Материал: Краткий курс физики. Часть 2. Электромагнетизм, колебания и волны, оптика, квантовая физика, физика ядра. Москаленко А.Г., Гаршина М.Н

5.3.7. Дифракция на пространственной (объёмной) решётке

В качестве пространственных решёток могут быть использованы кристаллы, в которых атомы располагаются в правильном порядке на определённом расстоянии ( м) друг от друга по трём координатным осям. При прохождении электромагнитных волн через кристалл, атомы, расположенные в узлах кристаллической решётки, становятся источниками вторичных волн, интерференция которых и приводит к возникновению дифракционной картины.

Для получения дифракционной картины необходимо, чтобы период структуры был больше длины волны . Видимый свет этому условию не удовлетворяет. Для дифракции на пространственной решётке нужны рентгеновские лучи.

Проведем через узлы кристаллической решётки атом- ные плоскости. Пучок параллельных рентгеновских лучей падает на кристалл под углом скольжения (рис. 5.23) и отражается под таким же углом.

Для того чтобы лучи, отраженные от соседних плоскостей усиливали друг друга, разность хода должна быть кратна целому числу длин волн, т.е. . Следовательно максимум интенсивности дифрагированных лучей наблюдается под углами , которые удовлетворяют условию:

. (5.53)

Рис.5.23

Формула (5.53) была получена русским учёным Г.В. Вульфом и английским учёным У.Л. Брэггом и называется формулой Вульфа–Брэгга.

Дифракция рентгеновских лучей от кристаллов используется для исследования спектрального состава рентгеновского излучения (рентгеновская спектроскопия) и для изучения структуры кристаллов (рентгеноструктурный анализ).

5.4. Поляризация света

5.4.1. Естественный свет и различные типы поляризованного света

С вет – это поперечные электромагнитные волны, в которых колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей происходят перпендикулярно направлению распространения волны. Вместе с тем световые волны не обнаруживают ассиметрии относительно направле- ния распространения, так как они слагаются из множества цугов волн, испускаемых отдельными атомами светящегося тела. Плоскость колебаний светового вектора для каждого цуга ориентирована случайный образом. Поэтому в результирую- щей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью, такой свет называется естественным (рис. 5.24).

Свет, в котором колебания каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.

Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, свет называется плоско - поляризованным. Плоскость в которой колеблется световой вектор называется плоскостью колебаний, а перпендикулярная к ней плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью поляризации.

Свет, в котором колебания одного направления преобла- дают над колебаниями других направлений, называется частично - поляризованным. Такой свет можно рассмат- ривать как смесь естественного и плоскополяризованного. Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча, интенсивность прошедшего света будет изменяться от I_max до I_min , причём переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол . За один полный оборот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности.

Степенью поляризации называют выражение

. (5.54)

Для плоскополяризованного света I_min=0 и P=1, для естествен- ного света и Р = 0.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью прибора, называемого поляриза- тором. Он пропускает колебания, параллельные плоскости поляризатора, и полностью задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Пусть на поляризатор падает плоскополяризованнный свет амплитуды и интенсивности (рис.5.25). Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудой

, (5.55)

где - угол между плоскостью колебаний и плоскостью поляризатора.

Следовательно интенсивность света , вышедшего из анализатора, пропорциональна квадрату амплитуды и определяется выражением

, (5.56)

которое называется законом Малюса.

Если на поляризатор падает естественный свет, то все значения являются равновероятными. Поэтому доля света, проходящего через поляризатор, будет равна среднему значению , т. е. равна 1/2.

.

5.4.2. Поляризация при отражении и преломлении

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков, не равен нулю, то отраженный и преломлен- ный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, а в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (рис.5.26). Степень поляризации зависит от угла падения . При угле падения, удовлетворяющем условию

, (5.56)

где - показатель преломления второй среды относительно первой, отраженный луч полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (рис. 5.27).

Степень поляризации преломленного луча при достигает наибольшего значения, а угол между отраженным и преломленным лучами становится равным . Соотношение (5.56) носит название закона Брюстера.

Рис.5.27

Если преломленный луч пропустить через систему, состоящую из 8 10, наложенных друг на друга, пластинок, называемых стопой Столетова, подбирая показатели преломле- ния пластин таким образом, чтобы каждый раз выполнялся закон Брюстера, то вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляризованным.

5.4.3. Поляризация при двойном лучепреломлении

При прохождении света через прозрачные анизотропные кристаллические диэлектрики с некубической решеткой наблюдается явление двойного лучепреломления, которое заключается в том, что световой луч разделяется на два: обыкновенный и необыкновенный (рис. 5.28).

Обыкновенный луч удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Для необыкновенного луча отношение не остается постоянным при изменении угла падения , и луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности.

А низотропными называ-ются кристаллы, у которых физические свойства (такие, например, как скорость света, показатель преломления и т.д.) различны в различных направлениях. Анизотропные кристаллы делятся на одноосные и двуосные.

У одноосных кристаллов имеется направление, вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи распростра- няются, не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла.

Любая плоскость, проходящая через оптическую ось, называется главным сечением кристалла. Обычно главное сечение проводят через оптическую ось и световой луч. К одноосным кристаллам относятся исландский шпат, турмалин, кварц. Обыкновенный и необыкновенный лучи в одноосных кристаллах полностью поляризованы во взаимно перпендику- лярных направлениях (рис.5.28). Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярно главному сечению. В необыкновенном луче колебания вектора совершаются в плоскости, совпадающей с главным сечением.

В двуосных кристаллах (слюда, гипс и др.) существует два направления, вдоль которых двойного лучепреломления не наблюдается. Под главным сечением в двуосных кристаллах понимают плоскость, проходящую через обе оптические оси. Оба луча, полученные при двулучепреломле- нии, являются необыкновенными. Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов, в частности, зависимость от направления обнаруживает диэлектрическая проницаемость , а следовательно и показатель преломления n, так как .

В одноосных кристаллах  в направлении оптической оси и в направлениях, перпендикулярных к ней, имеет различные значения: _{| |} и _. В других направлениях  имеет промежуточные значения (рис.5.29). Таким образом из анизотропии  вытекает, что электромагнитным волнам с разными направлениями колебаний вектора соответст- вуют различные значения показа- теля преломления n. Поэтому скорость световых волн в кристалле будет зависеть от направления колебаний светового вектора , то есть от угла  между направлением колебания и оптической осью кристалла.

Так как в обыкновенном луче колебания светового вектора происходят в направлении, перпендикулярном главному сечению, то при любом направлении распростране- ния обыкновенного луча (1, 2 или 3) (рис.5.30) вектор образует с оптической осью кристалла прямой угол и скорость световой волны будет одна и та же, равная . Изображая скорости обыкновенного луча в виде отрезков, отложенных по разным направлениям, получим сферическую поверхность, которая представляет собой волновую поверх- ность обыкновенных лучей в кристалле, если точечный источник в кристалле помещен в точке O.

В необыкновенном луче колебания совершаются в главном сечении. Поэтому для разных лучей направление колебаний вектора образуют с оптической осью разные углы  (рис.5.31). Для луча 1 , поэтому скорость . Для луча 2 угол и скорость . Для луча 3 скорость имеет промежуточное значение.