Применение поляризованного света. Справочная база данных по применению поляризованного света в медицине Поляризация света и ее техническое применение

направление колебаний задается поляризатором. Минерал изучается в проходящем поляризованном свете, который внешне ничем не отличается от обычного света, т. е. мы без дополнительных устройств не в состоянии определить, с каким светом имеем дело– простым или поляризованным. Для того, чтобы воспользоваться всеми преимуществами поляризованного света, необходимо использовать еще один поляризатор, который называется анализатором. Он расположен в верхней части тубуса, непосредственно перед окулярами. Анализатор можно убирать, и тогда мы рассматриваем минерал на просвет так же, как и в обычном свете. Когда же анализатор включен(николи скрещены), то наблюдаются специфические картины, зависящие от структуры минерала и его оптических свойств.

Для возможности использования поляризованного микроскопа необходимы специальные знания по кристаллооптике, т. к., используя такой микроскоп, исследователь по оптическим свойствам и явлениям, наблюдаемым только в такой микроскоп, может многое сказать о структуре минерала. Не вдаваясь в теоретические знания по кристаллооптике, мы рассмотрим некоторые практические следствия, которые можно наблюдать при работе с поляризационным микроскопом.

О ПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛОВ

Наиболее важными оптическими свойствами для идентификации минералов является оптический класс и показатель преломления.

При оптическом методе исследования применяют поляризационный микроскоп. Надо приготовить препарат из исследуемых зерен. Исследуемые зерна должны быть небольшими (при необходимости большие зерна раздавливают) – размер 0,1–0,2 мм. Они должны находится (быть погружены) в капле жидкости на предметном стекле, покрытой покровным стеклом. Иногда минералы исследуются в шлифах (тонких пластинках толщиной 0,03 мм). Пластинки наклеивают на предметное стекло специальным изотропным веществом, смолой, – канадским бальзамом и накрывают покровным стеклом. Но это больше касается изучения минералов совместно с горными породами.

Первая задача при определении минерала заключается в выяснении, к какому минеральному виду он принадлежит: является ли он корундом, цирконом, оливином или полевым шпатом. Первое предположение о природе минерала нередко можно сделать на основании его цвета, блеска и общего вида, но быть уверенным в правильности определения можно только в результате измерения той или иной его оптической или физической константы.

Прежде чем определять оптические свойства минерала, под микроскопом наблюдают его физические свойства, связанные со структурой и симметрией– это форма зерен или их обломков, спайность, трещиноватость, включения. Наличие или отсутствие спайности выявляется обычно при дроблении минерала на мелкие осколки; так минерал с хорошей спайностью образует осколки пре-

шпаты и тригональные карбонаты). В некоторых случаях под микроскопом можно определить направления или углы спайности.

Изучение прозрачности

Минералы бывают прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные. Минералы, слагающие горные породы (силикаты, алюмосиликаты, реже карбонаты и фосфаты) являются прозрачными – это оливин, пироксен, амфибол, кварц, полевые шпаты, кальцит, апатит и др. Полупрозрачными называются минералы, просвечивающие в тонких сколах, например, хромшпинелиды или гематит. Непрозрачными называются минералы, не просвечивающие даже в тонких сколах, например, пирит, халькопирит, магнетит, ильменит и др.

Изучение формы зерен

Для многих минералов форма зерен и наличие спайности являются легко наблюдаемыми диагностическими признаками, поэтому с их изучения и надо начинать определение минерала. Анизотропные минералы в зависимости от типа кристаллической решетки могут иметь т а б л и т ч а т ы,е п р и з м а т и ч е - с к и е, п л а с т и н ч а т ы е, л и с т о в а т ы е, ч е ш у й ч а т ы е, и г о л ь ч а т ы е и другие формы

Исследование включений

Включения и их характер дают представление об условиях кристаллизации несущего их минерала, от которого они отличаются размерами, формой, рельефом и цветом. Включения могут быть представлены округлыми пузырьками, тонкими игольчатыми кристалликами и неправильными образованиями(при замещении). Пузырьки заполнены газом, жидкостью, иногда тем и другим вместе и даже с участием твердой фазы– мельчайших кристалликов каких-либо минералов. Точная диагностика включений требует специальной методики. Поэтому при изучении под микроскопом ограничиваются описанием их формы и размеров, ориентировки по отношению к граням или спайности, количества, равномерности распределения в минерале и определением в первом приближении.

Определение оптического класса

Анизотропные вещества легко отличить от изотропных, если наблюдать препарат с исследуемыми зернами под поляризационным микроскопом с вв - е денным анализатором .

1. Жидкость и зерна изотропного вещества будут казаться темными и останутся такими при любом повороте столика микроскопа.

2. На большей части зерен анизотропного вещества будут наблюдаться цвета интерференции, а зерна будут становиться темными(погасать) четыре раза с интервалом в 90º при полном повороте столика микроскопа.

3. Чтобы определить, является ли анизотропный минерал одноосным (минералом средних сингоний) или двуосным (минералом низших сингоний) ис-

на, делающей свет сходящимся. Перед определением осности среди массы зерен находят наиболее тусклое серое зерно, даже когда оно находится на45º от положения максимального погасания. При включении линзы Бертрана получают одну из характерных фигур интерференции(черный крест для одноосных минералов или одну, не уходящую при вращении столика микроскопа, ветвь гиперболы для двуосных минералов). Тут же можно определитьоптический знак минерала (положительный или отрицательный), если воспользоваться дополнительными приспособлениями – кварцевой пластинкой или кварцевым клином.

Определение показателя преломления

Отклонение направления светового луча при вхождении в другую среду называется светопреломлением . Показатель преломления может быть определен как скорость света в воздухе, деленная на скорость света в среде. Скорость света в воздухе равно300 000 км/сек. С такой же огромной скоростью идет к нам свет от Солнца и звезд. В кварце (горный хрусталь, аметист) скорость света снижается до 194 000 км/сек, а в алмазе до 124 000 км/сек. Таким образом алмаз имеет показатель преломления 300 000: 124 000 = 2,42, т. е. самый высокий по сравнению с показателями преломления всех драгоценных камней, используемых в ювелирном деле, что обусловливает сверкающий алмазный блеск камня.

Измерение величин показателя преломления является важным методом определения минералов. Для каждого минерала характерен определенный показатель или показатели преломления.

Для изотропных минералов характерен только один показатель преломления, а для анизотропных – два или три крайних значения. Свет, проходя через изотропное вещество (например, воду, стекло или изотропный минерала – гранат, шпинель, флюорит) распространяется с одинаковой скоростью по всем направлениям – показатель преломления таких веществ только один.

Также вы помните, что луч света, проходя через кальцит (или другие анизотропные вещества) распадается на два луча, колебания которых взаимно перпендикулярны. Один из лучей называют обыкновенным, а другой необыкновенным. Один из лучей будет иметь максимальный показатель преломления для данного минерала, а второй, перпендикулярный первому, – минимальный. Для минералов низших сингоний существует еще и третий показатель преломления n m , промежуточный. Чем больше разница между значениями минимального и максимального показателей преломления, тем больше у минерала двупреломление. Двупреломление в отличие от показателя преломления определить под микроскопом гораздо сложнее, т. к. этот параметр зависит от толщины зерна. Двупреломление определяют в шлифах и на рефрактометре.

Перед тем как производить точные измерения показателя преломления необходимо найти ориентированное сечение минерала(обычно он должен лежать на стекле параллельно оси симметрии), в котором можно точно определить два показателя преломления – один вдоль оси, а второй – перпендикуляр-

но ей. Хотя часто бывает достаточно определить, в общем, величину показателя преломления, чтобы оценить ее как высокую, среднюю или низкую.

Показатель преломления ювелирных камней (особенно в оправе) определяют при помощи рефрактометра. Незакрепленные ювелирные камни (особенно, если у них нет ровных граней) определяют при помощи иммерсионных жидкостей. При использовании этого метода зерно погружают в каплю жидкости с известным показателем преломления и накрывают покровным стеклом. Наблюдения поверхности минерала и его контактов с жидкостью покажут -на сколько показатели преломления этих двух компонентов(минерала и жидкости) различаются между собой. Чем меньше разница в показателях преломления, тем тоньше границы зерна и тем более гладкая будет его поверхность. Сведения о том, больше или меньше показатель преломления минерала по отношению к жидкости, даст оптический эффект, который называется полоска Бекке. Это световая полоска на контакте минерала и жидкости, возникает из-за разницы показателей преломления двух сред.

По направлению движения полоски Бекке можно судить о том больше или меньше показатель преломления минерала, чем показатель преломления жидкости. Для этого надо притенить изображение, немного прикрыв диафрагму, сделать большое увеличение и осторожно опускать или поднимать столик микроскопа. Если полоска Бекке при опускании столика будет двигаться на минерал, то его показатель преломления выше, чем у жидкости, если от минерала, то наоборот.

Изучение окраски минерала и плеохроизма

Это важное свойство, которым обладают окрашенные минералы. Подавляющее большинство минералов, обладающих плеохроизмом, макроскопически его не проявляют, т. к. для этого нужны специальные условия наблюдения (на просвет), а многие, прекрасно плеохроирующие минералы из-за своего темного цвета в больших зернах, не просвечивают (например, биотит и роговая обманка). Для наблюдения плеохроизма достаточно вращать столик микроскопа и наблюдать изменение цвета минерала (без анализатора).

Несмотря на то, что минерал может быть окрашен в разных породах -по разному, у него есть какой-то чаще других встречающийся цвет, который является основным. Окраска минерала, обусловленная его внутренними свойствами, называется идиохроматической, а зависящая от примесей – аллохроматической. При прохождении через любое вещество интенсивность света всегда уменьшается, т. к. свет частично поглощается этим веществом. Если все длины волн белого света поглощаются (а б с о р б и р у ю т) равномерно, то вещество будет казаться бесцветным. Если какие-то длины волн поглощаются более интенсивно,

то вещество будет казаться окрашенным. Оптически изотропные вещества обладают равномерной абсорбцией, поэтому при вращении столика микроскопа их окраска не будет изменяться. Однако чаще всего мы имеем дело с оптически анизотропными средами, обладающими избирательной абсорбцией. Такая и з-

* Окраска является результатом суммы всех длин волн света, прошедших через данное вещество;

Явление поляризации света – это оптический феномен, находящий применение в технике, но не встречающийся в повседневной жизни. Поляризованный свет буквально окружает нас, но человеческому глазу поляризация практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой».

В своей книге «Трактат о свете» Христиан Гюйгенс описывает удивительное явление, обнаруженное им в опытах с прозрачными кристаллами исландского шпата: если про­пустить свет через кристалл шпата, то после вторичного прохождения света через такой же кристалл, при определенной ориентации све­тового луча и кристалла, луч практически полностью исчезает. Отсюда можно заключить, что в результате действия на свет первого крис­талла вышедшая из него световая волна оказывается не такой, какой она была до этого. Впоследствии французский ученый Э. Малюс назвал это явление поляризацией света.

В электромагнитной теории света поляризация световых волн объясняется следующим образом.

Естественный свет, создаваемый солнцем или какими-либо обычными источниками, например лампами, представляет собой совокупность волн, излучаемых огромным количеством атомов. В таком свете колебания вектора Е происходит по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения света (рис.22.1). Если пучок естественного света пропустить через, например, кристалл турмалина, то свет окажется поляризованным. Это связано с тем, что некоторые кристаллы (особенно турмалин) обладают свойством пропускать световые волны только в одной плоскости, совпадающей с осью симметрии кристалла и при прохождении через кристалл будет пропущена лишь та часть падающего естественного света, в которой вектор напряжённости Е ориентирован параллельно оси кристалла.

Процесс ориентации колебаний вектора Е световой волны в определённом направлении называется поляризацией .

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходит в одной плоскости.

Плоскость, проходящая через электрический вектор Е и направление распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации (плоскостью колебаний).

Если за первым кристаллом поставить второй кристалл, то до него уже доходит поляризованный свет (рис. 22.2). При параллельном расположении осей обоих кристаллов ничего интересного не произойдёт. Если же второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то по мере увеличения угла между их осями интенсивность прошедшего света будет постепенно уменьшаться и при взаимоперпендикулярном расположении осей обратится в нуль. В этом случае, в падающем на второй кристалл световой волне не будет присутствовать колебания вектора Е, параллельные оси кристалла, и потому этот кристалл не пропустит свет, полностью поглотив его.

Поляризованную волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль неё (рис.22.3). Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, и позволяющее получать поляризованный свет из естественного света называется поляризатором .

Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором

Если на анализатор падает поляризованный луч, плоскость поляризации которого составляет угол α с плоскостью поляризации анализатора, то интенсивность прошедшего сквозь анализатор луча определяется законом Малюса (рис. 22.4):

I = I 0 cos 2 α (22.1)

Если α =π/2, то будет полное затмение поля зрения.

Балятинская Ульяна, ученица 11 класса

В работе приводится наглядный материал к урку по теме "Практическое применение явления поляризации"

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Применение поляризации света Выполнила ученица 11 класса Балятинская Ульяна

Поляризационные микроскопы В основе принципа действия поляризационных микроскопов лежит получение изображения исследуемого объекта при его облучении поляризационными лучами, которые в свою очередь должны быть сгенерированы из обычного света с помощью специального прибора - поляризатора.

Очень часто при отражении от снежного покрова, поверхности воды, мокрого снега, стекла образуется режущий глаза яркий свет,они называются « бликами». Эти « блики « понижают качество фотографий, мешают рыбакам при рыбной ловле, ухудшают видимость водителям автомашин. Для подавления отраженного света применяется поляризационные линзы в очках, светофильтры в фотоаппаратах.

Солнцезащитные поляризационные очки Поляризационные очки защищают глаза от ослепляющих бликов, которые представляют собой отраженный от различных поверхностей свет. Световые лучи отражаются от дорожного полотна, лежащего на земле снега, от водной поверхности, от стен и крыш домов. Эти отраженные световые лучи образуют блики. Блики ухудшают качество зрения, мешают видеть детали, яркие блики ослепляют. Отражение тем сильнее, чем выше отражающая способность поверхности. Например, сильно отражаются солнечные лучи от мокрого дорожного полотна, особенно когда солнце стоит низко над горизонтом. Ослепление водителя в этих ситуациях увеличивает риск возникновения аварийной ситуации на дороге. Солнцезащитные поляризационные очки обладают способностью блокировать отраженные световые лучи и таким образом улучшают качество зрение, повышают контраст изображения, увеличивают зрительный комфорт в целом. Устройство поляризационных очков В поляризационных очках установлены специальные поляризационные очковые линзы, обладающие способностью блокировать отраженный от горизонтальных поверхностей солнечный свет. Поляризационные линзы обычно представляют собой многослойную конструкцию, внутри которой находится прозрачная поляризационная пленка. Поляризационная пленка установлена в линзы так, что она пропускает свет, имеющий только вертикальную поляризацию. Световые лучи, отраженные от горизонтальных поверхностей (заснеженного поля, водной поверхности и др.), имеют, наоборот, горизонтальную поляризацию и поэтому не проходят через поляризационные линзы. В то же время лучи, исходящие от других объектов, неполяризованные и поэтому проходят через поляризационные линзы и формируют четкое изображение на сетчатке глаза.

Технологии производства очков можно свести к двум. В первом случае кристаллы поляризующего вещества наносят на пленку, которую вклеивают между двух пластиковых пластин, образующих линзу очков. Эта технология наиболее дешевая. Вторая технология состоит в размещении кристалов поляризующего вещества непосредственно в стекле линзы очков. Эта технология значительно дороже по стоимости, но и качество изготовления таких очков существенно выше. Чем дешевле очки, тем тоньше в них линзы и тоньше слой поляризующего вещества. Прямое следствие этого - плохой уровень поляризации. Хорошие очки стоят довольно дорого, но всегда оправдывают потраченные на них средства. Если говорить о ценах, то вполне приличные очки стоят от 50 до 100 американских долларов.

Выбор цвета очков Серый хорошо подходит для яркого солнечного дня. Цвета передаются практически без искажений, позволяя видеть вещи с их натуральными оттенками. Если вы хотите найти компромисс между хорошим контрастом и натуральными оттенкам, выбирайте коричневый. Оранжевый (медный) цвет практически универсален, но наиболее хорош в облачную погоду. Наибольшее количество известных рыбаков, для которых успех рыбалки во многом состоит в способности увидеть рыбу, пользуются именно такими линзами Если вы ловите рыбу ранним утром и ближе к вечеру, то желтый цвет линз наиболее предпочтителен так как позволяет пользоваться ими в условиях исключительно низкой освещенности. Только не стоит надевать такие очки в солнечную погоду потому, так как глазам требуется более серьезная защита.

Обычные солнцезащитные очки просто затемняют видимую среду, не защищают от бликов. Очки с поляризационными линзами препятствуют проникновению отраженного от различных предметов света, пропускают только свет, полезный для глаза человека.

Поляризационные светофильтры Невозможно представить современную фотографию без поляризационных светофильтров. Он представляет собой пластинку из специального материала, укрепленную между двумя плоскими стеклами и поляризующую свет. Вся это система монтируется в специальной вращающейся оправе, на которой наносится метка, показывающая положение плоскости поляризации. Поляризационный светофильтр увеличивает на фотографии резкость и чистоту цвета, помогает устранить блики. За счет этого на фотографии лучше проявляется собственный цвет предметов, увеличивается насыщенность цвета.

Устройство ЖК-монитора. C остоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.Молекулы в отсутствие электрического напряжения между электродами выстраиваются в винтовую структуру, при этом до второго фильтра плоскость поляризации поворачивается на 90 º и свет через вертикальный фильтр проходит уже без потерь. Если же к электродам приложено напряжение, молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Изменяя напряжение между электродами, можно управлять световым потоком, проходящим через монитор. При этом светятся не экраны телевизоров, а тонкий слой жидкого кристалла.

Поляризованный свет прибора Биоптрон оказывает регулирующее действие на многие физиологические процессы в организме, на иммунную систему, обладает противовоспалительным, иммуномодулирующим, анальгезирующим действием, стимулирует регенерацию тканей. Под влиянием поляризованного света увеличивается энергетическая активность клеточной мембраны, поглощение кислорода тканями, улучшаются реологические свойства крови и микроциркуляция, газообменная и транспортная функция крови, изменяется функциональная активность всех циркулирующих лейкоцитов.

Интересные факты, связанные с поляризацией света Солнечный свет в определенном направлении от Солнца является поляризованным. Поляризация солнечных лучей происходит в результате отражения от молекул воздуха и преломления на капельках воды Поэтому с помощью поляроида можно полностью закрыть радугу Многие насекомые в отли - чие от человека видят поляризованный свет. Пчелы и муравьи хорошо ориентируются даже тогда, когда Солнце скрыто за облаками. В глазе человека молекулы светочувстви - тельного пигмента родоп - сина расположены беспо - рядочно, а в глазе насеко - те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позво – ляет им сильнее реагиро - вать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул.

Поворачивая кристалл и следя за изменением проходящего через него рассеянного атмосферой солнечного света, викинги могли на основании таких наблюдений определить направление на Солнце, даже если оно находится ниже линии горизонта.

Спасибо за внимание

В. МУРАХВЕРИ

Явление поляризации света, изучаемое и в школьном и в институтском курсах физики, остается в памяти многих из нас как любопытный, находящий применение в технике, но не встречающийся в повседневной жизни оптический феномен. Голландский физик Г. Кеннен в своей статье, опубликованной в журнале «Натуур эн техниек», показывает, что это далеко не так – поляризованный свет буквально окружает нас.

Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем «поляризационной слепотой». В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Человеку можно объяснить, что такое поляризация, с помощью специальных светофильтров он может увидеть, как меняется свет, если «вычесть» из него поляризацию, но представить себе картину мира «глазами пчелы» мы, видимо, не можем (тем более что зрение насекомых отличается от человеческого и во многих других отношениях).

Рис. 1. Схема строения зрительных рецепторов человека (слева) и членистоногого (справа). У человека молекулы родопсина расположены беспорядочно с складках внутриклеточной мембраны, у членистоногих – на выростах клетки, аккуратными рядами

Поляризация – это ориентированность колебаний световой волны в пространстве. Эти колебания перпендикулярны направлению движения луча света. Элементарная световая частица (квант света) представляет собой волну, которую можно сравнить для наглядности с волной, которая побежит по канату, если, закрепив один его конец, другой встряхнуть рукой. Направление колебаний каната может быть различным, смотря по тому, в каком направлении встряхивать канат. Точно так же и направление колебаний волны кванта может быть разным. Пучок света состоит из множества квантов. Если их колебания различны, такой свет не поляризован, если же все кванты имеют абсолютно одинаковую ориентацию, свет называют полностью поляризованным. Степень поляризации может быть различной в зависимости от того, какая доля квантов в нем обладает одинаковой ориентацией колебаний.

Существуют светофильтры, пропускающие только ту часть света, волны которой ориентированы определенным образом. Если через такой фильтр смотреть на поляризованный свет и при этом поворачивать фильтр, яркость пропускаемого света будет меняться. Она будет максимальна при совпадении направления пропускания фильтра с поляризацией света и минимальна при полном, (на 90°) расхождении этих направлений. С помощью фильтра можно обнаружить поляризацию, превышающую примерно 10%, а специальная аппаратура обнаруживает поляризацию порядка 0,1%.

Поляризационные фильтры, или поляроиды, продаются в магазинах фотопринадлежностей. Если через такой фильтр смотреть на чистое голубое небо (при облачности эффект выражен гораздо слабее) примерно в 90 градусах от направления на Солнце, то есть чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба. Поляроидный фильтр открывает нам явление, которое пчелы видят «простым глазом». Но не надо думать, что пчелы видят ту же темную полосу на небе. Наше положение можно сравнить с положением полного дальтоника, человека, неспособного видеть цвета. Тот, кто различает только черное, белое и различные оттенки серого цвета, мог бы, смотря на окружающий мир попеременно через светофильтры различного цвета, заметить, что картина мира несколько меняется. Например, через красный фильтр иначе выглядел бы красный мак на фоне зеленой травы, через желтый фильтр стали бы сильнее выделяться белые облака на голубом небе. Но фильтры не помогли бы дальтонику понять, как выглядит мир человека с цветным зрением. Так же, как цветные фильтры дальтонику, поляризационный фильтр может лишь подсказать нам, что у света есть какое-то свойство, не воспринимаемое глазом.

Поляризованность света, идущего от голубого неба, некоторые могут заметить и простым глазом. По данным известного советского физика академика С.И. Вавилова, этой способностью обладают 25...30% людей, хотя многие из них об этом не подозревают. При наблюдении поверхности, испускающей поляризованный свет (например, того же голубого неба), такие люди могут заметить в середине поля зрения слабо-желтую полоску с закругленными концами.

Рис. 2.

Еще слабее заметны голубоватые пятнышки в ее центре, по краям. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера, она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 году. Способность видеть эту фигуру можно развивать, если хотя бы раз удастся ее заметить. Интересно, что еще в 1855 году, не будучи знакомым со статьей Гайдингера, напечатанной за девять лет до того в одном немецком физическом журнале, Лев Толстой писал («Юность», глава XXXII): «...я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает...» Такова была наблюдательность великого писателя.

Рис. 3.

В неполяризованном свете (1 ) колебания электрической и магнитной составляющей идут в самых разных плоскостях, которые можно свести к двум, выделенным на этом рисунке. Но колебаний по пути распространения луча нет (свет в отличие от звука – не продольные колебания). В поляризованном свете (2 ) выделена одна плоскость колебаний. В свете, поляризованном по кругу (циркулярно), эта плоскость закручивается в пространстве винтом (3 ). Упрощенная схема объясняет, почему поляризуется отраженный свет (4 ). Как уже сказано, все существующие в луче плоскости колебаний можно свести к двум, они показаны стрелками. Одна из стрелок смотрит на нас и условно видна нам как точка. После отражения света одно из существующих в нем направлений колебаний совпадает с новым направлением распространения луча, а электромагнитные колебания не могут быть направлены вдоль пути своего распространения.

Фигуру Гайдингера можно увидеть гораздо яснее, если смотреть через зеленый или синий светофильтр.

Поляризованность света, исходящего от чистого неба, – лишь один из примеров явлений поляризации в природе. Другой распространенный случай – это поляризованность отраженного света, бликов, например, лежащих на поверхности воды или стеклянных витрин. Собственно, фотографические поляроидные фильтры и предназначены для того, чтобы фотограф мог в случае необходимости устранять эти мешающие блики (например, при съемке дна неглубокого водоема или фотографировании картин и музейных экспонатов, защищенных стеклом). Действие поляроидов в этих случаях основано на том, что отраженный свет в той или иной степени поляризован (степень поляризации зависит от угла падения света и при определенном угле, разном для разных веществ, – так называемом угле Брюстера – отраженный свет поляризован полностью). Если теперь смотреть на блик через поляроидный фильтр, нетрудно подобрать такой поворот фильтра, при котором блик полностью или в значительной мере подавляется.

Применение поляроидных фильтров в противосолнечных очках или ветровом стекле позволяет убрать мешающие, слепящие блики от поверхности моря или влажного шоссе.

Почему поляризован отраженный свет и рассеянный свет неба? Полный и математически строгий ответ на этот вопрос выходит за рамки небольшой научно-популярной публикации (читатели могут найти его в литературе, список которой приведен в конце статьи). Поляризация в этих случаях связана с тем, что колебания даже в неполяризованном луче уже в определенном смысле «поляризованы»: свет в отличие от звука не продольные, а поперечные колебания. В луче нет колебаний по пути его распространения (см. схему). Колебания и магнитной и электрической составляющей электромагнитных волн в неполяризованном луче направлены во все стороны от его оси, но не по этой оси. Все направления этих колебаний можно свести к двум, взаимно перпендикулярным. Когда луч отражается от плоскости, он меняет направление и одно из двух направлений колебаний становится «запретным», так как совпадает с новым направлением распространения луча. Луч становится поляризованным. В прозрачном веществе часть света уходит вглубь, преломляясь, и преломленный свет тоже, хотя и в меньшей степени, чем отраженный, поляризован.

Рассеянный свет неба не что иное, как солнечный свет, претерпевший многократное отражение от молекул воздуха, преломившийся в капельках воды или ледяных кристаллах. Поэтому в определенном направлении от Солнца он поляризован. Поляризация происходит не только при направленном отражении (например, от водной глади), но и при диффузном. Так, с помощью поляроидного фильтра нетрудно убедиться, что поляризован свет, отраженный от покрытия шоссе. При этом действует удивительная зависимость: чем темнее поверхность, тем сильнее поляризован отраженный от нее свет. Эта зависимость получила название закона Умова, по имени русского физика, открывшего ее в 1905 году. Асфальтовое шоссе в соответствии с законом Умова поляризовано сильнее, чем бетонное, влажное – сильнее, чем сухое. Влажная поверхность не только сильнее блестит, но она еще и темнее сухой.

Заметим, что свет, отраженный от поверхности металлов (в том числе от зеркал – ведь каждое зеркало покрыто тонким слоем металла), не поляризован. Это связано с высокой проводимостью металлов, с тем, что в них очень много свободных электронов. Отражение электромагнитных волн от таких поверхностей происходит иначе, чем от поверхностей диэлектрических, непроводящих.

Поляризация света неба была открыта в 1871 году (по другим источникам даже в 1809 году), но подробное теоретическое объяснение этого явления было дано лишь в середине нашего века. Тем не менее, как обнаружили историки, изучавшие древние скандинавские саги о плаваниях викингов, отважные мореходы почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Обычно они плавали, ориентируясь по Солнцу, но, когда светило было скрыто за сплошной облачностью, что не редкость в северных широтах, викинги смотрели на небо через специальный «солнечный камень», который позволял увидеть на небе темную полоску в 90° от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. «Солнечный камень» – видимо, один из прозрачных минералов, обладающих поляризационными свойствами (скорее всего распространенный на севере Европы исландский шпат), а появление на небе более темной полосы объясняется тем, что, хотя за облаками Солнца и не видно, свет неба, проникающий через облака, остается в какой-то степени поляризованным. Несколько лет назад, проверяя это предположение историков, летчик провел небольшой самолет из Норвегии в Гренландию, в качестве навигационного прибора пользуясь только кристаллом минерала кордиерита, поляризующего свет.

Уже говорилось, что многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Что придает глазу насекомых такую способность? Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул. Фигуру Гайдингера можно видеть потому, что часть нашей сетчатки покрыта тонкими, идущими параллельно волокнами, которые частично поляризуют свет.

Любопытные поляризационные эффекты наблюдаются и при редких небесных оптических явлениях, таких, как радуга и гало. То, что свет радуги сильно поляризован, обнаружили в 1811 году. Вращая поляроидный фильтр, можно сделать радугу почти невидимой. Поляризован и свет гало – светящихся кругов или дуг, появляющихся иногда вокруг Солнца и Луны. В образовании и радуги и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса, как мы уже знаем, приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния.

Наконец, следует отметить, что поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Свет, испускаемый ею, – это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.

Вернувшись на Землю, отметим, что некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо. Металлический отблеск спинки такого жука при рассмотрении через специальный фильтр, выявляющий круговую поляризацию, оказывается левозакрученным. Все эти жуки относятся к семейству скарабеев, В чем биологический смысл описанного явления, пока неизвестно.

Литература:

1. Брэгг У. Мир света. Мир звука. М.: Наука, 1967.
2. Вавилов С.И. Глаз и Солнце. М.: Наука, 1981.
3. Венер Р. Навигация по поляризованному свету у насекомых. Журн. «Сайентифик америкен», июль 1976 г.
4. Жевандров И.Д. Анизотропия и оптика. М.: Наука, 1974.
5. Кеннен Г.П. Невидимый свет. Поляризация в природе. Журн. «Натуур эн техниек». №5. 1983.
6. Миннарт М. Свет и цвет в природе. М.: Физматгиз, 1958.
7. Фриш К. Из жизни пчел. М.: Мир, 1980.

Наука и жизнь. 1984. №4.

Практические применения поляризации света. Применения поляризации света для нужд практики очень разнообразны. Некоторые из них разработаны давно и детально и широко используются. Другие только еще пробивают себе дорогу. В методическом отношении всем им свойственна следующая черта - они либо позволяют решить задачи, вовсе недоступные для других методов, либо решают их совершенно оригинальным путем, кратким и эффективным.

Отнюдь не претендуя на полноту описания всех практических применений поляризации света, мы ограничимся только примерами из разных областей деятельности, иллюстрирующими широту применения и полезность этих методов.

Одной из важных повседневных задач светотехники является плавное изменение и регулировка интенсивности световых потоков. Решение этой задачи с помощью пары поляризаторов (например, поляроидов) имеет ряд преимуществ перед другими методами регулировки. Интенсивность может плавно изменяться от максимальной (при параллельных поляроидах) практически до темноты (при скрещенных). При этом интенсивность меняется одинаково по всему сечению пучка и само сечение остается постоянным. Поляроиды могут быть изготовлены большого размера, поэтому такие пары употребляются не только в лабораторных установках, фотометрах, в секстантах или солнечных очках, но и в иллюминаторах пароходов, окнах железнодорожных вагонов и т. п.

Поляроиды могут использоваться также в системах световой блокировки, т. е. в таких системах, которые пропускают свет там, где нужно, и не пропускают там, где не нужно. Пример - светоблокировка автомобильных фар. Если на фары и смотровые стекла автомобилей поставить поляроиды, ориентированные под 45° вправо к вертикали, то поляроиды на фарах и смотровом стекле данного автомобиля будут параллельны. Следовательно, шофер будет хорошо видеть дорогу и встречные машины, освещаемые собственными фарами. Но поляроид, фар встречных автомобилей будут скрещены с поляроидом смотрового стекла данного автомобиля. Поэтому слепящий свет фар встречного автомобиля будет погашен. Несомненно, это сделало бы ночную работу шоферов значительно проще и безопаснее.

Другой пример поляризационной светоблокировки - световое оборудование рабочего места оператора, который должен одновременно видеть, например, экран осциллографа и какие-нибудь таблицы, графики или карты. Свет ламп, освещающих таблицы, попадая на экран осциллографа, ухудшает контрастность изображения на экране. Можно избежать этого, оборудовав осветитель и экран поляроидами с взаимно перпендикулярной ориентацией.

Поляроиды могут быть полезны тем, кто работает на воде (морякам, рыбакам и т. п.), для гашения зеркально отраженных от воды бликов, которые, как мы знаем, частично поляризованы. Поляризаторы широко применяются в фотографии для устранения бликов от фотографируемых объектов (картин, стеклянных и фарфоровых изделий и пр.). При этом можно помещать поляризаторы между источником и отражающей поверхностью, это помогает вовсе погасить блики. Такой метод полезен при освещении фотостудий, картинных галерей, при фотографировании хирургических операций и в ряде других случаев.

Погашение отраженного света при нормальном или близком к нормальному падении может осуществляться с помощью циркулярных поляризаторов. Ранее наукой было доказано, что при этом правоциркулярный свет превращается в левоциркулярный (и наоборот). Следовательно, тот же самый поляризатор, который создает циркулярную поляризацию падающего света, будет гасить отраженный свет.

В спектроскопии, астрофизике и светотехнике находят широкое применение поляризационные фильтры, позволяющие выделять из исследуемого спектра узкие полосы, а также изменять нужным образом насыщенность или оттенок цвета. Действие их основано на том, что основные параметры поляризаторов и фазовых пластинок (например, дихроизм поляроидов) зависят от длины волны. Поэтому различные комбинации этих устройств могут использоваться для изменения спектрального распределения энергии в световых потоках. Например, пара хроматических поляроидов, обладающих дихроизмом только в видимой области, в скрещенном положении будет пропускать красный свет, а в параллельном - белый. Это простейшее устройство удобно для освещения фотолабораторий.

Применяемые для астрофизических исследований поляризационные фильтры содержат довольно большое число элементов (например, шесть поляризаторов и пять чередующихся с ними фазовых пластинок с определенной ориентацией) и позволяют получать достаточно узкие полосы пропускания.

Множество новых материалов все более прочно входят в наш обиход. Речь идет не только о каких-то компьютерных или иных высоких технологиях. Справедливости ради следует отметить, что в современные мешки для мусора 100л можно помещать как отходы, так и сыпучие субстанции для переноса и временного хранения. Мешки обладают достаточно высокой прочностью, благодаря чему находят широкое применение на продовольственных и химических складах. Многие хозяйственники уже оценили достоинства данных изделий и активно применяют их как в складских, так и в бытовых нуждах.