света и спектральный анализ

 

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волны λ) света или зависимость скорости распространения υ световых волн от его частоты ν:

n=f(λ)

Такая зависимость в той или иной мере свойственна всем веществам, но существуют среды с выраженной зависимостью n(λ) (диспергирующие вещества). По теории Максвелла , а для большинства веществ , (т.к. μ≈1) такая зависимость не должна существовать. Это противоречие устранила теория Лоренца, но полностью объясняется в квантовой теории.

 

Зависимость показателя преломления вещества от частоты означает, что одна и та же среда по-разному преломляет различные монохроматические лучи (т. е. лучи с различными значениями λ). Благодаря дисперсии луч белого света, проходящий через преломляющую среду, оказывается разложенным на различные монохроматические лучи (т.е. образуется дисперсионный спектр). Наиболее отчетливо дисперсионный спектр обнаруживается при преломлении света через призму. Так как угол отклонения света призмой зависит от n (), то лучи разных длин волн после прохождения призмы окажутся отклоненными на разные углы, т.е. пучок белого света за призмой разлагается в спектр. Это и наблюдал Ньютон, который впервые доказал, что белый свет состоит из смеси различных цветов.

Цвета, полученные разложением света в спектр, называются спектральными или чистыми, остальные – смешанными. Пары цветов, которые при смешивании дают белый свет, называются дополнительными: (например красный + сине-зеленый или оранжевый + синий дают белый свет).

Дисперсионные и дифракционные спектры широко используются при определении химического состава вещества (спектральный анализ).

Спектральный анализ – это метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на получении и исследовании спектров поглощения и испускания.

Внешний вид спектров может быть весьма разнообразным и зависит от свойства и химического состава источника света. Различают три основных типа спектров излучения: сплошные, линейчатые и полосатые.

В сплошном спектре представлены все цвета (длины волн), причем переход от одного цвета к другому совершается постепенно (непрерывно). Примером такого спектра может служить обыкновенная радуга.

Линейчатый спектр состоит из ряда резко очерченных цветных линий (так называемых эмиссионных линий), отделенных друг от друга широкими темными промежутками. Каждой линии соответствует одна определенная длина световой волны (точнее, очень узкий интервал длин волн). Полосатый спектр состоит из большого числа линий, расположенных так близко друг к другу, что они сливаются в виде отдельных полос.

Линейчатые спектры излучаются отдельными (не взаимодействующими друг с другом) возбужденными атомами или ионами.

Полосатые спектры излучаются отдельными возбужденными молекулами.

Сплошные спектры излучаются совокупностями многих взаимодействующих между собой молекулярных и атомных ионов.

Если свет от источника, дающий сплошной спектр, предварительно пропущен через разреженный газ (или пар), то на спектре появляются черные линии (или полосы), которые соответствуют линиям (или полосам) спектра излучения данного газа. Такого рода спектр (так называемый спектр поглощения) обусловлен тем, что газы поглощают идущие от источника свет на тех же длины волнах или точно те линии спектра, которые они сами излучают. Наглядно эту картину можно увидеть при наблюдениях солнечных спектров. Обычный солнечный спектр собой представляет спектр поглощения фотосферы - светящего диска солнца. Во время полных солнечных затмений, когда светящий диск солнца закрывается луной, появляется возможность наблюдать спектра хромосферы – атмосферы солнца. В одно мгновения исчезает непрерывный, цветной спектр с линиями поглощения и появляется на слабом, темном фоне, на месте линии поглощения яркие эмиссионные линии.

Для каждого химического элемента или иона (находящегося в состоянии разреженного газа или пара) характерен вполне определенный спектр излучения или поглощения (по числу спектральных линий, их цвету (длины волны) и взаимному расположению). Обнаружение спектральной линии того или иного химического элемента в каком-нибудь веществе или среде безоговорочно говорит о его присутствии в данной среде.

 

Поляризация света

Поляризацией света называется совокупность явлений волновой оптики, в которых проявляется поперечность электромагнитных (световых) волн.

Обычно рассматривается только электрический вектор Е (световой вектор) электромагнитной волны, т.к. при действии света на вещество основное значение (влияние) имеет именно эта составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Атомы излучают световые волны независимо друг от друга определенными порциями (короткими импульсами) которые называются волновыми цугами (длительностью около 10^-8с)

Свет, в котором направления колебания светового вектора (и, следовательно, магнитного вектора тоже) каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.

Свет называется плоскополяризованным (или линейно поляризованным), если колебания светового вектора происходят в определенной плоскости, называемой плоскостью поляризации (в некоторых книгах за плоскостью поляризации принимают плоскость колебания магнитного вектора).

Поляризаторы – устройства, пропускающие колебания только определенного направления (например, параллельные главной плоскости или оптической оси поляризатора), и таким образом поляризующие естественный свет. Они же могут быть и анализаторами, т.е. устройствами, определяющие характер и степень поляризации.. Если на анализатор падает частично поляризованный свет, то поворот анализатора вокруг луча сопровождается изменением интенсивности проходящего света от максимальной до минимальной

Степень поляризации определяется выражением:

где I_max и I_min -соответственно максимальная и минимальная интенсивность поляризованного света, пропускаемого анализатором.

Для естественного света I_max=I_min и Р=0.

Для плоско поляризованного света I_min=0 и Р=1.

На рисунке показано как естественный свет с интенсивностью I_e, проходя через поляризатор (кристалл турмалина), становится линейно поляризованным с интенсивностью I_п. Обозначая угол между осями поляризатора (РР) или анализатора (АА) (или между плоскостью поляризации света и осью анализатора) α, для выходящего из анализатора светового вектора получаем:

при α = 0, =

при α = π/2 = 0

где – световой вектор плоско поляризованного света после поляризатора

= · cos α, т.к. I~E²

I=I_п·cos² α закон Малюса (1810г.)

или

 

Глаз человека не отличает поляризованный свет от естественного

Поляризация света при отражении и преломлении

на границе двух диэлектриков

При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков отраженный и преломленный луч частично поляризуются.

В отраженном луче преобладают колебания перпендикулярные плоскости падения (на рисунке - точки), в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке - стрелки). Степень поляризации зависит от угла падения.

 

Если угол падения i удовлетворяет условию

tg i_B =n₂₁ =n₂ /n₁ (закон Брюстера, i_B – угол Брюстера),

то отраженный луч полностью поляризуется в плоскости перпендикулярной плоскости падения (плоскополяризованный свет), а преломленный луч поляризуется частично – в нем максимально преобладают колебания, параллельные плоскости падения. При этом отраженный и преломленный луч взаимно перпендикулярны.

Доказательство: т.к. tg i_B =sin i_B /cos i_B =n₂₁ =sin i_B /sin i₂,

значит cos i_B = sin i₂, следовательно i_B + i₂ =π/2, i_B′=i_B и

i_B′+i_B = π/2.