Поляризація світла. Взаємодія світла з речовиною. Лекция 08

1.

Лекція
Поляризація світла.
Взаємодія світла з
речовиною

2. План лекції

I. Поляризація світла
1.Світло природне та поляризоване
2.Закон Малюса. Закон Брюстера
3.Явище подвійного променезаломлення
4.Призма Ніколя, хід променів
5.Оптично
активні
речовини.
Обертальна
дисперсія. Цукрометрія
6.Поляризаційний мікроскоп
II. Взаємодія світла з речовиною:
1. Поглинання світла
2. Розсіяння світла
3. Дисперсія світла

3.

I. Поляризація світла
Електромагнітна хвиля – це
змінне електромагнітне поле, що
розповсюджується в просторі .
Дві основні характеристики
електромагнітного поля:
вектор Е – напруженість електричного
поля (В/м),
вектор В – індукція магнітного поля (Тл).

4.

• Усі електромагнітні
поперечні хвилі:
хвилі
-
це
напрямок коливань вектора Е, вектора
В і напрямок вектора швидкості v
(напрямок поширення хвилі) взаємно
перпендикулярні:
Е┴В┴v

5. Електромагнітна хвиля:

6.

СВІТЛО:
1) природне
2) поляризоване
3) частково поляризоване

7.

У загальному випадку світло створюється різними елементарними випромінювачами
(атомами), причому напрямки коливань вектора в хвилях, випущених кожним з атомів,
відрізняються один від одного. В результаті у світла, створеного природними джерелами,
амплітуда коливань в кожному з напрямків в площині, перпендикулярній до напрямку
поширення світла, виявляється приблизно однаковою.
• Природне світло - світло, в якому вектор Е
робить коливання хаотично у всіх напрямках
з однаковими амплітудами.
• Джерела природного світла - сонце,
полум'я, нитка розжарення тощо.
Природне світло

8.

• Поляризоване світло (повністю
поляризоване, або плоскополяризоване)
- це
світло, в якому коливання вектора E
відбуваються строго вздовж однієї прямої,
перпендикулярної до напрямку поширення
хвилі.
Лінійно поляризоване
світло

9.

• Природне джерело поляризованого світла –
це окремий атом (“елементарний випромінювач”)
• Частково поляризоване світло – це світло, в якому
коливання вектора Е відбуваються хаотично в різних
напрямках, з різними в залежності від напрямку
амплітудами. В будь-якому одному напрямку амплітуда
найбільша.
Частково поляризоване
світло

10.

• Напрям коливань вектора E в площині
(E; V):
Природне світло
Плоскополяризоване
світло
Частково поляризоване
світло

11.

• Поляризатор - пристрій, за допомогою якого
з природного світла виділяють поляризоване
світло.
• Поляризація світла –
це процес перетворення природного світла в
повністю або частково поляризоване.

12. Способи отримання поляризованого світла :

1) поляризатор
2) поляризація світла при його падінні на
межу поділу двох прозорих
діелектриків
3) поляризація світла в оптично
анізотропному середовищі (при
подвійному променезаломленні)

13.

• Якщо на поляризатор падає природне
світло інтенсивністю I0, то інтенсивність
поляризованого світла (I), що вийшло з
поляризатора,
вдвічі
менша
за
інтенсивність природного світла:
I = ½ I0

14.

• Якщо поляризоване світло, отримане за
допомогою одного поляризатора, падає
на інший поляризатор, то другий
поляризатор називають аналізатором.
• Інтенсивність світла, що вийшло з аналізатора, залежить від величини
кута між головними площинами поляризатора і аналізатора, тобто
площинами, в яких поляризують світло поляризатор і аналізатор.

15.

• Закон Малюса :
2
I I 0 cos
І0 – інтенсивність поляризованого світла, що падає на
аналізатор
І – інтенсивність поляризованого світла, що вийшло з
аналізатора,
φ - кут між головними площинами поляризатора та
аналізатора.
Якщо φ = 0º, то І = І0; якщо φ = 90º , то І = 0.

16.

• При падінні світла на межі поділу двох прозорих
діелектриків утворюються відбитий і заломлений
промені, причому в загальному випадку обидва
промені є частково поляризованими, тобто
відбувається поляризація світла.
• Якщо падаюче світло природне, то заломлений промінь в основному
поляризований в площині падіння, а відбитий - в площині,
перпендикулярній площині падіння.

17.

Закон Брюстера:
якщо
кут
падіння
(α)
співвідношенню
tg n
задовольняє
то відбитий промінь є повністю поляризованим,
а заломлений - частково поляризованим з
максимальним ступенем поляризації.
n – показник заломлення другого середовища
відносно першого: n = n1/n2
αБ - кут Брюстера.
αБ

18.

• Стопа
Столєтова
прозорих пластин) -
(набір
тонких
використовують для
поляризації заломленого
збільшення ступеня
променя.
• На виході з стопи світло є вже майже повністю
поляризованим.

19.

• Оптично
анізотропні
середовища
-
середовища, оптичні властивості яких залежать від
напрямку поширення світла в них (кристали ісландський шпат, турмалін, герапатіт).
• В оптично анізотропних середовищах відбувається
явище подвійного променезаломлення, яке
супроводжується поляризацією світла.

20.

• Швидкість поширення світла в оптично
анізотропних
кристалах
в
різних
напрямках є різною.
• Оптична вісь кристала – це напрямок,
в якому швидкість поширення світла
екстремальна (тобто максимальна або
мінімальна).
• Вздовж оптичної осі кристала подвійне
променезаломлення не спостерігається,

21.

• Якщо промінь природного світла падає на оптично
анізотропний кристал, то в результаті заломлення
світла в загальному випадку утворюються два
промені – звичайний, або ординарний (о) і
незвичайний, або екстраординарний (е).
• Обидва
промені
повністю
поляризовані,
незвичайний промінь - в головній оптичній площині,
а звичайний - в площині, перпендикулярній до
головної.
е
Естественный
Природне світло
свет
о

22.

• Звичайний промінь поширюється в
площині падіння променя (для нього
виконується закон заломлення світла).
• Незвичайний промінь поширюється в
головній оптичній площині - площині,
утвореній падаючим променем і оптичною
віссю кристала, що проходить через точку
падіння променя.

23.

Скорости распространения обыкновенного и необыкновенного лучей в оптически анизотропной среде различны, а
следовательно, различны и показатели преломления среды для этих лучей.
Позитивні кристали: ve < vо
Негативні кристали: ve > vо
• vо – швидкість поширення звичайного променя
• ve - швидкість поширення незвичайного променя

24.

• Дихроїзм - явище, при якому один з
променів поглинається значно сильніше
іншого;
відбувається в деяких кристалах з
подвійним променезаломленням (турмалін,
герапатіт тощо).
• При достатній товщині кристала, що має
властивість дихроїзму, з нього виходить тільки
один повністю поляризований промінь.
Такі кристали можуть використовуватися як
поляризатори світла.

25.

• Призма Ніколя (або ніколь) – використовується для
отримання незабарвленого поляризованого світла.
• Виготовляється
з
двох
частин
кристалу
ісландського
шпату,
склеєних
канадським
бальзамом.
• Показник заломлення канадського бальзаму (n = 1,55);
показник заломлення ісландського шпату для незвичайного
променя (ne=1,49), для звичайного променя (nо =1,66)
ne< n < no

26.

Кути в призмі (220, 680 , 900 ) підібрані так, що
• звичайний
промінь
(о)
повністю
відбивається на межі поділу ісландського
шпату
з
канадським
бальзамом
і
поглинається зачерненою бічною гранню
призми
• незвичайний промінь (e) виходить з призми і
є повністю поляризованим і незабарвленим.

27.

• Оптично активні речовини - речовини, здатні
повертати площину поляризації поляризованого
світла на деякий кут α
• Згідно із законом Біо:
0
αo – стала обертання,
- довжина шляху світла в оптично активному
середовищі.
α
Оптично
активна
речовина
l

28.

• Розчини оптично активних речовин у неактивних
розчинниках (наприклад, цукру в воді) також
оптично активні.
• Кут (α) повороту площини поляризації світла
шаром такого розчину:
0 c
с – концентрація оптично активної речовини в
розчині,
[α0] - питоме обертання (залежить від довжини
хвилі (λ), температури розчину та властивостей
розчинника)
[α0] ~1/λ2

29.

• Поляриметрія (сахариметрія) - метод визначення
концентрації оптично активних речовин в розчинах,
заснований на залежності кута повороту площини
поляризації світла розчином оптично активної
речовини від концентрації цієї речовини.
• Вимірювальні пристрої при цьому називаються
поляриметри, або сахариметри.

30.

• Молекули найважливіших біохімічних
сполук (білків, цукрів, нуклеїнових
кислот) асиметричні, внаслідок чого ці
речовини (і їх розчини) мають оптичну
активність.
• Для зазначених речовин можуть
існувати
і
правообертальні,
і
лівообертальні молекули, але їх
біологічна значущість для людини
істотно різниться.
• Рацемічна суміш - концентрації
лівообертальних і правообертальних
молекул однакові.

31.

• На явищі поляризації
світла заснована робота
поляризаційного
мікроскопа.
Поляризаційний мікроскоп
відрізняється від
звичайного оптичного
тим, що в його склад
входять поляризатор і
аналізатор.
• У
поляризаційному
мікроскопі
можливо
досліджувати
оптично анізотропні
або оптично активні
об'єкти
(м'язова,
кісткова,
нервова
тканини).

32.

Шліф кісткової тканини:
1 - кісткові клітини
2 - проміжна кісткова речовина;
3 - гаверсов канал
Мікропрепарат міокарда в
поляризованому світлі в нормі

33.

34. Взаємодія світла з речовиною I. Поглинання світла

• Поглинанням
світла
називають
зменшення
інтенсивності світла при проходженні через речовину
внаслідок перетворення енергії світла в інші види енергії.
Поглинання світла речовиною описується законом Бугера
0 e
k
де I - інтенсивність світла, що пройшло через шар речовини
товщиною l, I0 - інтенсивність падаючого на цю речовину світла,
k - натуральний показник поглинання. Натуральний показник
поглинання є характеристикою поглинаючого середовища та
залежить від довжини хвилі світла. Тому формула точно
виконується тільки для монохроматичного світла, і показник (k)
вірніше називати натуральним монохроматичним показником
поглинання.

35.

• Практично важливим є випадок, коли світло
поглинається речовиною, розчиненою в деякому
розчиннику, причому поглинанням світла розчинником
можна знехтувати.
• У цьому випадку інтенсивність світла, що пройшло
через розчин, залежить від концентрації розчиненої
речовини. Ця залежність для розбавлених (не дуже
концентрованих) розчинів має вигляд
0e
χ c
де с - молярна концентрація розчину, а - натуральний
молярний показник поглинання. Формулу називають
законом Бугера - Ламберта - Бера.

36.

Цей закон часто записується у вигляді
0 10
χc
де - молярний показник поглинання.
lg e 0,43
• Показники та залежать від довжини світла.
Тому
вони
називаються
монохроматичними
показниками поглинання.

37.

• Для характеристики поглинання світла речовиною
можуть також використовуватися такі величини як
коефіцієнт пропускання (τ) та оптична густина
розчину (D)
Ι
τ
Ι0
Ι0
1
D lg lg χc
τ
Ι
• Залежності показників поглинання речовини або
оптичної густини розчину речовини від довжини
хвилі світла називаються спектрами поглинання
цієї речовини.

38.

Концентраційна
колориметрія
фотометрична
методика визначення
концентрації розчинів
речовин,
які
поглинають
світло,
шляхом
вимірювання
оптичної густини цих
розчинів.

39. II. Розсіяння світла

• Розсіяння світла – явище, при якому частина
світлових хвиль, що проходять речовину, змінює
напрям свого поширення.
• Причиною розсіяння світла при поширенні в
будь-якому середовищі є наявність в цьому
середовищі оптичних неоднорідностей, тобто
ділянок середовища, які відрізняються за
величиною показника заломлення.
• Два види розсіяння: розсіяння в мутних
середовищах та молекулярне розсіяння.

40.

• Розсіяння
в
мутних
середовищах (іноді кажуть – в
дисперсійних середовищах) це розсіяння на дрібних
чужорідних
частинках
в
однорідній прозорій речовині
(наприклад, дим, туман тощо).
Розсіяння
в
мутних Джерело
середовищах називають також світла Дійсний
розчин
явищем Тіндаля.
• Молекулярне
розсіяння
відбувається через те, що в
прозорому середовищі через
хаотичність руху частинок, що
утворюють його, весь час
виникають і зникають ділянки,
в яких густина (від якої
залежить показник заломлення
середовища)
більша
або
менша за середню густину
речовини.
Ефект Тіндаля
Джерело
світла
Екран
Колоїдний
розчин
Екран
Електрон,
що коливається
Падаюче світло
Нерухоме
ядро
Розсіяне
світло

41.

• Розсіяння світла описується формулою, аналогічною закону
Бугера
0 10
m
де m - показник розсіяння (точніше - монохроматичний показник
розсіяння).
Показник розсіяння світла залежить від довжини хвилі, причому,
чим менша довжина хвилі світла, тим сильніше воно розсіюється.
В результаті при розсіянні білого світла найсильніше
розсіюються блакитні, сині та фіолетові промені, а найкраще
проходять, не розсіюючись, оранжеві та червоні. Саме тому небо
вдень має блакитний колір, а сонце при заході - червоний.

42.

• Залежність інтенсивності розсіяного світла від довжини хвилі
цього світла називається законом Релея. Релей встановив, що
під час розсіяння світла у мутному середовищі на частинках,
менших за розміром, ніж 0,2, де
λ - довжина хвилі світла, що розсіюється, а також при
молекулярному розсіянні, інтенсивність розсіяного світла
обернено пропорційна четвертій степені довжини хвилі:
I рас ~
1
4
• Визначення показників, що характеризують розсіяння світла,
називається нефелометрією, а вимірювальні прилади, які при
цьому використовуються, - нефелометрами.

43. III. Дисперсія світла

• Дисперсією світла називають залежність
показника заломлення (n) речовини від частоти
(υ) або довжини хвилі (λ) світла.
• Причиною існування цієї залежності є те, що під
дією світлової хвилі виникають вимушені
коливання електронів в атомах речовини, що
спричиняє випромінювання цими атомами
вторинних хвиль. Ці вторинні хвилі, що
складаються з первинною хвилею, утворюють
результуючу хвилю.

44.

• Відмінність фаз первинної хвилі та вторинних хвиль
приводить до того, що швидкість поширення
результуючої хвилі відрізняється від швидкості
первинної хвилі у вакуумі. Амплітуда вимушених
коливань електронів в атомах речовини тим більша, чим
ближче частота світлової хвилі до власної частоти
коливань електронів в атомі.
• Тому швидкість світла в речовині залежить від
частоти світла, а отже, і від його довжини хвилі.
• Враховуючи, що показник заломлення - це відношення
швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в
речовині, зрозуміло, що при зміні частоти (або довжини
хвилі) світла змінюється й показник заломлення
речовини.

45.

• Залежність показника заломлення речовини від
довжини хвилі світла показана на рисунку.
n
I
II
I
II
I
λ
• На графіку залежності (n) від (λ) чергуються ділянки, у
яких із зростанням довжини хвилі світла показник
dn
0
заломлення зменшується
d
та ділянки, у яких із зростанням довжини хвилі
показник заломлення зростає dn 0 .
d

46.

• Перші ділянки - це ділянки нормальної дисперсії,
другі - це ділянки аномальної дисперсії. Для ділянок
аномальної
дисперсії
характерне
інтенсивне
поглинання світла речовиною, унаслідок чого
аномальну дисперсію дуже важко спостерігати.
• У ділянках нормальної дисперсії для опису
залежності показника заломлення речовини від
довжини хвилі світла може використовуватися
формула
n a
де a и b – деякі сталі.
b
λ
2

47.

• Для
опису
явища
дисперсії
світла
використовують таку величину (характеристику)
як дисперсія речовини
dn
D
dλ
• Для ділянок нормальної дисперсії дисперсія
речовини дорівнює
D
2b
λ
3

48.

Дякуємо
за увагу!