ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Области нормальной и аномальной дисперсии света. Электронная теория дисперсии

Дисперсия света — это зависимость показателя преломления п вещества от частоты v (длины волны к) света (или зависимость фазовой скорости v световых волн в среде от их частоты v). Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму. Дисперсия проявляется лишь при распространении немонохроматических волн.

Рассмотрим падение монохроматического луча под углом i_x на призму с показателем преломления п и относительно малым преломляющим углом а (рис. 24.1). После двукратного преломления на левой и правой гранях призмы луч отклоняется р_ис. 24.1. К вопросу на угол ср, определяемый как о дисперсии света

Следовательно, угол отклонения лучей q> призмой тем больше, чем больше преломляющий угол а призмы. dn

Величина D-— называется дисперсией вещества. Для большинства dk

прозрачных веществ в видимом диапазоне показатель преломления п

уменьшается с увеличением длины волны к: dn

Рис. 24.2. Зависимость показателя преломления п от длины волны X

— < 0 (рис. 24.2). Такая дисперсия называется dk

нормальной (отрицательной). Дисперсия является аномальной (положительной) при выполне-

dn

нии обратного неравенства: — > 0 . Аномаль-

dk

ная дисперсия наблюдается вблизи линий и полос поглощения вещества (ход кривой п(к) будет обратным).

На явлении нормальной дисперсии основано действие призменных спектрографов (рис. 24.3). Угол отклонения Ф монохроматических лучей призмой зависит от показателя п, который, в свою очередь, зависит от к. Поэтому призма разлагает немохроматический белый свет в спектр, отклоняя красные лучи с наибольшей длиной волны слабее, чем фиолетовые, длина волны которых меньше.

Рис. 24.3. Принцип действия призменных спектрографов

Электронная теория дисперсии света. Электронная теория дисперсии Х.А. Лоренца (1896) рассматривает дисперсию света как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны.

В оптической области спектра для всех веществ магнитная проницаемость среды р ~ 1 , поэтому абсолютный показатель преломления среды определяется диэлектрической проницаемостью среды с по формуле (21.3): n — yfz.

Согласно теории Лоренца, дисперсия света — следствие зависимости ? от частоты (длины волны) световых волн. По определению диэлектрической проницаемости среды

где x — диэлектрическая восприимчивость среды; ?₍₎ — электрическая постоянная; Р и Е — соответственно мгновенные значения поляризованно- сти и напряженности внешнего электрического поля.

В электронной теории показано, что в общем случае, если в веществе имеются различные частицы (атомы, молекулы) с зарядами е, и массами т₁, собственные частоты колебаний которых о)_0/, и на них действует вынуждающая сила (со стороны гармонической электромагнитной волны частоты со), то

Рис. 24.4. Общий вид зависимости показателя преломления п от частоты света со

где /?₀ — концентрация частиц.

Кривая зависимости н((о) имеет особенности вблизи каждой собственной частоты о)_0/. График этой зависимости в простейшем случае колебаний одного внешнего электрона, слабо связанного с ядром атома, приведен на рис. 24.4, где со₀ — собственная частота колебаний электрона. Разрыв п вблизи о)₀ обусловлен тем, что не учтены потери энергии на излучение (радиационное затухание).

Если учесть затухание, то в области со₀ зависимость /7(со) задается пунктирной линией ab — это область аномальной дисперсии, когда п убывает с ростом со. Остальные участки зависимости описывают нормальную дисперсию (п растет с ростом оз).

Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе из-за преобразования энергии волны в другие виды энергии (внутреннюю энергию вещества, энергию вторичного излучения в других направлениях и другого спектрального состава и т.д.). В результате поглощения интенсивность света при прохождении через поглощающую среду уменьшается согласно закону Бугера (1729):

где /₀ и / — соответственно интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе из слоя поглощающего вещества толщиной х; а — коэффициент поглощения света средой, зависящий от длины волны, химической природы и состояния вещества и не зависящий от интенсивности света.

Величина коэффициента а характеризует быстроту уменьшения интенсивности I по мере проникновения излучения в среду: на расстоянии / = 1/а интенсивность света уменьшается в е раз.

Рассеянием света называется явление в неоднородной среде, когда при распространении световые волны дифрагируют на мелких неоднородностях среды. В результате дифракционная картина имеет вид достаточно равномерного распределения интенсивности по всем направлениям.

Когда заряженная частица движется в вакууме с постоянной скоростью, она не излучает. Однако при равномерном движении в среде заряженная частица излучает, если ее скорость больше фазовой скорости света в данной среде. Данное излучение называется излучением Вавилова — Черенкова (1934). Вследствие излучения частица будет испытывать дополнительное торможение при движении в среде.