Поляризация света

Поляризация света. Лучи света, идущие от солнца и звезд или от наших земных источников, т. н. лучи «естественного света», вполне симметричны относительно направления, по которому распространяется свет; так, если мы будем смотреть на источник света сквозь любую кристаллическую или аморфную прозрачную пластинку, вращая ее вокруг луча зрения, как вокруг оси, то мы не заметим никаких изменений в яркости света. Свет проходит одинаково при всех положениях, что и указывает на полную симметрию вокруг линии распространения. Однако в целом ряде случаев, при отражении, преломлении, при прохождении света через кристаллы, при рассеянии света мелкими частицами, например, пыли, — эта симметрия исчезает. Если, например, пропустить свет через пластинку, вырезанную из кристалла турмалина параллельно его кристаллографической оси АВ, A₁B₁, А₂В₂ (рис. 1), то прошедший свет уже не будет симметричен относительно направления луча: он не будет проходить через вторую подобную же пластинку турмалина, если ось этой второй пластинки А₂В₂ будет перпендикулярна первой А₁В₁ (рис. 1).

Рис. 1.

Если мы возьмем такие две перекрещенные пластинки турмалина и начнем  вращать одну из них вокруг луча, то свет появится, и будет усиливаться до тех пор, пока оси пластинок не станут параллельно друг другу. Таким образом, для света, прошедшего через турмалин, две плоскости приобретают особое значение: плоскость колебаний, проходящая через луч S и направление оси АВ, и ей перпендикулярная — плоскость поляризации; самый же луч света носит название плоско-поляризованного. О других способах получения поляризованного света, а также о других видах поляризации круговой и эллиптической см. ниже.

Явление поляризации указывает, что волны света должны быть поперечны; в волне продольной, где частицы двигаются взад и вперед по линии распространения волн — по «лучу», все плоскости, содержащие в себе луч, для данного движения ничем не будут отличаться друг от друга, и нельзя себе представить случая, при котором эта симметрия могла бы нарушиться. Для поперечных же волн на натянутой веревке или струне мы из бесчисленного числа плоскостей, проходящих через направление, по которому распространяются волны, можем сразу отметить одну, в которой происходят колебания, и ей перпендикулярную, параллельно которой никакого движения не происходит, — следовательно, в этом случае мы имеем определенную ассиметрию, которой вполне достаточно для объяснения указанных выше опытов с турмалином. Так как в «естественном», неполяризованном свете ассиметрии не наблюдается, то в нем, следовательно, направление плоскости, в которой происходят колебания, непрерывно меняется, вращаясь вокруг луча. Пластинка турмалина пропускает только те колебания или их слагающие, которые расположены в плоскости, параллельной оси кристалла. Таким образом, пластинка турмалина «отбирает», или отфильтровывает колебания света определенного направления. На рис. 2 изображена модель, объясняющая действие турмалиновых пластинок.

Рис. 2.

1) Поляризация света при отражении и преломлении. При отражении от поверхности воды, стекла или вообще от неметаллических поверхностей свет становится отчасти плоско-поляризованным. При определенном угле падения получается наибольшая поляризация, а для тел с показателем преломления, близким к 1,46, —  полная. Этот угол, как показал Брюстер, определяется равенством tgi=n; т. е. тангенс угла падения (см. рис. 3) равен показателю преломления.

Рис. 3.

Так как по основному закону преломления (см. дисперсия, свет) sin i/sin r = n, то tg i = n только когда sin r = cos i или i + r = 90, т. е. когда отраженный луч перпендикулярен преломленному. Отраженный луч поляризован в плоскости падения АОВ (рис. 4), т. е. колебания в нем расположены в плоскости, перпендикулярной к АОВ. Преломленный луч поляризован перпендикулярно плоскости падения, колебания расположены в самой плоскости АОС; но так как даже при угле падения, удовлетворяющем закону Брюстера, часть света, поляризованного в плоскости падения, проходит и в преломленный луч, то преломленный луч поляризован только отчасти. Поэтому, чтобы получить в сильной степени поляризованный луч при преломлении, берут стопу пластинок, в которой, следовательно, происходит многократное преломление. Определить плоскость поляризации можно с помощью турмалиновых пластинок (рис. 4) или с помощью зеркала, стопы стеклянных пластинок или, наконец, любого прибора, поляризующего свет.

Рис. 4.

Зависимость интенсивности отраженного и преломленного света от показателя преломления и угла падения, а также направление плоскости поляризации и относительное количество поляризованного света при различных углах падения может быть вычислено вперед по теории Френеля (см. свет), но наиболее строго и последовательно из электромагнитной теории света (см.).

Рис. 5.

2) Поляризация света в кристаллах. При прохождении света через любой кристалл, за исключением правильной системы, наблюдается явление двойного преломления, т. е. узкий пучок света в кристалле разбивается на два. Если смотреть, например, на ярко-освещенное отверстие в каком-нибудь непрозрачном экране через кристалл исландского шпата, то изображение двоится, причем при вращении одно изображение вращается вокруг другого. Если поместить между глазом и кристаллом шпата турмалиновую пластинку, то, поворачивая последнюю, нетрудно убедиться, что оба луча, прошедшие через кристалл, поляризованы и притом в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. На рис. 5 изображен ход лучей в кристалле (ромбоэдре) исландского шпата; луч SJ падает нормально (перпендикулярно грани ABCD). Направление диагонали АА', соединяющей вершины двух трехгранных углов А и А', которые образованы равными тупыми плоскими углами, носит название оси кристалла; плоскость CJAA'С', проходящая через ось и перпендикулярная грани ABCD, носит название главного сечения для грани ABCD. Из рис. 5 видно, что оба луча лежат в главном сечении, причем луч JOO'— луч «обыкновенный» — не отклоняется и поляризован в главном сечении, т. е. колебания в нем расположены в плоскости, перпендикулярной и к плоскости АСС'А'. Луч JEE’ — луч «необыкновенный» — отклоняется от первоначального направления, оставаясь в плоскости главного сечения; выйдя из кристалла, он идет параллельно обыкновенному —  колебания в этом луче перпендикулярны колебаниям в обыкновенном. Двойное преломление наблюдается во всех кристаллах (в турмалине мы наблюдаем только один луч, потому что другой сильно поглощается), за исключением, как уже было сказано, кристаллов  правильной системы; причем в оптически одноосных кристаллах оно значительно проще, чем в так называемых двуосных, где наблюдается также «коническая рефракция», т. е. узкий пучок света в кристалле, при вполне определенном для данного кристалла направлении, может развернуться в коническую поверхность, другими словами, светящаяся точка при рассматривании сквозь кристалл по этому направлению представляется колечком. Весьма любопытно, что явление конической рефракции было предсказано теоретиком Гамильтоном и бесспорно представляет собой одно из самых знаменательных предсказаний современной науки. Для получения плоско-поляризованного света часто пользуются «поляризующими» призмами, сделанными из кристаллов. Наибольшим распространением пользуются т. н. Николевы призмы, или, короче, «николи».

Рис. 6.

Большой кристалл исландского шпата (рис. 6) распиливается по UV и склеивается канадским бальзамом. Показатель преломления для необыкновенного луча в исландском шпате и канадском бальзаме почти один и тот же, так что необыкновенный луч JЕ проходит, не отклоняясь, через слой бальзама; для обыкновенного луча показатель преломления в шпате больше, чем в канадском бальзаме, а угол падения, благодаря выбранному наклону сечения UV, оказывается больше предельного: на границе UV происходит полное внутреннее отражение, и обыкновенный луч попадает в сторону на тщательно вычерненную оправу, где он и поглощается. Таким образом, «николь» дает один плоско-поляризованный луч.

3) Поляризация  света при его рассеянии мелкими частицами. Свет, рассеянный мелкими частицами, взвешенными в какой-либо прозрачной среде, например, свет от облаков табачного дыма в воздухе, или свете от тончайшей пыли в атмосфере, обусловливающей синеву неба, оказывается поляризованным; явление это теоретически исследовано лордом Релеем.

Рис. 7.

Исследование кристаллов в поляризованном свете.

1) Положим, что на кристаллическую пластинку падает плоско-поляризованный свет, причем плоскость РР (рис. 7), в которой происходят его колебания, не совпадает с направлением, по которому могут происходить колебания в кристалле СС и DD. Разлагаем колебание рр на две взаимно перпендикулярные слагающие c₁c₂ и d₁d₂, которые распространяются в кристалле с различными скоростями. Если толщина пластинки такова, что один из лучей запоздает на четверть колебания, то складывая эти два колебания, происходящие по двум взаимно-перпендикулярным направлениям, с неравными амплитудами с₁с₂ и d₁d₂, мы получим движение по эллипсу. В самом деле, пусть, запаздывает колебание по СС, тогда в тот момент, когда в колебательном движении по DD мы заметим наибольшее отклонение Od₁, во втором движении, запаздывающем на ¼  периода, отклонение будет равно нулю, — в результате сложения двух движений получим Od₁; через четверть периода во втором движении отклонение будет наибольшее Ос₁, а у первого будет нуль, — в сумме будет отклонение Ос₁ и. т. д. (см. колебательное движение). Итак, если пластинка подобрана так, что один из лучей опаздывает на четверть колебания или, как говорят, если пластинка взята в «четверть волны», то плоско-поляризованный луч превращается в эллиптически-поляризованный. Если угол α=45°, то амплитуды с₁с₂ и d₁d₂ будут равны друг другу, и луч получается поляризованный по кругу. Эллиптическая и круговая поляризация получаются в некоторых случаях при отражении плоско-поляризованного света.

Рис. 8.

2) Если между двумя перекрещенными николями, через которые свет не проходит, поместить кристаллическую пластинку, то появляется свет; если тело изотропное, как, например, пластинка стекла, то свет не проходит, если однако мы начнем изгибать пластинку, отчего она, вследствие связанных с изгибанием сжатий и растяжений, перестанет быть изотропной (обладать одинаковыми свойствами по всем направлениям) — свет появляется. Таким образом, два перекрещенных поляризующих прибора являются лучшим средством для определения, изотропно ли данное прозрачное тело или нет. Вообще говоря, при подобном появлении света поле зрения бывает окрашено. Причину этой окраски нетрудно выяснить. Когда плоско-поляризованный свет с колебаниями, направленными по РР, попадает в кристаллическую пластинку, он разбивается, как мы уже видели (1), на два с колебаниями с₁с₂ и d₁d₂ (рис. 8), так как за кристаллической пластинкой стоит второй николь, то из этих колебаний могут пройти только их слагающие, параллельные АА—с₃с₃ и d₃d₃ (АА — направление колебаний в анализаторе—николе). Обе слагающие с₁с₂ и d₁d₂ шли в кристалле с различными скоростями, и, следовательно, одна из них запоздала сравнительно с другой. Величина запоздания зависит от толщины пластинки, а также и от длины волны, так как показатели преломления для этих двух лучей зависят от цвета (т. е. длины волны). Если для данного цвета к анализатору одновременно подойдет гребень волны от одного луча и долина от другого, то данный цвет будет погашен, и поле будет окрашено в цвет, дополнительный данному, например, если погашен синий, поле будет желтое и т. д. Если плоскость СС или DD совпадает с АА и РР, то свет не проходит; если оба николя параллельны, т. е. РР совпадает с АА, то при совмещении с этой плоскостью СС или DD получается белый свет. Если пластинка помещена в сходящихся лучах, то получается комбинация всех перечисленных случаев; лучи проходят под разными углами, отчего пройденная светом толща кристалла разная; кроме того, падающие лучи в различных местах будут различно ориентированы относительно сечений кристалла, в которых могут происходить колебания. На раскрашенной таблице изображена картина, наблюдаемая при рассматривании одноосной и двуосной пластинки в сходящихся лучах. При исследовании направления колебания мы принимали, что колебания, прошедшие через турмалиновую пластинку, расположены в плоскости, проходящей через луч и ось кристалла, как предполагал Френель, но все изложенные выше явления одинаково хорошо объясняются, если предположить вместе с Нейманом, что колебания лежат в плоскости, перпендикулярной к АВ рис. 1, т. е. в плоскости поляризации. Спор между сторонниками Френеля и Неймана был окончательно решен в пользу Френеля опытами Винера.

Рис. 9.

Винер пускал на полированное серебряное зеркало плоские волны, поляризованные в плоскости падения и в плоскости ей перпендикулярной; в первом случае (рис. 9) колебания перпендикулярны к плоскости чертежа, и в падающих В₁А₁, В₂А₂... и в отраженных А₂С₂, А₃С₃... волнах; в точках пересечения (1), (2), (3), (4)... колебания складываются (направление колебаний и в той и другой системе волн одинаково) — интерферируют (см. свет), усиливая друг друга, если в точке пересечения обе волны имеют гребень или долину, и ослабляя, если в падающей волне гребень встречается с долиной отраженной или наоборот. Помещая над зеркалом тонкий слой светочувствительной эмульсии, Винер получил ряд полос темных и светлых, т. е. получилась картина интерференции света. Во втором случае, т. е. когда колебания лежат в плоскости падения, колебания в падающей и отраженной волне 1, 2, 3, 4 (рис. 10) не совпадают по направлению — интерференции быть не может, и, как показал Винер, фотографическая пластинка чернеет вся равномерно.

Рис. 10.

Вращательная поляризация, вращение плоскости поляризации см. вращательная способность. Приемы исследования вращательной способности см. сахариметрия. Магнитное вращение плоскости поляризации см. свет.

Литература: А. Столетов, «Введение в акустику и оптику»; О. Д. Хвольсон, «Курс физики», т. II; Wood, «Physical Optics»; Эдвин Эдсер, «Оптика» (книгоиздательство «Естествоиспытатель», 1914).

А. Тимирязев.