Поляризация света. 
Поляризаторы. 
Закон Малюса

В разделе 6.4.7 уже отмечалось, что электромагнитные волны могут быть поляризованы только поперечно. Векторы Е и Н колеблются в направлениях, нормальных вектору скорости волны с. Далее сосредоточимся на векторе Я, поскольку при обычных условиях электрическое действие световой волны значительно превосходит магнитное. Волну считают поляризованной, если в ней существует выделенное направление колебаний вектора Ё. Различают линейную, круговую и эллиптическую поляризацию волны. Заметим, что в вакууме кванты света — фотоны — поляризованы именно по кругу.

Естественным называют свет, испущенный любым нелазерным источником. Такой свет не поляризован, в нем направления Е меняется хаотически. Причина в том, что фотоны спонтанно излучаются отдельными атомами, и поляризация их абсолютно случайна.

Существуют анизотропные кристаллы—поляризаторы, пропускающие световые волны только с определенной ориентацией вектора Ё. Естественный свет, прошедший через такой кристалл, становится линейно поляризованным (см. рисунок).

Поляризация света кристаллом-поляризатором Обнаружить это можно, пропустив такой свет через второй кристалл — анализатор, плоскость поляризации которого образует угол <�р с плоскостью поляризатора. Тогда интенсивность света, вышедшего из поляризатора /о, будет связана с интенсивностью прошедшего анализатор света / законом Малюса.

Ясно, что при (р = 0 свет пропускается анализатором без ослабления. Напротив, при <�р = тс/2 анализатор не пропускает свет вовсе.

Прохождение света через два поляризатора Это используют, например, для создания стереоэффекта в кинотеатрах с помощью специальных очков, стекла которых являются анализаторами.

Дисперсия света.

Дисперсией обычно называют зависимость показателя преломления среды (т.е. скорости света в ней) от частоты волны п = /(со). Если л'(со) > 0. говорят о нормальной дисперсии. В противном случае и'(со).

При прохождении света через вещество валентные электроны колеблются под действием гармонически меняющейся кулоновской силы

где Eq — амплитуда напряженности электрического поля в волне, со — частота волны, е — модуль заряда электрона. Если пренебречь потерями энергии на излучение и взаимодействием электронов друг с другом, уравнение движения электрона аналогично уравнению вынужденных колебаний гармонического осциллятора (раздел 6.1.9).

Решение этого уравнения.

Следовательно, дипольный момент единицы объема (раздел 4.1.17).

где N — число валентных электронов в единице объема, % - поляризуемость вещества. Наконец, диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления среды в таком приближении равны (начало раздела 5.5).

Графически полученная зависимость //(со) приведена на рис. 6.61 пунктирной линией.

Рис. 6.61.

При со —> о) о она претерпевает разрыв второго рода. Экспериментальная зависимость показана сплошной линией. Она, разумеется, гладкая.

Основная причина отличия теории от эксперимента состоит в том. что при выводе последней формулы не учитывалось поглощение света на частотах, близких к ‘собственной осцилляторной" частоте. Подробнее об этом речь пойдет в следующем разделе. Здесь укажем лишь, что и в классической механике резонансная амплитуда вынужденных колебаний обращается в бесконечность при отсутствии затухания (раздел 6.1.9).

Области нормальной дисперсии на рис. 6.61 — левее точки А и правее В. Из самою факта наличия дисперсии следует два важнейших вывода. Во-первых, скорость передачи энергии в волне (так называемая групповая скорость <;_гр) всегда меньше фазовой скорости :

В частности, фазовая скорость может превышать скорость света, а групповая — нет. Во-вторых, из-за дисперсии в среде белый цвет ‘" расслаивается" на спектральные составляющие. Впервые это использовал Ньютон, разложив солнечный свет в спектр с помощью преломления в трехгранной призме.

Поглощение света. Закон Бугера.

Связь поглощения с дисперсией. При прохождении световой волны даже через прозрачную среду часть энергии поглощается колеблющимися электронами, так что интенсивность волны уменьшается. В бесконечно малом слое толщиной dl убыль интенсивности dl пропорциональна интенсивности в данном месте /(/) и коэффициенту поглощения среды а:

Интегрируя, сразу получаем закон поглощения Бугера.

Зависимость коэффициента поглощения света от частоты а (со) — важнейшая характеристика среды. Для разряженных газов она состоит из отдельных пиков, соответствующих характерным атомным частотам. Такой спектр называют линейчатым. У многоатомных молекул и плотных сред пики сливаются в сплошную кривую (рис. 6.62). Подобные спектры являются сплошными.

Рис. 6.62.

Из одного из фундаментальных принципов физики — принципа причинности — следует, что зависимости коэффициента преломления п (со) и коэффициента поглощения а (со) должны быть жестко связаны друг с другом. Соотношения, связывающие эти функции, называют дисперсионными. Более того, функции и (со) и сс (со) при соответствующей нормировке можно рассматривать как действительную и мнимую части единой физической величины — комплексного показателя преломления.

Излучение Вавилова-Черенкова.

Скорость заряженной частицы в среде U может превышать фазовую скорость света в данной среде с/п. В этом случае частица испускает характерное излучение, открытое Вавиловым и Черенковым и описанное Таммом и Франком. Этот эффект чисто квантовый, поскольку в классической электродинамике равномерно движущийся заряд излучать не может. Отличительная черта указанного излучения — его ‘'геометрия'*. Частица излучает «вперед» по образующим конуса с осью вдоль вектора скорости, а угол раствора конуса 0 такой, что.

Таким образом, чем выше скорость частицы, гем шире раскрытие «черепковского конуса¹.

«Черепковский конус: cos0 = cfriU.