16. Малюс заңы. Фотополяриметрдің құрылысы мен жұмыс істеу притнципі. Неге жарық интенсивтігі бұл жұмыста фототок мәнімен бағаланады?

Жарықты электромагниттік толқын ретінде сипаттайтын құбылыстардың бірі-жарықтың поляризациясы. Тәжрибе жүзінде бұл құбылыспен танысудың өзінше ерекшеліктері болады.

Электромагниттік толқындар поляризациясы теориясының негізгі қағидаларына тоқталайық.

Егер, электромагниттік (жарық) толқынындағы электрлік кернеу векторы белгілі бір жазықтықта ғана тербелетін болса, ондай толқын жазық-поляризацияланған деп аталады. Толқынның таралу бағыты арқылы өтетін және электрлік кернеулік векторының тербелетін жазық-поляризацияланған электромагниттік толқын жазықтығын поляризациялану жазықтығы немесе тербеліс жазықтығы деп атайды. Кейде поляризациялану жазықтығы деп электромагниттік толқын ішіндегі магнит өрісінің кернеулік векторының уақыт бойынша тербеліс жазықтығын айтады. Ол тербеліс жазықтығына перпендикуляр жазықтық болады.

Кәдімгі жарық көздері кеңістікте поляризацияланбаған жарық толқындарын, яғни табиғи жарық шығарады. Өйткені, жай жарық көздерінде жарық шығару көптеген элементар бөлшектердің нұрлануымен (атомдар-осцилляторлар) байланысты, ал олар бірімен- бірі байланыссыз, тәуелсіз элементар жарық көздері болып табылады.

Кейбір орталар (денелер) өзіне түскен табиғи жарық толқындарының кейбір бөлігін ғана өткізетін қасиеті болады (мысалы, турмалин). Мұндай жағдайда бастапқы поляризация-ланбаған тербелістер арасынан поляризациялану күйіне сәйкес келетін тербелісті бөліп алуға болады.

5.1-сурет. Поляризациялық құралдың принциптік схемасы

Турмалинге ұқсас денелерді (поляроид пластинкалары, поляризацияланушы призмалар және қосарластырып сындырушы призмалар және т.б.) поляризаторлар деп атайды. Поляризаторлардың тербеліс өткізетін жазықтығын поляризаторлардың ``поляризациялану жазықтығы`` деп атайды. Поляризатордан шыққан (поляризация-ланған) жарық жолына анализатор деп атайтын екінші поляризатор қойылса (5.1-сурет) тәжірибе мынадай жағдайды көрсетеді: поляризатордан және анализатордан өткен (системадан өткен) жарық толқынының электрлік кернеулік векторы тербелісінің тербеліс амплитудасы поляризатор мен анализаторлардың поляризациялану жазықтықтарының араларындағы бұрыштың α мәніне тәуелді болады. Олай болса өткен жарық интенсивтігінің мәні де α бұрышына тәуелді болады. Осы тәуелділікті көрсететін заң Малюс заңы деп аталады.

J=J₀cos² α (5.1)

Мұндағы J₀ - анализаторға түсетін жарық толқынының интенсивтігі, J - анализатордан шыққан жарық толқынының интенсивтігі.

Поляризатордың және анализатордың поляризациялану жазықтықтары өзара перпендикуляр болған жағдайда жүйеден жарық өтпейді.

Осыған қоса кез келген табиғи жарықтардың екі ортаның шекарасындағы шағылу және сыну кезінде, сынған және шағылған сәулелердің жарым жартылай поляризациялануы байқалатынын атап айтқан жөн. Бұл жарықтардың поляризациялану дәрежесі шағылатын бетке сәуленің түсу бұрышына тәуелді болады.

Белгілі диэлектрик үшін түсу бұрышының бір мәнінде шағылған жарық толығымен жазық поляризацияланады. Бұл жағдайда шағылған сәуле мен сынған сәуле арасындағы бұрыш 90⁰-қа тең болады, яғни түсу бұрышының тангенсі сол диэлектриктің сыну көрсеткішіне тең болады:

tgi_p = n (5.2)

(мұндағы n= n₂/n₁ - диэлектриктің салыстырмалы сыну көрсеткіші). Бұл (5.2) өрнекті Брюстер заңы деп атайды.

Осындай жағдайда шағылған сәуленің поляризацияланған жазықтығы сәуленің түсу жазықтығына перпендикуляр болады (5.2-сурет).

5.2-сурет. Брюстер заңын түсінуге арналған сурет

Жарықтың сынған сәулесі сәуленің түсу жазықтығында жарым-жартылай поляризация-ланған болады. Поляризация-лану дәрежесін мынадай қатынаспен анықтайды:

(5.3)

Екі ортаның шекарасына жазық поляризацияланған жарық түссе, Френельдің зерттеуі бойынша, диэлектриктің шағылдырғыш қабілеттілігі сәуленің түсу бұрышына және түскен сәуле ағынының поляризациясының сипаттамасына тәуелді болады:

(5.4)

(5.5)

Мұндағы ρ⊥ - түсу жазықтығына перпендикуляр жазықтықта поляризацияланған сәуленің шағылу қабілеттілігі; ρ || - түсу жазықтығына параллель жазықтықта поляризацияланған сәуленің шағылу қабілеттілігі; і және r сәуленің түсу және сыну бұрыштары (5.3 - суретке қараңыз).

Жарық интенсивтігі бұл жұмыста фототок мәнімен бағаланады – себебі анодтан катодка қарай ұршып шыққан электрондарда энергия пайда болады, ол энергия амперметрде ток шкаласын қозғалтады. Яғни интенсивтілік фототок мәніне тең.

17. Анизотроптық ортаның оптикасы. Біросьті және екіосьті кристаллдар. Жарықтың реттік сәулесынуы. Гюйгенс тұрғызумен жасалған жарық таралуының сапалы анализы.

17. Oртаның физикалық қасиеттері ортадағы бағытқа байланысты əртүрлі болатын орта анизотропты деп аталады. Қалыпты жағдайларда газ түріндегі, сұйық жəне аморфты қатты диэлектриктер оптикалық изотропты болатындығы, ал кристалдық диэлектриктердің көпшілігі оптикалық анизотропты болатындығы зерттеулерден анықталған. Мəселен, исландия шпатының кристалы (кальцит) жарықты оған жарық қай жағынан түсірілуіне байланысты əртүрлі сындырады. Осы кристалда бір бағыттың болатындығы анықталған, осы бағыт бойымен түсірілген жарық сəулелері сынбай түзу сызықты өтеді (1а-сурет). Басқа бағыттарда сəуле кристалл арқылы өткенде екіге жіктеледі; жарықтың қосарлана сынуы (қосарлана сəулесынушылық - двойное лучепреломление) деп аталатын қөбылыс байқалады (1б-сурет). Оптикалық қасиеттердің кристалдағы бағытқа осындай тəуелділігі оптикалық анизотропия деп аталады.

Берілген бағытқа параллель өтетін кез-келген түзу кристалдың оптикалық осі болып табылады, ал жарық шоғы оның бойымен таралғанда сəуленің қосарланып сынуына өшырамайды. Табиғатта бірөсті жəне екіөсті кристалдар болады. Біріншіге исландия шпаты [оның оптикалық өсі MN диагоналы бойымен бағытталған (4-сурет)], кварц, турмалин, ал екіншіге - слюда, гипс, топаз жатады.

Кəдімгі жəне өзгеше сəулелердің бірөсті кристалдағы таралу бағытын табу үшін Гюйгенс принципі пайдаланылатындығы бөрын айтылған болатын. Дегенмен оны еске сала кетейік. Жазық толқын бірөсті оң кристалдың сындырушы жағына нормаль түсетін болсын, ал OO′ оптикалық ось онымен қайсыбір кез-келген бұрыш жасап төрсын. Центрлері A, С жəне D нүктелерінде болатын кəдімгі сəулеге сəйкес келетін сфералық толқындық беттерді жəне өзгеше сəулеге сəйкес келетін эллипсоидтық толқындық беттерді саламыз. OO′ оптикалық ось бойында жататын нүктеде осы беттер жанасады. Гюйгенстің принципіне сəйкес, сфераларға жанама бет кəдімгі толқынның шебі (a − a), ал эллипсоидтарға жанама бет өзгеше толқынның шебі (b − b) болады. Жанасу нүктелері арқылы түзулер жүргізіп, кəдімгі «0ң жəне өзгеше «ең сəулелердің таралу бағытын табамыз. Сонымен, берілген жағдайда кəдімгі сəуле бастапқы бағыт бойынша кетеді, ал өзгеше сəуле бастапқы бағыттан ауытқиды