Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

В 1808 году французский военный инженер Этьен Луи Малюс (1775–1812) экспериментировал с некоторыми кристаллами, дающими двойное преломление. Он поместил один из них на солнечный свет, отраженный от окна, снаружи на некотором расстоянии от комнаты и обнаружил, что вместо того, чтобы увидеть пятно солнечного света раздвоенным (как он ожидал), он увидел его единым. Он решил, что, отражая свет, окно отразило только один «полюс» света, о котором говорил Ньютон. Отраженный свет он назвал поляризованным светом. Это было неправильное название, оно не отражало реального положения вещей, но закрепилось и уже, несомненно, будет сохраняться.

Когда вследствие экспериментов Янга вновь приобрела известность волновая теория света, вскоре стало ясно, что достаточно только признать, что свет имеет форму поперечных, а не продольных волн, и поляризацию света можно без труда объяснить. Янг пришел к этому выводу в 1817 году, а дальше его развил французский физик Огюстен Жан Френель (1788–1827). В 1814 году Френель обнаружил несомненные примеры интерференции и продолжил иметь дело с поперечными волнами, используя подробный математический анализ.

Чтобы понять, как поперечные волны объясняют поляризацию, представьте себе луч света, движущийся от вас, в котором волны пульсируют под правильным углом к линии движения, как и положено поперечным волнам. Допустим, волны света колеблются вверх и вниз. Однако они могут также колебаться вправо и влево, сохраняя при этом правильный угол к линии движения. Они могут даже колебаться по диагонали под любым углом, сохраняя при этом правильный угол к линии движения. Когда составляющие свет волны колеблются во всех возможных направлениях под правильным углом к движению и распределены по всем плоскостям поровну — это неполяризованный свет.

Давайте остановим внимание на двух видах колебания — вверх-вниз и влево-вправо. Все колебания, принимающие диагональные положения, можно разделить на вертикальную и горизонтальную составляющие (так же как вектор силы можно разделить на составляющие, между которыми будет прямой угол, см. ч. I). Следовательно, для простоты мы можем представить неполяризованный свет, как состоящий только из вертикальной и горизонтальной составляющих, где интенсивность обеих одинакова.

Возможно, вертикальная составляющая может пройти через прозрачную среду там, где не может пройти горизонтальная. По аналогии, допустим, вы держите конец веревки, вплетенной в изгородь. Если вы пустите по веревке вертикальную волну, она будет ходить вверх-вниз без помех; если же пустите по веревке волну горизонтальную, то волнообразные движения наткнутся на жерди изгороди и будут подавлены.

Способ, которым свет проходит сквозь прозрачное вещество, в таком случае зависит от того, как сформировано это вещество из атомов — другими словами, как ориентированы промежутки между атомами. В большинстве случаев атомы сгруппированы так, что световые волны с любой ориентацией могут без труда проходить сквозь вещество. Свет входит неполяризованным и выходит наружу неполяризованным. Что же касается исландского шпата, с ним все не так: сквозь него могут проходить только четко вертикально и горизонтально колеблющиеся волны, причем одни из них — с большим трудом, следовательно, сильнее замедляются и сильнее преломляются. В результате из кристалла выходят два луча: один — состоящий только из вертикально колеблющихся волн, а другой — только из горизонтально колеблющихся. Оба луча представляют собой поляризованный свет. Поскольку колебания световых волн в каждом луче происходят только в одной плоскости, такой свет более точно можно назвать плоскополяризованным.

Призма Николя

В 1828 году британский физик Уильям Николь (1768–1851) создал устройство, где использовались различные направления, в которых двигались эти плоскополяризованные лучи внутри кристалла исландского шпата. Он начал с ромбоэдрического кристалла вещества (все грани которого имели форму параллелограмма) и разрезал его по диагонали. Две половинки были вновь склеены канадским бальзамом (смолой дерева, именуемого бальзамической пихтой).

Лучи света, попадавшие в кристалл, расщеплялись на два плоскополяризованных луча, движущиеся в несколько различных направлениях. Один луч попадал в слой канадского бальзама под таким углом, что отражался полностью. Отраженный луч попадал на окрашенную часть призмы и поглощался. Второй луч, попадая в слой канадского бальзама под несколько другим углом, передавался, проходил во вторую половину кристалла и вновь попадал в открытый воздух.

Исходящий из такой призмы (призмы Николя) свет состоял из одного плоскополяризованного луча, представлявшего примерно половину яркости изначального света.

Предположим, что свет, проходящий через призму Николя, пропускают через вторую призму Николя. Если вторая призма сориентирована так же, как первая, то свет пройдет сквозь нее беспрепятственно. (Как если веревку, по которой пустили волну вверх-вниз, пропустить сначала через одну изгородь, потом через вторую. Ни одна, ни другая не помешает колебаниям.)

Но предположим, что вторую призму Николя повернули под небольшим углом. Поляризованный свет, исходя из первой призмы, не может с полной силой пройти через вторую. Происходит небольшая потеря (как будет и с колебаниями веревки, если жерди второй изгороди будут немного наклонены диагонально).

Количество света, которое пройдет через вторую призму, будет уменьшаться по мере того, как будет возрастать угол ее вращения. Когда, наконец, он дойдет до 90°, свет вообще не будет проходить.

Таким образом, вторую призму можно использовать для точного определения плоскости, по которой поляризован свет, исходящий из первой призмы. Вращая вторую призму и отмечая положение, при котором видимый свет имеет максимальную яркость, можно обнаружить плоскость поляризации. Если света вообще не видно, то плоскость второй призмы находится под прямым углом к плоскости поляризации.

Поскольку трудно с точностью судить о максимуме или минимуме яркости, вторую призму можно сделать таким образом, чтобы она состояла как бы из двух призм под небольшим углом друг к другу. Если одна выровнена верно, другая будет слегка отклонена. Таким образом, глядя в окуляр, можно будет увидеть, что одна половина отчетливо ярче другой. Настраивая выравнивание таким образом, чтобы обе половины имели одинаковую яркость, можно найти плоскость поляризации.

Первая призма является инструментом, который производит поляризованный свет, — поляризатором. Вторая, определяющая плоскость поляризации, — анализатор. Весь прибор в целом — полярископ.

Еще до того, как была изобретена призма Николя, французский физик Жан Батист Био (1774–1862) в 1815 году обнаружил, что, когда поляризованный свет двигается через растворы некоторых веществ или некоторые прозрачные кристаллы, его плоскость поляризации сдвигается.

Предположим, например, что между двумя призмами полярископа находится цилиндрический сосуд, содержащий воздух, и что призмы выровнены в том же направлении. Если в сосуд налить воды, ничего не происходит; две половинки поля, видимого в окуляр, остаются одинаково яркими. Плоскость поляризации света не изменилась, пройдя сквозь воду. Если вместо чистой воды в сосуд поместить раствор сахара, то две половинки, видимые в окуляр, будут иметь различную яркость. Чтобы они вновь стали одинаково яркими, анализатор придется повернуть на определенный угол. Этот угол покажет, насколько раствор сахара повернет плоскость поляризации света.