Лекции по физике. Оптика. Элементы квантовой механики, страница 6

I_расс ~ 1/⁴. (2)

Эта зависимость носит название закона Релея.

Рассеяние света наблюдается также и в чистых средах, не содержащих посторонних частиц. Например, оно может происходить на флуктуациях (случайных отклонениях) плотности, анизотропии или концентрации. Такое рассеяние называют молекулярным. Оно объясняет, например, голубой цвет неба. Действительно, согласно (2) голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем красные и желтые, т.к. имеют меньшую длину волны, обуславливая тем самым голубой цвет неба.

6.4. Дисперсия света

Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости света в среде от его частоты v.

Так как v=с/n, то дисперсией света можно назвать также зависимость показателя преломления n среды от частоты v световой волны.

Наиболее отчетливо дисперсия света проявляется при прохождении белого света через призму. За призмой лучи белого света окажутся разложенными на составляющие цвета – в спектр. Полученный спектр называют призматическим, в отличии от дифракционного спектра, даваемого дифракционной решеткой.

С огласно электронной теории дисперсии свет «раскачивает» электроны в атомах, причем сильнее всего "раскачивает" в том случае, когда частота световой волны близка к собственной частоте колебаний электрона в среде v₀, т.е. в случае резонанса.

Степень взаимодействия света с веществом, а, следовательно, и скорость распространения света зависит от близости к резонансу, т.е. от v-v₀, а также от параметра  – характеризующего затухание свободных колебаний электрона.

Согласно электронной теории дисперсии справедлива следующая приближенная формула для показателя преломления

, (3)

где A=2Ne²/m, где N – концентрация атомов; e, m – заряд и масса электрона.

На рис. 2 приведен график зависимости n от v

при  = 0 (штриховая линия) и с учетом  (сплошная линия). Области А и С, для которых с увеличением частоты v показатель преломления возрастает, называются областями нормальной дисперсии, т.е для них

или (4)

Область В, для которой с увеличением частоты v показатель преломления уменьшается, называется областью аномальной дисперсии, т.е. для нее

или (5)

В области аномальной дисперсии поглощение света очень велико.

6.5. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса

В лекции 2 было показано, что световые волны являются поперечными: векторы напряженности электрического и магнитного поля взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости , распространяющейся волны, т.е. колеблются перпендикулярно лучу.

Опыт показывает, что при взаимодействии света с веществом основное действие (физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и др.) вызывается колебаниями вектора , который в связи с этим иногда называют световым вектором. Поэтому для описания закономерностей поляризации света следят за поведением вектора .

Плоскость, образованная векторами и , называется плоскостью поляризации.

Если колебания вектора происходят в одной фиксированной плоскости, то такой свет (луч) называется линейно-поляризованным [cм. рис. 2 во второй лекции]. Его условно обозначают так . Если луч поляризован в перпендикулярной плоскости (в плоскости хоz, см. рис. 2 во второй лекции), то его обозначают .

Естественный свет (от обычных источников, солнца), состоит из волн, имеющих различные, хаотически распределенные плоскости поляризации (см. рис. 3).

Е стественный свет иногда условно обозначают так. Его называют также неполяризованным.

Если при распространении волны вектор поворачивается и при этом конец вектора описывает окружность, то такой свет называется поляризованным по кругу, а поляризацию – круговой или циркулярной (правой или левой). Существует также эллиптическая поляризация.

Существуют оптические устройства (пленки, пластины и т.д.) – поляризаторы, которые из естественного света выделяют линейно поляризованный свет или частично поляризованный свет.

Поляризаторы, использующиеся для анализа поляризации света называются анализаторами.

Плоскостью поляризатора (или анализатора) называется плоскость поляризации света, пропускаемого поляризатором (или анализатором).

Пусть на поляризатор (или анализатор) падает линейно поляризованный свет с амплитудой Е₀. Амплитуда прошедшего света будет равна Е=Е₀сos, а интенсивность I=I₀сos².

Эта формула выражает закон Малюса:

Интенсивность линейно поляризованного света, прошедшего анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла  между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью анализатора.

6.6. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера

Если угол падения света на границу раздела двух прозрачных диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (плоскость рисунка). В преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (см. рис.5). Поляризацию объясняет электромагнитная теория Максвелла.

Закон Брюстера: отраженный свет полностью линейно поляризован при угле падения _Бр, удовлетворяющем условию

tg _Бр=n₂/n₁. (7)

При этом преломленный свет поляризован не полностью и угол между отраженным и преломленным лучами равен 90.

6.7. Двойное лучепреломление

В большинстве кристаллов наблюдается двойное лучепреломление – падающий луч раздваивается в кристалле на два преломленных луча. Один из лучей, который подчиняется закону преломления, называется обыкновенным, обозначается о. Другой луч не следует из закона преломления. Его называют необыкновенным лучом, обозначают е. Обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях, они имеют различные скорости распространения и, следовательно, различные показатели преломления n_о и n_е. Двойное лучепреломление объясняется оптической анизотропией вещества.

6.8. Искусственная оптическая анизотропия. Вращение плоскости поляризации.

При одностороннем сжатии или растяжении стеклянной пластинки возникает двойное лучепреломление. При этом

n_о- n_е=k₁, (8)

где  =F/S – механическое напряжение, k₁ – постоянная, зависящая от свойств вещества.

Таким образом, оптически изотропное вещество под влиянием механической деформации становится анизотропным (явление фотоупругости).

Керр обнаружил, что жидкий или твердый изотропный диэлектрик, помещенный в однородное электрическое поле с напряженностью Е становится оптически анизотропным (эффект Керра), при этом

n_о- n_е=k₂Е², (9)

где k₂ – постоянная, зависящая от свойств вещества.

Некоторые вещества (например кварц, водный раствор сахара, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации при прохождении линейно поляризованного света. Угол поворота

=l, (10)

где  – постоянная вращения, зависящая от свойств вещества, l – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе.

Фарадей обнаружил вращение плоскости поляризации в постоянном магнитном поле с напряженностью Н, когда свет распространяется вдоль магнитного поля

=VНl, (11)

где V – постоянная Верде, зависящая от свойств вещества, l – длина пути света в веществе.

Заключение к лекциям 2-6

Изученные выше явления интерференции, дифракции, поляризации света и дисперсии света подтвердили волновую природу света, т.е. что свет представляет собой электромагнитные волны.

II. Квантовые свойства электромагнитного излучения

Лекция 7. Тепловое излучение и его характеристики

7.1. Равновесное тепловое излучение

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телами за счет их внутренней энергии.

В этом случае энергия внутренних хаотических тепловых движений частиц непрерывно переходит в энергию испускаемого электромагнитного излучения.

В обычных условиях, при комнатной температуре (Т=300К), тепловое излучение тел происходит в инфракрасном диапазоне длин волн ( = 10мкм), недоступным зрительному восприятию глаза. С увеличением температуры светимость тел быстро возрастает, а длины волн смещаются в более коротковолновую область. Если температура достигает тысяч градусов, то тела начинают излучать в видимом диапазоне длин волн ( = 0.40.8мкм).

Нагретое тело за счет теплового излучения отдает внутреннюю энергию и охлаждается до температуры окружающих тел. В свою очередь, поглощая излучение, могут нагреваться холодные тела. Такие процессы, которые могут происходить и в вакууме, называют радиационным теплообменом.

Если излучающее тело окружить оболочкой с идеально отражающей поверхностью, то через некоторое время эта система придет в состояние теплового равновесия.

Равновесным тепловым излучением называют излучение, при котором расход энергии тела на излучение компенсируется энергией поглощенного им излучения для каждой длины волны.

Из всех видов излучения только тепловое излучение может находиться в равновесии с излучающими телами.

Следует отметить, что равновесное тепловое излучение не зависит от природы тел, а зависит только от его температуры.

7.2. Энергетическая светимость. Испускательная и поглощательначя способности. Абсолютно черное тело

Энергетическая светимость тела R_Т, численно равна энергии W, излучаемой телом во всем диапазоне длин волн (0<<) с единицы поверхности тела, в единицу времени, при температуре тела Т, т.е.

(1)

Испускательная способность тела r_,Т численно равна энергии тела dW_, излучаемой телом c единицы поверхности тела, за единицу времени при температуре тела Т, в диапазоне длин волн от  до +d, т.е.