Свет играет очень важную роль в окружающем нас мире. Исследование световых волн и их основных свойств позволяет нам глубже увидеть природу света и наблюдать связанные с ним явления.
В физике важную роль играют такие явления, как дисперсия и поляризация света. Прежде чем приступить к их изучению, важно понять природу света.
Природа света
Свет с физической точки зрения – это совокупность электромагнитных волн и различных значений частоты и длины.
Человеческому глазу доступны для восприятия исключительно те цвета, длина волн которых будет колебаться в пределах 380 - 760 нм. Остальные цветовые разновидности остаются невидимыми для наших глаз. К таковым, например, можно отнести ультрафиолетовые и инфракрасные излучения.
И. Ньютон представил свет в качестве направленного потока мельчайших частиц. Позднее физики доказали, что по своей природе свет на самом деле – это есть волна. При этом версия Ньютона оказалась частично правильной. Все дело – в обладании света не просто волновыми, но также и корпускулярными характеристиками, что подтверждается таким общеизвестным явлением, как фотоэффект. Таким образом, световой поток обладает двойственной природой.
Доступный зрению человека белый цвет представляет собой сочетание определенных волн, абсолютная любая из них характеризуется при этом собственной частотой и энергией фотонов. Это позволяет разложить его на разноцветные волны, каждая из них будет называться монохроматической, а определенному цвету при этом будет соответствовать собственный диапазон частоты и длины волн, а также - энергии фотонов.
Таким образом, излучаемая веществом энергия (или поглощаемая им) распределяется согласно вышеуказанным характеристикам, что объясняет существование в природе светового спектра.
Дисперсия света в природе
Такое наблюдаемое нами в природе явление, как переливание лучей на граненых стеклянных изделиях происходит благодаря дисперсии света.
Дисперсия представляет собой эффект отражения зависимости показателя преломления предмета (среды, вещества) от длины (частоты) световой волны, проходящей сквозь рассматриваемый предмет.
Рисунок 1. Дисперсия света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Показатель преломления растет с повышением частоты и уменьшением длины волн. Дисперсия нередко встречается в природе. Самым ярким и завораживающим ее проявлением считается радуга, создаваемая рассеянием солнечных лучей в момент их прохождения сквозь многочисленные дождевые капли.
Световой поток, проходя сквозь призму, разлагается на цветовой спектр, достаточно детально рассмотренный в свое время Ньютоном. Результатом проведенных им исследований стало открытие явления в физике - дисперсии (1672 г.)
Интересно, что интерес науки к свойствам света проявился еще до нашей эры. Знаменитый ученый Аристотель уже тогда обнаружил свойство света проявлять себя в различных оттенках. Так, он говорил о зависимости характера цвета от «количества темноты», которая присутствует в белом свете. При этом белый цвет может считаться основным для световых лучей.
Ньютон, в свою очередь, опроверг такую теорию, доказав, что белый свет является по своей структуре составным и формируется всеми цветами светового спектра (монохроматическими). Ученый ставил опыты, до сих пор применяемые в физике. К примеру, проводятся эксперименты:
- со скрещенными призмами;
- с применением двух призм и зеркала;
- пропускания света через призмы и перфорированный экран.
Разложение света на цветовой спектр осуществляется посредством разной скорости прохождения волн (разной длины и частоты) через прозрачное вещество. Следствием этого становится тот факт, что одни волны выходят из призмы раньше, а другие - позднее. Таким способом осуществляется разложение светового потока.
Дальнейшие исследования ученых позволили сделать новые открытия на тему дисперсии. Так, француз Леру установил нарушение в некоторых средах (например, в парах йода) зависимости, выражающей явление дисперсии. За более детальное изучение этого вопроса взялся немецкий физик Кундт.
В своем исследовании он основывался на один из методов Ньютона (опыт с задействованием двух скрещенных призм). Разница заключалась только в том, что одну из них ученый заменил призматическим сосудом с раствором цианида.
Оказалось в итоге, что показатель преломления в момент прохождения света через такие призмы растет, а не уменьшается, как это демонстрируют эксперименты Ньютона с простыми призмами. Физик выяснил, что данный парадокс объясняется таким явлением, как поглощение света веществом. В его опыте в качестве поглощающей среды выступил раствор цианида, а дисперсия света для подобных случаев была названа аномальной.
В современной физике данный термин практически не используется. На сегодняшний день такие виды дисперсии как нормальная и аномальная рассматриваются в формате двух явлений, относящихся к одному учению и обладающих общей природой.
Рисунок 2. Явление дисперсии света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Поляризация света в природе
Электромагнитная волна может как в практическом, так и в теоретическом смысле быть разложена на две поляризованные составляющие:
- поляризованные горизонтально волны;
- волны, поляризованные вертикально.
При этом не исключаются и другие виды разложений (например, на две составляющие с правой и левой круговыми поляризациями).
При этом попытка разложить линейно поляризованную волну на основании круговых поляризаций спровоцирует появление двух составляющих половинной интенсивности.
Рисунок 3. Поляризация света. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Солнечный свет, являясь тепловым излучением, не имеет поляризации, но при этом рассеянный свет неба приобретает в природе частичную линейную поляризацию. Поляризация света изменяется также в момент отражения (на этом факте основывается использование в фотографии поляризующих фильтров). Излучение антенн обычно имеет линейную поляризацию.
Исходя из изменения поляризации света в условиях отражения от поверхности, можно судить о разновидности структуры поверхности и оптических постоянных. Если поляризовать рассеянный свет, то, благодаря применению поляризационного фильтра, можно ограничивать прохождение светового потока. Интенсивность прошедшего через поляризаторы света контролируется законом Малюса. На подобном принципе основана работа жидкокристаллических экранов.
Некоторые насекомые (в частности, пчелы) обладают способностью различать линейную поляризацию света, что позволяет им прекрасно ориентироваться в пространстве. Также некоторые животные (например, рак-богомол) различают свет с круговой поляризацией.
В 1808 году французский ученый-физик Э. Малюс, при взгляде через кусок исландского шпата на блестевшие от лучей заходящего солнца окна Люксембургского дворца (в Париже), заметил такой факт: при определенном положении кристалла, заметным становится только одно изображение.
Основываясь на этот и некоторые другие опыты, и опираясь на положения из корпускулярной теории света Ньютона, физик предположил изначально беспорядочную ориентированность корпускулов в солнечном свете. При этом, при отражении от поверхности (прохождении через анизотропный кристалл) они получают определенную ориентацию. Такой упорядоченный свет был назван поляризованным.
