polaryzacja, ~FARMACJA, I rok, BIOFIZYKA
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
ĆWICZENIE 47
POLARYZACJA
Wstęp.
Światło naturalne występujące w przyrodzie na ogół jest
niespolaryzowane. Wynika to między innymi z mechanizmu powstawania
promieniowania. Cząsteczki, atomy emitujące światło są źródłem oscylacji o
różnym zorientowaniu. Niczego tu nie zmienia wycinanie ze źródeł rozciągłych
obrazów prawie punktowych. Promieniowanie z takich źródeł jest w dalszym
ciągu niespolaryzowane. Polaryzacja to uporządkowanie drgań w jednej
płaszczyźnie. Podlegają jej tylko fale poprzeczne. Za wrażenie świetlne w fali
elektromagnetycznej odpowiedzialny jest wektor elektryczny
r
E
. Jeżeli światło
jest spolaryzowane liniowo, wówczas drgania wektora natężenia pola (
r
E
)
odbywają się w jednej płaszczyźnie zwanej płaszczyzną drgań. Płaszczyzna
polaryzacji jest prostopadła do płaszczyzny drgań.
Rys. 1
Zasadę polaryzacji liniowej schematycznie przedstawiono na rys. 1.
Zazwyczaj światło ulega częściowej polaryzacji określanej przez
wielkość zwaną stałą polaryzacji.
P
=
J
max
-
+
J
min
,
(1)
J
J
max
min
,
- maksymalne i minimalne natężenie światła przechodzącego
przez polaryzator.
W wiązce spolaryzowanej kołowo wektor świetlny zakreśla okrąg w
płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. Jeżeli wektor
r
E
wykonuje obroty w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się
i jednocześnie zmienia periodycznie wartość, to mamy do czynienia z
polaryzacją eliptyczną. Drgania wektora świetlnego w różnych typach
polaryzacji w konwencji dwuwymiarowej przedstawiono na rys. 2.
min
Ćwiczenie 47
1
gdzie:
J J
max
Rys.2
Światło spolaryzowane liniowo możemy otrzymać przez odbicie od
dielektryków, przez załamanie,rozpraszanie, selektrywną absorpcję, podwójne
załamanie. Światło możemy spolaryzować kołowo lub eliptycznie między
innymi przez odbicie od powierzchni przewodników, przez przepuszczenie
przez ośrodki przezroczyste wykazujące ukierunkowanie, przez złożenie
promieniowania spolaryzowanego liniowo w płaszczyznach wzajemnie
prostopadłych.
Polaryzacja liniowa przez odbicie i załamanie. Kąt Brewstera.
Światło naturalne odbijając się od powierzchni wody, szkła, tworzyw
sztucznych ulega częściowej polaryzacji. Promieniowanie to ulega całkowitej
polaryzacji, jeżeli kąt padania osiąga wartość kąta Brewstera.
Rys.3
Niech wiązka promieniowania niespolaryzowanego pada na powierzchnię
dielektryka pod kątem a
. W wyniku odbicia ulega polaryzacji liniowej , przy
czym płaszczyzna drgań odbitego promieniowania spolaryzowanego jest
prostopadła do płaszczyzny kartki, a płaszczyzna polaryzacji pokrywa się z
płaszczyzną padania (kartki). Promień załamany spolaryzowany jest w
płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny kartki, a płaszczyzna drgań pokrywa
się z płaszczyzną kartki. Promień odbity jest całkowicie spolaryzowany, gdy
promień odbity i załamany tworzy kąt 90
o
, wtedy kąt padania jest kątem
Brewstera.
Z prawa Sneliusa mamy
sin
a
=
n
12
.
b
Z rysunku 3 łatwo zauważyć, że
Ćwiczenie 47
2
sin
a
+ + =
2
b
p
p
,
b
stąd
b
= -
2
p
a
.
Zatem
n
=
sin
a
b
=
tg
a
æ
p
ö
b
.
(2)
sin
ç
-
a
÷
2
b
Promień załamany niezależnie od wartości kąta a
,
jest spolaryzowany
częściowo. Stopień polaryzacji
zwiększamy przepuszczając go przez stos płytek
dielektrycznych (np. szklanych). Spolaryzowanie wiązki załamanej silnie
wzrasta ze wzrostem liczby powierzchni odbijających.
Oko ludzkie nie rozpoznaje promieniowania spolaryzowanego. Musimy
posługiwać się specjalnymi analizatorami, aby stwierdzić polaryzację.
Polaryzator i analizator może mieć taką samą strukturę i może być stosowany
zamiennie. Przepuszczają drgania odbywające się tylko w jednym kierunku,
charakterystycznym dla siebie. Jeżeli PP oznacza kierunek drgań
przepuszczonych przez polaryzator a AA kierunek drgań przepuszczonych przez
analizator, to amplitudę drgań na wyjściu układu otrzymamy z zależności
A A
o
1
=
cos
a
.
Rys. 4
Natężenie promieniowania.
J
~
A
2
Skąd wynika równanie.
J kA
=
2
,
gdzie: k = const.
Jeżeli przez
J
o
oznaczymy natężenie wiązki padającej na polaryzator a przez
J
natężenie wiązki wychodzącej z analizatora, to
Ćwiczenie 47
3
J
J
2
k A
k A
2
A
A
2
A
2
cos
2
a
,
=
=
=
o
2
2
2
2
A
2
o
o
o
o
stąd
J
2
=
J
o
2
cos
2
a .
(3)
Jest to tzw. prawo Malusa.
Analizator i polaryzator tworzą kąt
a
. Jeżeli
a
=
O,
, to
J J
o
p
=
i jest
przypuszczana wiązka o natężeniu maksymalnym.
Jeżeli
a
=
2
, ,
to
J O
p
=
i następuje całkowite wygaszenie
promieniowania.
Dwójłomność.
Światło ulega polaryzacji przy przejściu przez struktury uporządkowane
np. kryształy. Odległości między węzłami sieci krystalicznej są bardzo małe
i przestrzenie między nimi stanowią dobre „ szczeliny”. Wyróżnionymi
kierunkami są osie optyczne. W kryształach jednoosiowych mamy jeden
kierunek wyróżniony. Światło przechodzące przez płytkę wyciętą z kryształu
skierowane wzdłuż osi optycznej zachowuje się tak, jak przy przejściu przez
substancję bezpostaciowe. Jeżeli promień będzie skierowany pod kątem a ¹
O
i 180
o
względem osi optycznej, to rozdzieli się na dwa: zwyczajny i
nadzwyczajny. Zjawisko to nazwano dwójłomnością.
Rys. 5
Promień zwyczajny jest spolaryzowany w płaszczyźnie kartki a nadzwyczajny
w płaszczyźnie prostopadłej do kartki. Złożenie promienia
zwyczajnego i nadzwyczajnego daje promień spolaryzowany kołowo. Promień
nadzwyczajny nie podlega prawu Snelliusa w postaci sinusowej. Zjawisko
Ćwiczenie 47
4
2
p
3
2
podwójnego załamania tłumaczymy w ten sposób, że w krysztale dookoła
punktu świecącego powstają dwie powierzchnie falowe, przemieszczające się z
różnymi prędkościami (rys. 6.).
W kryształach jednoosiowych dodatnich prędkości spełniają relacje
V
2
W
³
V
n
, o
współczynnikach załamania
n
zw
=
c
V
i
n
n
=
c
V
,
n n
n
³
zw
.
zw
n
W ujemnych
V V
2
v
£
n
i
n n
£
zw
.
Rys.6
Skręcenie płaszczyzny polaryzacji.
Polaryzacja jest własnością promieniowania. Skręcenie płaszczyzny
polaryzacji, związane jest aktywnością optyczną środowiska. Do środowisk
aktywnych optycznie zaliczamy kryształy, niektóre ciecze (terpentyna),
roztwory (wodny roztwór cukru) a nawet gazy. Zjawisko związane jest z
asymetrią w budowie kryształów lub cząsteczek.
W zależności od kierunku skręcania rozróżniamy środowiska
prawoskrętne i lewoskrętne. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest funkcją
grubości płytki i długości fali
j
=
f h
l
K l
,
(4)
gdzie
K
=
j
,
o
(5)
h
o
jest zdolnością właściwą skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Wielkość ta zależy
od długości fali światła spolaryzowanego i od temperatury badanego ciała.
W odróżnieniu od kryształów w cieczach lub roztworach optycznie
czynnych nie istnieje asymetria układu cząsteczek a asymetria budowy
cząsteczek.
Ćwiczenie 47
5
n
( , )
. Dla danej długości fali jest
proporcjonalny do długości drogi (l) przebywanej w ośrodku.
j = ×
[ Pobierz całość w formacie PDF ]