Свет считается плоско (линейно) поляризованным, если при его распространении в любой заданной точке конец векторов и описывает прямую линию. Плоскость, в которой располагаются векторы и называется плоскостью колебаний, а перпендикулярная к ней – плоскостью поляризации (рис. 3. б).
Свет может быть поляризован частично, тогда доля присутствующего в нем поляризованного света оценивается в процентах и степень поляризации Р определяется по формуле:
(4)
где Iполяриз – интенсивность поляризованного света, I полн – полная интенсивность света.
Практически все источники света испускают не поляризованный, т. е. естественный свет.
Существует несколько способов получения плоско поляризованного света.
1. При отражении света от диэлектрической пластины (стекло, пластмассы) наблюдается как отраженный, так и преломленный луч (рис. 4). При этом тот и другой луч оказываются частично поляризованными. Максимальная степень поляризации лучей достигается при определенном угле падения, определяемого законом Брюстера
, (5)
где n – показатель преломления данного диэлектрика.
2. Некоторые кристаллы обладают способностью при преломлении разделять падающий луч на два луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Эти два луча носят названия: обыкновенный – о, необыкновенный – е и характеризуются показателями преломления no и ne , причем no ¹ ne. Отклоняя один из лучей в сторону, можно выделить второй, т.е. получить плоско поляризованный свет. Устройства, действующие таким образом, называются поляризаторами (рис. 5).
3. У некоторых двупреломляющих кристаллов, например, турмалина, коэффициенты поглощения света обыкновенного и необыкновенного луча отличаются настолько, что уже при небольшой толщине один из них полностью гасится, и из кристалла выходит один плоско поляризованный луч. Это явления носит название дихроизма. Полученные на основе этого явления пластинки называются поляроидами. Аналогичным свойством обладают тонкие полимерные пленки, содержащие одинаково ориентированные игольчатые микрокристаллы йодистого хинина. Поляроидные пленки в комбинации с жидкокристаллическими структурами являются физической основой для изготовления ЖК-экранов.
Если пропустить естественный свет через поляризатор, то из него выйдет плоскополяризованный свет (рис 6).Если теперь этот плоскополяризованный свет пропустить еще через один поляризатор, который обычно называется «анализатором», то интенсивность прошедшего света будет определятся углом между плоскостями их поляризации.
Интенсивность света, прошедшего два поляризатора, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора (закон Малюса)
(6)
Задание 3. Проверка закона Малюса
Цель. Доказать, что при прохождении света через поляризатор и анализатор, выполняется закон Малюса, т. е. отношение I/I0 = cos2a
1. Для выполнения задания используется прибор №2.
2. В комплект прибора входят два кусочка поляроидной пленки. Наложите одну пленку на другую и посмотрите их на просвет. При вращении одной из пленок вследствие явления поляризации наблюдаться периодическое ослабление и усиление проходящего света.
3. Закрепите щупы мультиметра в клеммах прибора, используя отверстия в клеммах. Переключатель мультиметра установите в положение DCA , 200m или V-, 200m - измерение постоянного напряжения.
4. Включите источник естественного света – лампочку накаливания.
5. Установите указатель поворота поляризатора в крайнее левое положение – 0°. Запишите показание прибора
6. Поворачивая поляризатор на каждый раз на 10° от 0° до 180°, записывайте показания мультиметра. При этом можно считать показания целыми числами (таблица 3 отчета).
7. Найдите среди измеренных значений наименьшее Imin. Оно соответствует такому положению положения поляризатора и анализатора, когда угол a = 90° . Выпишите в таблицу 4 все значения в сторону их увеличения вплоть до угла a = 0° .
8. Используемая в приборе поляроидная пленка не является идеальной, т. е. не поляризует свет на 100 %. Это приводит к тому, что даже при скрещенном положении поляризатора и анализатора сигнал прибора не равен нулю. Поэтому при обработке результатов измерений можно вначале вычесть из всех полученных значений минимальное значение: (I0 –Imin), а затем найти отношение (I0 –Imin)/I0. Причем в последнем вычислении в качестве I0 следует брать максимальное значение из ряда (I0 –Imin).
9. Постройте график зависимости (I0 –Imin)/I0. от cos2a . Сделайте вывод о выполнении закона Малюса.
Задание 4. Проверка закона Брюстера и определение показателя преломления
диэлектрика
Цель. Следует проверить, что при отражении от диэлектрика свет действительно оказывается частично поляризованным. При отражении же света от проводника (металла), явление поляризации не наблюдается. При выполнении данного задания используется прибор №1.
1. Вставьте один кусочек поляроидной пленки в держатель для нее.
2. Установите лазер в нулевое положение.
3. В зажиме укрепите препарат c диэлектрической пластинкой (пластмассой).
4. Медленно поворачивая поворотную планку, наблюдайте на экране за уменьшением интенсивности отраженного луча.
5. Найдите и измерьте такой угол падения, при котором интенсивность окажется наименьшей.
6. По измеренному углу Брюстера, вычислите показатель преломления данной пластмассы.
7. Рассчитайте погрешность измерения показателя преломления.
8. Замените препарат с диэлектриком на препарат с металлической пластинкой. Повторите предыдущие наблюдения. В выводе отметьте, наблюдается ли поляризация света при отражении от металла.
Цель работы: Углубить представления о взаимодействии света с веществом; ознакомиться с элементарными представлениями и законами поглощения света; пронаблюдать экспериментально поглощение света в твердых средах и в растворах.
Оборудование: фотоэлектрический колориметр, набор кювет, окрашенные полимерные пленки, концентрированные растворы различных веществ, шприц.
Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии.
Поглощение света в веществе описывается законом Бугера:
, (1)
где I0 и I интенсивность плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной x, a - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества.
Коэффициент поглощения не зависит от интенсивности падающего света (закон Ламберта).
При толщине слоя х = 1/a интенсивность света I по сравнению с I0 уменьшается в е» 2,72 раз. Размерность коэффициента поглощения м-1 или см-1.
Коэффициент поглощения зависит от длины волны света и для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и лишь для очень узких спектральных областей наблюдаются резкие максимумы поглощения (так называемый линейчатый спектр поглощения). Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (103 – 105 см-1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. Коэффициент поглощения диэлектриков обычно невелик (10-3 – 10-5 см-1). Стекла, прозрачные полимерные пленки, жидкости и растворы имеют селективное (избирательное) поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда a резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения.
Для характеристики поглощающей способности образца используется или коэффициент пропускания Т, который обычно измеряется в процентах
, (2)
или оптическая плотность образца D:
(3)
Согласно закону Бугера коэффициент пропускания экспоненциально уменьшается в зависимости от толщины образца (слоя вещества):
(4)
В то же время оптическая плотность зависит от толщины образца линейно:
, (5)
т.е. оптическая плотность вещества прямо пропорциональна толщине слоя. Поэтому для оценки поглощающей способности образца применение оптической плотности более удобно, чем применение коэффициента поглощения.
Для растворов веществ в не поглощающих растворителях выполняется закон Бера:
Монохроматический показатель поглощения раствора поглощающего вещества в непоглощающем растворителе пропорционален концентрации с раствора:
, (6)
где al1 – коэффициент поглощения однопроцентного раствора данного вещества, с – концентрация раствора в процентах.
Подставляя (6) в (1) и (5), получаем обобщенный закон Бугера – Ламберта – Бера, учитывающий как толщину слоя поглощающего вещества, так и концентрацию раствора. Этот закон может быть записан либо через интенсивность проходящего света, либо через оптическую плотность:
(7,8)
То обстоятельство, что оптическая плотность раствора D пропорциональна концентрации с растворенного поглощающего вещества, лежит в основе колориметрии (от лат. color - цвет)– метода определения концентрации растворенного вещества по оптической плотности раствора.
