Ричард Фейнман - 3a. Излучение. Волны. Кванты

Здесь мы предполагаем, что скорость света, проходящего через целлофан, различна для указанных двух направлений поляризации, но само направление поляризации при прохож­дении света не меняется. Если выбрать промежуточную ориен­тацию целлофана где-то между двумя главными направлениями, как на фиг. 33.3, то через второй поляроид пройдет яркий аучок света.

Оказывается, толщина обычного целлофана, используемого в магазинах для упаковки, равна почти точно половине длины волны для большинства цветов в спектральном разложении белого света. Целлофан такой толщины поворачивает направле­ние поляризации линейно поляризованного света на 90°, если это направление в падающем пучке образует угол 45° с опти­ческой осью целлофана. Таким образом, выходящий из целло­фана луч обладает как раз такой поляризацией, что может прой­ти второй поляроид.

Если в нашем опыте использовать пучок белого света, то только для одной компоненты его спектрального разложения толщина целлофана совпадет с половиной длины волны, и пу­чок, пропущенный вторым поляроидом, будет иметь цвет именно этой компоненты. Цвет пучка, прошедшего через наше устрой­ство, будет зависеть от толщины листа целлофана, а эффектив­ную толщину целлофана мы можем менять, наклоняя листок под некоторым углом и таким образом заставляя свет прохо­дить больший путь внутри целлофана. При наклоне листка целлофана цвет пропущенного пучка меняется. Используя целлофан разной толщины, можно сконструировать фильтры, пропускающие лучи вполне определенного цвета. Эти фильтры обладают тем замечательным свойством, что они пропускают один цвет, когда оси двух поляроидов перпендикулярны, и дополнительный к нему цвет, когда оси поляроидов параллельны.

Системы ориентированных молекул имеют еще одно, на этот раз вполне практическое применение. Некоторые пластики состоят из очень длинных и сложных молекул, скрученных между собой. При очень тщательном проведении процесса за­твердевания пластика молекулы, скручиваясь, образуют сплош­ную массу и ориентируются равномерно в самых разных направ­лениях, так что пластик обычно не проявляет свойства двойного лучепреломления. Но при затвердевании часто образуются дефекты и напряжения, которые приводят к некоторой неодно­родности материала. Напряжения, возникающие в пластике, как бы вытягивают целую связку молекул, и молекулярные нити ориентируются преимущественно вдоль направления натяжения. Благодаря внутренним напряжениям пластик становится двоякопреломляющим, и эффект двойного лучепре­ломления можно наблюдать, пропуская через него поляризо­ванный свет. Анализируя пропущенный пластиком пучок с по­мощью поляроида, мы заметим темные и светлые полосы (окра­шенные в разные цвета, если берется пучок белого света). Если образец подвергнуть растяжению, вся совокупность полос начинает сдвигаться, а подсчитав полосы и определив место их наибольшего скопления, можно найти внутренние напряже­ния, возникающие в образце. Инженеры обычно используют это явление как способ определения напряжений в деталях, форма которых трудно поддается расчету.

Еще один интересный пример — двойное лучепреломление в жидкостях. Рассмотрим жидкость, состоящую из длинных асимметричных молекул, которые несут вблизи своих концов распределенный положительный или отрицательный заряд, т. е. молекулы являются электрическими диполями. Сталки­ваясь, молекулы в жидкости принимают любую ориентацию, причем какого-либо преимущественного направления ориента­ции не существует. Но если приложить электрическое поле, молекулы начнут выстраиваться вдоль поля и в этот самый момент жидкость становится двоякопреломляющей средой. Взяв два поляроида и прозрачную ячейку с жидкостью такого сорта, можно создать устройство, которое пропускает свет только при включении электрического поля. В результате мы получаем электрический переключатель для света, который называют ячейкой Керра. А сам эффект, когда в жидкости возникает двой­ное лучепреломление под действием электрического поля, назы­вается эффектом Керра.

§ 4. Поляризаторы

До сих пор мы говорили о средах, показатель преломления которых различен для разных направлений поляризации падаю­щего светового пучка. Большое значение для практических применений имеют и другие среды, у которых в зависимости от поляризации света меняется не только показатель преломле­ния, но и коэффициент поглощения. Как и в случае двойного лучепреломления, легко понять, что поглощение может зави­сеть от направления вынужденных колебаний зарядов только в анизотропных средах. Первый, старый, ставший уже знаме­нитым пример — это турмалин, а другой — поляроид. Поля­роид состоит из тонкого слоя маленьких кристаллов герапатита (соль йода и хинина), выстроенных своими осями параллельно друг другу. Эти кристаллы поглощают свет, когда колебания происходят в одном каком-то направлении, и почти не погло­щают света, когда колебания совершаются в другом направ­лении.

Направим на поляроид пучок света, поляризованный под углом q к его оси. Какая интенсивность будет у пучка, прошед­шего через поляроид? Разложим наш пучок света на две компо­ненты: одну с поляризацией, перпендикулярной той, которая проходит без ослабления (она пропорциональна sinq), и вто­рую—продольную компоненту, пропорциональную cosq. Через поляроид пройдет только часть, пропорциональная cosq; компонента, пропорциональная sinq, поглотится. Амплитуда света, прошедшего через поляроид, меньше амплитуды падаю­щего света и получается из нее умножением на cosq.

Фиг. 33.4. Отражение линейно поляризованного света под углом Врюстера.

Направление поляризации дается пунк­тирными стрелками: круглые точки изображают поляризацию, перпендику­лярную плоскости страницы.

Интен­сивность света пропорциональна квадрату cosq. Таким обра­зом, если падающий свет поляризован под углом q к оси по­ляроида, пропускаемая поляризатором доля интенсивности составляет cos 2q от полной. Доля интенсивности, поглощаемая в поляроиде, есть, разумеется, sin 2q.

Интересный парадокс возникает в следующем опыте. Из­вестно, что два поляроида с осями, расположенными перпен­дикулярно друг другу, не пропускают света. Но если между такими поляроидами поместить третий, ось которого направлена под углом 45° к осям двух других, часть света пройдет через нашу систему. Как мы знаем, поляроид только поглощает свет, создать свет он не может. Тем не менее, поставив третий поля­роид под углом 45°, мы увеличиваем количество прошедшего света. Вы можете сами проанализировать это явление в каче­стве упражнения.