ПЕРЕСЕЧЕННОСТЬ СВЕТОВЫХ ВОЛН ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
Явления интерференции и дифракции не оставляют сомнений в том, что распространяющийся свет обладает свойствами волн. Но каких волн — продольных или поперечных? Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, т. е. подобными звуковым волнам. В то время световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, заполняющем пространство и проникающем внутрь всех тел. Такие волны, казалось, не могли быть поперечными, так как поперечные волны могут существовать только в твердом теле. Но как могут тела двигаться в твердом эфире, не встречая сопротивления? Ведь эфир не должен препятствовать движению тел. В противном случае не выполнялся бы закон инерции. Однако постепенно набиралось все больше и больше экспериментальных фактов, которые никак не удавалось истолковать, считая световые волны продольными. Опыты с турмалином. Рассмотрим подробно только один из экспериментов, очень простой и эффектный. Это опыт с кристаллами турмалина (прозрачными кристаллами зеленой окраски). Кристалл турмалина имеет ось симметрии и принадлежит к числу так называемых одноосных кристаллов. Возьмем прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из ее граней была параллельна оси кристалла. Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, не вызовет (рис. 215). Можно подумать, что свет ^ только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Больше ничего не произошло. Но это не так. Световая волна приобрела новые свойства. Эти новые свойства обнаруживаются, если пучок заставить пройти через второй точно такой же кристалл турмалина (рис. 216, а), параллельный первому. При одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным (рис. 216, б), то обнаружится удивительное явление — гашение света. По мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем (рис. 216, в). Он целиком поглощается вторым кристаллом. Как это можно объяснить? Поперечность световых волн. Из описанных выше опытов следует два факта: во-первых, что световая волна, идущая от источника света, полностью симметрична относительно направления распространения (при вращении кристалла вокруг луча в первом опыте интенсивность не менялась) и, во-вторых, что волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией (в зависимости от поворота второго кристалла относительно луча получается та или иная интенсивность прошедшего света). Продольные волны обладают полной симметрией по отношению к направлению распространения (колебания происходят вдоль этого направления, и оно является осью симметрии волны). Поэтому объяснить опыт с вращением второй пластины, считая световую волну продольной, невозможно. Полное объяснение опыта можно получить, сделав два предположения. Первое предположение относится к самому свету. Свет — поперечная волна. Но в падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн (рис. 217). Согласно этому предположению световая волна обладает осевой симметрией, являясь в то же время поперечной. Волны, например, на поверхности воды такой симметрией не обладают, так как колебания частиц воды происходят только в вертикальной плоскости. Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной. Такое название оправдано, так как в обычных условиях источники света создают именно такую волну. Данное предположение объясняет результат первого опыта. Вращение кристалла турмалина не меняет интенсивность прошедшего света, так как падающая волна обладает осевой симметрией (несмотря на то, что она поперечная). Второе предположение, которое необходимо сделать, относится к кристаллу. Кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, лежащими в одной определенной плоскости (плоскость Р на рисунке 218). Такой свет называется поляризованным или, точнее, плоскополяризованным в отличие от естественного света, который может быть назван также неполяризованным. Это предположение полностью объясняет результаты второго опыта. Из первого кристалла выходит плоскопо-ляризованная волна. При скрещенных кристаллах (угол между осями 90°) она не" проходит сквозь второй кристалл. Если оси кристаллов составляют между собой некоторый угол, отличный от 90 , то проходят колебания, амплитуда которых равна проекции амплитуды волны, прошедшей через первый кристалл, на направление оси второго кристалла. Итак, кристалл турмалина преобразует естественный свет в плос-кополяризованный. Механическая модель опытов с турмалином. Нетрудно построить простую наглядную механическую модель рассматриваемого явления. Можно создать поперечную волну в резиновом шнуре так, чтобы колебания быстро меняли свое направление в пространстве. Это аналог естественной световой волны. Пропустим теперь шнур сквозь узкий деревянный ящик (рис. 219). Из колебаний всевозможных направлений ящик «выделяет» колебания в одной определенной плоскости. Поэтому из ящика выходит поляризованная волна. Если на ее пути имеется еще точно такой же ящик, но повернутый дое тело. Световые волны — это не механические волны в особой всепроникающей среде — эфире, а волны электромагнитные. Электромагнитные же процессы подчиняются не законам механики, а своим собственным законам. Эти законы и были установлены в окончательной форме Максвеллом. В электромагнитной волне векторы Е и В перпендикулярны друг другу. В естественном свете колебания напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны. Если свет поляризован, то колебания как вектора Е, так и вектора В происходят не по всем направлениям, а в двух определенных плоскостях. Электромагнитная волна, изображенная на рисунке 120, является поляризованной. Возникает естественный вопрос: когда шла речь о направлении колебаний в световой волне, то, собственно говоря, колебания какого вектора — Е или В — имелись в виду? Специально поставленные опыты доказали, что на сетчатку глаза или фотоэмульсию действует именно электрическое поле световой волны. В связи с этим за направление колебаний в световой волне принято направление вектора напряженности Е электрического поля. Открытие электромагнитной теории света — одно из немногих открытий, сделанных «на кончике пера», т. е. теоретически. Но уверенность в справедливости электромагнитной теории стала всеобщей после ее экспериментального подтверждения. 1. В опыте Юнга по дифракции расстояние между щелями d=0,07 мм, а расстояние от двойной щели до экрана D=2 м. При освещении прибора зеленым светом расстояние между соседними светлыми дифракционными полосами оказалось равным Д/г=16 мм. Определите по этим данным длину волны. Решение. В некоторой точке С экрана (рис. 220) будет наблюдаться максимум Применим теорему Пифагора к треугольникам 2. На дифракционную решетку, имеющую 500 штрихов на миллиметр, падает плоская монохроматическая волна (Х=5-10~5 см). Определите наибольший порядок спектра k, который можно наблюдать при нормальном падении лучей на решетку. Решение. Максимальному k соответствует sin ф = 1 [см. формулу (8.17)]. Следовательно, k—4-=\. УПРАЖНЕНИЕ 10 dAh D 1. Два когерентных источника S, и S2 испускают свет с длиной волны Л.=5-10 7 м. Источники находятся друг от друга на расстоянии