что такое двойное лучепреломление

Явление двойного лучепреломления

Вы будете перенаправлены на Автор24

В физике существует такое явление, как двойное лучепреломление. Оно характеризуется расщеплением луча света на составляющие.

Рисунок 1. Двойное лучепреломление. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Благодаря проведению множества различных опытов, ученым удалось выявить основные характеристики и свойства, которыми характеризуется данное явление.

Понятие и суть двойного лучепреломления

Двойное лучепреломление является эффектом расщепления светового луча в анизотропных средах на две составляющие. При перпендикулярном к поверхности кристалла падении, происходит расщепление луча надвое. При этом мы наблюдаем следующие явления:

Оптическая ось кристалла считается направлением в оптически анизотропном кристалле, по которому световой луч распространяется, не подвергаясь при этом двойному лучепреломлению.

Нарушение закона преломления света за счет действий необыкновенного луча спровоцировано тем фактом, что скорость, с которой распространяется свет и показатель преломления волн с поляризацией, аналогичной необыкновенному лучу, будет зависимой от направления. При этом для обыкновенной волны скорость распространения оказывается одинаковой во всех направлениях.

Готовые работы на аналогичную тему

Можно подобрать оптимальные условия распространения обыкновенного и необыкновенного лучей по одной траектории, но при этом их скорости окажутся разными. В этом случае мы наблюдаем эффект изменения поляризации.

Основываясь на принцип классической теории света, можно объяснить возникновение эффекта тем фактом, что переменное электромагнитное световое поле провоцирует колебания электронов вещества, и подобные колебания оказывают непосредственное воздействие на распространение в среде света.

Помимо кристаллов двойное лучепреломление можно наблюдать в изотропных средах, которые помещены:

Таким образом, под воздействием вышеуказанных факторов, изначально изотропная среда начинает менять свои свойства и превращается в анизотропную. В подобных случаях оптическая ось среды будет совпадать с направлениями электрического и магнитного полей и приложения силы.

Явление двойного лучепреломления в природе

Благодаря открытию в 1669 г. датского физика Э. Бартолина, удалось обнаружить тот факт, что при разглядывании какого-либо предмета через кристалл исландского шпата (при определенном расположении кристалла) будут хорошо просматриваться одновременно два изображения предмета. Такому явлению дали название двойного лучепреломления.

Объяснение природы такого явления смог дать в 1690 г. Х.Гюйгенс в «Трактате о свете». В более современной вариации объяснение звучит так: попадающий в двулучепреломляющее вещество свет начинает делиться на два луча, которые при этом плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

В то же время, в рамках любого двулучепреломляющего вещества будут одно или два направления, оба луча вдоль которых распространяются с равными скоростями. Такие направления в физике называются оптическими осями. Вещества (в зависимости от числа осей) ученые делят на: одноосные и двуосные.

Поскольку скорость света в веществе непосредственно взаимосвязана с показателем преломления такого вещества, то показатель преломления для данного луча также не будет зависимым от угла падения. Иными словами, поведение такого луча будет аналогичным его действиям в обычной изотропной среде, что делает его обыкновенным.

Рисунок 2. Явление двойного лучепреломления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Второй луч уже будет называться необыкновенным, так как для него угол между направлением векторного колебания необыкновенного луча и оптической осью будет зависим от угла падения. Таким образом, в условиях разных углов падения, его распространение будет разноскоростным, а показатель преломления – различным.

Распространение волн при двойном лучепреломлении

Волновые поверхности таких лучей (обыкновенного и необыкновенного) будут обладать разной формой. Так, для обыкновенного – это сфера, где он всесторонне распространяется с одинаковой скоростью. У необыкновенного волновой поверхностью выступает эллипсоид (скорость луча по разным направлениям оказывается различной).

В связи с тем, что вдоль оптической оси световые волны будут распространяться с равной скоростью, и волновые поверхности в точках пересечения с оптической осью будут соприкасаться.

К двулучепреломляющим относятся такие кристаллические вещества, как кварц и исландский шпат. Более того, двулучепреломляющими могут считаться вещества с несимметричными молекулами, которые при этом ориентированы упорядочено вдоль определенного направления. Так, к ним могут относиться жидкости и аморфные тела, внутри которых молекулярная ориентация появляется в условиях внешнего воздействия (при механическом напряжении, под влиянием внешнего магнитного или электрического поля).

Двойное лучепреломления в кристаллах широко применяется:

Источник

Двойное лучепреломление света

Виды световых лучей

Различают обыкновенный и необыкновенный лучи света.
Обыкновенный луч имеет вектор \(E_0 ⃗\) который направлен нормально к главной плоскости, на его скорость не влияет направление вектора, и она равняется скорости луча с направлением, коллинеарным оптической оси. Все величины, которые имеют отношение к обыкновенному лучу обозначаются индексом 0.

Понятие о двойном лучепреломлении

Двойное лучепреломление представляет явление раздвоения луча, проходящего сквозь кристалл. Это происходит благодаря тому, что лучи внутри кристалла могут распространяться с разной скоростью, что приводит к возникновению в процессе преломления нескольких лучей.
Этот эффект открыл в 1669 году ученый Э. Бартолинус, а исследовал и объяснил Х. Гюйгенс.

Частые примеры двойного преломления лучей

При перпендикулярности оптической оси относительно поверхности кристалла луч будет падать вдоль оптической оси, в этом случае характер его распространение будет таким же, как в изотропной среде, то есть двойного лучепреломления не будет. Если луч будет направляться под углом к поверхности кристалла, то двойное лучепреломление будет иметь место. При этом оно будет разным для разных типов кристаллов. Для отрицательного кристалла картина будет следующей: обыкновенный луч будет преломляться больше, чем необыкновенный. В случае с положительным кристаллом картина будет противоположная: необыкновенный луч будет преломляться сильнее, чем обыкновенный.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Если рассмотреть ситуацию, когда оптическая ось расположена параллельно поверхности кристалла, и луч направляется перпендикулярно поверхности кристалла, то в кристалле появятся два луча – обыкновенный и необыкновенный, но в пространстве они не будут разделяться. При выходе из кристалла они будут иметь разницу в фазах и создавать эллиптически поляризованную волну из-за суперпозиции. При подобном попадании на поверхность кристалла луча естественного света, выходящие из кристалла волны будут эллиптически поляризованными з разнообразными ориентированиями эллипсов.

Если на такой кристалл свет будет направлен под углом, то на двойное лучепреломление будет влиять угол между главной плоскостью и плоскостью направления луча.

Если допустить, что плоскость направления луча света расположена перпендикулярно оптической оси, и в ней расположены оба луча, то на преломление обыкновенного и необыкновенного лучей не будут влиять направления.

Если же плоскость распространения лучей расположена к оптической оси под углом отличным от 900, то ситуация с двойным лучепреломлением будет намного сложнее. Обыкновенный луч в данной ситуации будет расположен в плоскости падения, а необыкновенный окажется вне ее. Чтобы увидеть детальную картину, необходимо построить пространственную модель на базе построений Гюйгенса.

Закон Малюса

Закон Малюса записывается так:
\(I_e=I_0*cos^2 α,\)
где \(α\) – угол между оптической осью и линией колебания вектора.
Вектор волны, которая падает на поверхность, раскладывается на параллельные и перпендикулярные относительно оптической оси составляющие. Эти составляющие являются векторами обыкновенной и необыкновенной световых волн.

Поляризация в процессе двойного лучепреломления

Плоско поляризованные обыкновенный и необыкновенный лучи располагаются в плоскостях, перпендикулярных между собой. То есть эффект двойного лучепреломления применяют при создании поляризации света. С этой целью лучи света разделяют в пространстве, а один из них подвергают уничтожению посредством поглощения.

Если выходящий из кристалла один луч плоско поляризованный, а второй очень слабый, то этот кристалл является поляроидом. Примером хорошего поляроида есть турмалин. С толщиной всего в 1 мм, турмалиновая пластина практически полностью уничтожает обыкновенный луч. Электрический вектор необыкновенного луча в это время производит колебания вдоль оптической оси.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Поляризатором является такой поляроид, который применяют при создании поляризованного света. Если его применяют для анализирования поляризованного света, то он именуется анализатором.
Рассмотрим пример решения задачи из области поляризованного света.

Ситуация с прохождением светового луча сквозь двоякопреломляющую призму. При этом преломление обыкновенного луча равняется \(n_0\) =1.658, необыкновенного \(n_е\) =1.486. Угол призмы равняется \(α\) =15. Найти угол необыкновенного луча, выходящего из призмы.

Решение : Кристаллы, поляризующие свет, в совокупности имеют название поляризационная или двоякопреломляющая призма. Поляризационной она является тогда, когда при выходе из нее остается один луч, а двоякопреломляющей – если два луча.

Если обыкновенный луч направляется через границу сред с перпендикулярными друг к другу оптическими осями, то во второй среде он становится необыкновенным. Та же картина наблюдается при прохождении необыкновенного луча.

Не нашли нужную информацию?

Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.

Гарантия низких цен

Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.

Доработки и консультации включены в стоимость

В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.

Вернем деньги за невыполненное задание

Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.

Тех.поддержка 7 дней в неделю

Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.

Тысячи проверенных экспертов

Мы отбираем только надёжных исполнителей – профессионалов в своей области. Все они имеют высшее образование с оценками в дипломе «хорошо» и «отлично».

Гарантия возврата денег

Эксперт получил деньги, а работу не выполнил?
Только не у нас!

Деньги хранятся на вашем балансе во время работы над заданием и гарантийного срока

Гарантия возврата денег

В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем возврат полной уплаченой суммы

Отзывы студентов о нашей работе

«Всё сдал!» — безопасный онлайн-сервис с проверенными экспертами

Используя «Всё сдал!», вы принимаете пользовательское соглашение
и политику обработки персональных данных
Сайт работает по московскому времени:

Принимаем к оплате

Источник

Двойное лучепреломление

На фото — крупные фрагменты кристаллов поваренной соли (минерал галит) и исландского шпата (минерал кальцит). Внешне они похожи, однако сильно различаются по своим оптическим свойствам.

Кристаллы галита относятся к кубической сингонии, а это означает, что свет распространяется по кристаллу с одной и той же скоростью вне зависимости от направления. Такие кристаллы называются оптически изотропными.

Кристаллы кальцита, наоборот, обладают ярко выраженной оптической анизотропией. Попадая в кристалл, луч света расщепляется на два взаимно перпендикулярно поляризованных луча, которые идут в кристалле с разной скоростью. Один луч имеет скорость на 11,5% выше, чем другой. Из-за этого возникает оптический феномен двойного лучепреломления, или двулучепреломления: каждый из лучей имеет свой показатель преломления и по-разному преломляется в кристалле. Войдя в кристалл в одной точке, два луча выходят в различных местах, да еще и один из них появляется с запозданием. На фотографии хорошо видно, что надпись «КАЛЬЦИТ» за кристаллом выглядит двойной, тогда как с надписью «ГАЛИТ» ничего не происходит.

Двулучепреломление кристаллом кальцита, лежащим на листе бумаги в клеточку. Фото с сайта en.wikipedia.org

Двулучепреломление кальцита через вращающийся поляризационный фильтр: можно рассмотреть два состояния поляризации изображения. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Эффект двулучепреломления впервые описал в 1669 году датский ученый Эразм Бартолин (1625–1698). Он обнаружил его именно в кристаллах исландского шпата, которые были привезены моряками из Исландии. Публикация Э. Бартолина вызвала большую критику со стороны современников, так как «Бог создал одну неживую сущность, она не может сама по себе превращаться в две». Но сам феномен двулучепреломления в кальците не давал покоя таким ученым, как Исаак Ньютон, Христиан Гюйгенс, Джордж Стокс и многим другим. Только в самом начале XIX века работы по теории света Томаса Янга (1801 год) и Огюстена-Жана Френеля (1820 год) позволили понять эффект исландского шпата и открыли возможность развития кристаллооптики — науки о поведении света в кристаллах.

Вильям Николь на основе кристаллов кальцита в 1829 году сконструировал первый поляризатор (поэтому поляризаторы часто называют призмами Николя или, сокращенно, николями), а в 1851–1854 году сэр Генри Клифтон Сорби предложил конструкцию первого поляризационного микроскопа, что вызвало научную революцию в целом ряде дисциплин, связанных с изучением природных и синтетических веществ. Поляризационный микроскоп позволяет количественно определять многие оптические константы вещества, в том числе и силу двулучепреломления различных минералов и синтетических материалов.

Источник

Что такое двойное лучепреломление

В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин опубликовал работу, в которой сообщил об открытии нового физического явления – двойного преломления света. Рассматривая преломление света в кристалле исландского шпата ( ), Бартолин обнаружил, что луч внутри кристалла расщепляется на два луча (рис. 11.7). Если кристалл поворачивать относительно направления первоначального луча, то поворачиваются оба луча, прошедшие через кристалл. Один из лучей вел себя согласно известному закону преломления света, а второй совершенно необычно. Поэтому Бартолин первый луч назвал обыкновенным, а второй необыкновенным.

Кроме того, Бартолин обнаружил, что луч света, падая в определенном направлении в кристалле исландского шпата, не раздваивается.

В своей книге «Трактат о свете», изданной в Лейдене в 1690 г., Гюйгенс подробно объяснил явление двойного преломления света. Благодаря своим исследованиям Гюйгенс подошел к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными.

Рассмотрим подробнее явление двойного лучепреломления. Оно заключается в том, что луч внутри кристалла расщепляется на два луча. Один из них подчиняется известному закону преломления Снеллиуса: , этот луч о обыкновенный, а другой не подчиняется – необыкновенный луч е. Выглядит это так, как показано на рис. 11.8, а.

а	б

Исследования показали, что обыкновенный и необыкновенный лучи являются полностью поляризованными во взаимно перпендикулярных направлениях.

Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению, а необыкновенного луча – совпадает с главным сечением. На выходе из кристалла оба луча распространяются в одинаковом направлении и различаются лишь направлением поляризации (рис. 11.8, б).

Явление двойного лучепреломления используется для получения поляризованного света.

В некоторых кристаллах один из лучей поглощается сильнее другого (дихроизм). Очень сильным дихроизмом в видимом свете обладает кристалл турмалина (прозрачное кристаллическое вещество зеленоватой окраски). В нем обыкновенный луч практически полностью поглощается на длине 1 мм, а необыкновенный луч выходит из кристалла. В кристалле сульфата йодистого хинина один из лучей поглощается на длине 0,1 мм. Это явление используется для создания поляроидов. На выходе поляроида получается один поляризованный луч.

Часто в качестве поляризатора используется так называемая призма Николя. Это призма из исландского шпата, разрезанная по диагонали и склеенная канадским бальзамом (рис. 11.9).

Показатель преломления канадского бальзама лежит между значениями показателей и для обыкновенного и необыкновенного лучей в исландском шпате ( ). За счет этого обыкновенный луч претерпевает на прослойке бальзама полное внутреннее отражение и отклоняется в сторону. Необыкновенный луч свободно проходит через эту прослойку и выходит из призмы.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. В таких кристаллах диэлектрическая проницаемость ε зависит от направления. В одноосных кристаллах диэлектрическая проницаемость в направлении оптической оси и в направлениях перпендикулярных к ней имеет разные значения.

Поскольку , а в диэлектриках μ = 1, то . Следовательно, из анизотропии ε вытекает, что электромагнитные волны разных направлений колебаний вектора имеют разный показатель преломления, и следовательно разную скорость распространения. Скорость распространения обыкновенного луча , а необыкновенного , причем необыкновенный луч распространяется перпендикулярно оптической оси кристалла. В соответствии с этим одноосные кристаллы характеризуются показателем преломления обыкновенного луча и показателем преломления необыкновенного луча . В зависимости от того, какая из скоростей или больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы. При условии, когда – кристалл положительный, – отрицательный.

Источник