Хотя понятие поляризации имеет вполне определенный смысл, его рассматривают с одной из двух возможных точек зрения. Одна из них основана на представлении о плоской, или линейной поляризации (см. рис. 9.1), другая — на представлении об эллиптической поляризации (рис. 9.2).
Излучение с эллиптической поляризацией можно представить как состоящее из двух плоскополяризованных, или линейнополяризованных волн с одной и той же частотой, у которых пло скости поляризации взаимно перпендикулярны. В свою очередь, плоскополяризованное излучение можно представить как состоя щее из двух волн с круговой поляризацией, имеющих одинаковые частоты и вращающихся в противоположных направлениях.
Круговая поляризация является частным случаем эллипти ческой поляризации. Если две волны с круговой поляризацией и одинаковыми частотами вращаются в противоположных на правлениях, то их векторная сумма представляет собой плоскополяризованную волну, у которой угол поляризации зависит от разности фазовых углов двух составляющих волн с круговой поляризацией.
При векторном сложении двух плоскополяризованных волн с одинаковыми частотами в результате получается волна с эл липтической поляризацией; такую волну можно представить в форме вектора, который перемещается в пространстве, одно временно вращаясь и изменяя свою длину. Если одна из со ставляющих плоскополяризованных волн опережает другую по фазе на некоторый угол, то вектор суммарной волны будет вра щаться в каком-либо одном направлении, если же первая ука занная волна будет отставать от второй по фазе, то вектор сум марной волны будет вращаться в противоположном направлении. В тех случаях, когда две плоскополяризованные волны совпада ют по фазе или противоположны по фазе, суммарная волна с эллиптической поляризацией сводится к третьей плоскополяризованной волне.
Всякий раз, когда частица переходит из состояния с более
Рис. 9.2. Две плоскополяризоваиные волны с одной и той же час тотой, но с разными плоскостями поляризации, в результате век-
-торного сложения дают эллипти чески поляризованную волну
высоким энергетическим уровнем в состояние с более низким энергетическим уровнем, генерируется фотон, или элемент элект ромагнитной энергии. Частота фотона зависит от разности энер гий между двумя указанными состояниями частицы, его фаза — от момента времени перехода частицы между состояниями, а плоскость поляризации — от направления движения частицы в момент образования фотона. В наиболее типичной ситуации частота фотона определяется допустимыми энергетическими состояниями, а момент перехода частицы между двумя состоя ниями и направление ее движения определяются процессами, имеющими вполне случайный характер.
Электромагнитная волна, порождаемая процессом, характе ристики которого случайны относительно направления в про странстве, не является поляризованной, т. е. поляризация каж дого отдельного фотона некогерентна по отношению ко всем остальным фотонам. Поляризованное электромагнитное излу чение можно получить тремя способами: при помощи регуляриза ции исходных сил, вызывающих излучение; за счет устранения всех составляющих излучения, фазы которых не совпадают с желаемой фазой; путем регуляризирующего воздействия на излучение после его образования рефракционными, дифракцион ными, отражательными или рассеивающими силами. Поскольку поляризация обусловлена упорядочением направлений движения частиц при их переходе из одного энергетического состояния в другое, любые факторы, влияющие на эти направления, могут повлиять и на поляризацию.
Эффект Штарка—Лунелунда заключается в том, что свет, испускаемый пучком движущихся атомов, поляризуется в ре зультате однонаправленных движений атомов. Такая однонаправ ленная активность обычно регуляризует направления движения частиц, переходящих из одного энергетического состояния в дру гое и обратно.
Упорядочение ориентаций молекул в кристаллической решет ке также способно обеспечить поляризацию излучаемой энергии.
9.7. МАГНИТНОЕ ГАШЕНИЕ
Если в результате упорядочения ориентаций магнетонов все движения частиц имеют одно и то же направление, то порож даемое этими движениями электромагнитное излучение будет поляризованным. Как указано выше в связи с обсуждением эффекта Зеемана, приложенное внешнее поле, с одной стороны, расщепляет некогерентную активность на две составляющие, когерентные по направлению, и с другой стороны, поляризует излучение, порождаемое этими двумя изменениями энергетиче ского уровня.
Когда под влиянием магнитного поля устанавливаются
когерентные направления магнетонов, изменяется энергия мо лекул, состоящих из магнетонов. Иногда эти изменения доста точны для полного устранения одного энергетического уровня. В результате одна или несколько спектральных линий излу чения, генерируемого возбужденным веществом, также исчезают. Это явление называется магнитным гашением.
Эффект Вуда — Эллетта заключается в погашении спект ральной линии поляризованного излучения под действием при ложенного магнитного поля, которое приводит к устранению энергетического состояния, представленного этой линией, в ре зультате изменения пространственной упорядоченности ориен таций частиц. К эффекту Вуда—Эллетта можно, отнести также явление погашения магнитным полем флюоресценции некоторых паров за счет изменения энергетических уровней, обусловливаю щих флюоресценцию.
9.8.ПОГЛОЩЕНИЕ
Втой же степени, в какой магнитные поля влияют на спо собность вещества отражать, пропускать и рассеивать излуче ние, они могут влиять также и на способность вещества к по глощению излучения. Поглощение — это процесс, противопо ложный испусканию. Когда частица переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, испускается элементарная электромагнитная энергия — фотон; аналогичный фотон поглощается, когда такая частица совершает противо положный переход — с более низкого на более высокий энер гетический уровень.
Однако поглощение нельзя точно свести к процессу, обратно
му по отношению к испусканию. Согласно принципу Франка— Кондона спектр энергии, испускаемой возбужденным телом, не сколько отличается от спектра поглощаемой энергии в связи с тем, что изменения параметров кристаллической решетки, вызванные тепловой активностью при испускании, не обязательно выражены в такой же степени при поглощении энергии. Кроме того, при вза имодействии энергии с веществом часть энергии отражается от его поверхностей, часть пропускается через вещество и часть рассеи вается из-за неоднородности среды на пути распространения излу чения. В той же степени, в какой эти составляющие энергии испы тывают спектральные изменения, характеристики спектра погло-
.щения будут отличаться от характеристик спектра испускания. Таким образом, поглощение является процессом с изменчивым спектром, несколько отличающимся от спектра испускания.
Поглощаемая энергия пропорциональна длительности и интенсивности облучения вещества. Отражение влечет за собой снижение интенсивности облучения, а рассеяние — увеличение его длительности. Путь распространения рассеянного луча в ве
ществе значительно длиннее, чем путь прямолинейного луча. Чем длиннее путь, тем больше имеется возможностей для мо лекулярных взаимодействий.
Вообще можно утверждать, что если центры рассеяния в веществе расположены нерегулярным образом, то будет погло щено больше энергии, чем в случае, когда они имеют какуюлибо регулярность в расположении, по крайней мере, для всех частот, кроме тех, для которых длина волны обусловливает взаимодействие с регулярной структурой вещества, имеющей определенную периодичность размеров. Этот принцип проявля ется, например, когда обычный замутненный коллоидный раствор осветляется в присутствии магнитного поля. Здесь коллоидные частицы играют роль центров рассеяния. В том случае, когда они имеют магнитный момент, магнитное поле упорядочивает их, в результате чего они образуют регулярную структуру, обуслов ливающую минимальное рассеяние.
Поглощение может быть избирательным по отношению к частоте, направлению распространения и ориентации плоскости поляризации облучения. У плеохроических веществ частотные характеристики поглощения различаются для разных кристал лических осей.
Аналогично тому, как излучение, генерируемое твердыми веществами, занимает широкую полосу частот спектра, погло щение у большинства веществ происходит в этой же широкой полосе. Однако для веществ, содержащих дидимий, сущест вуют очень узкие полосы частот поглощения и испускания на тех участках спектра, которые обычно соответствуют прозрач ности вещества.
Взаимодействия различных типов между энергией и вещест вом могут повлиять на процесс поглощения электромагнитного излучения, и, более того, поглощение может само оказывать влияние на другие проявления энергетического состояния ве щества. Фосфоресценция — это пример явления, которое продол жается и после того, как прекратилось поглощение энергии облученным веществом.
9.9. ФОТОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ
Парамагнетизм обусловлен тем, что магнетоны со случайно распределенными (под влиянием тепловой активности) ориен тациями в присутствии внешнего магнитного поля стремятся упорядочить свои ориентации и поворачиваются либо в направ лении внешнего поля, либо в противоположном направлении. Интенсивность этого явления измеряют как разность плотностей популяций магнетонов, ориентированных в этих двух направ лениях.
У некоторых веществ, главным образом солей, парамагнит
ные свойства усиливаются под воздействием электромагнитного облучения. В этом заключается фотомагнитный эффект. Погло щение электромагнитного излучения кристаллической решеткой изменяет энергии отдельных частиц в этой решетке, а также распределение энергии между частицами. Добавление энергии в форме электромагнитного излучения, точно так же как и до бавление энергии в тепловой форме, изменяет характеристики парамагнитного вещества.
9.10. ПРЕЛОМЛЕНИЕ
Электромагнитный луч, проходящий наклонно из одной среды в другую, изменяет свое направление на поверхности раздела сред. Такое изменение направления называется преломлением. Это явление объясняется тем, что электромагнитное излучение распространяется в различных веществах с разными скоростями.
Направление преломленного луча определяют относительно прямой, нормальной к поверхности раздела двух сред в точке падения луча на эту поверхность. Если луч проходит из среды с высокой скоростью распространения в среду с более низкой скоростью, то после преломления он наклоняется к указанной нормали; при прохождении в противоположном направлении он, наоборот, отклоняется от нормали.
Показатель преломления вещества определяется как отно шение скорости распространения электромагнитного излучения в вакууме к скорости в данном веществе. Согласно закону Снеллиуса отношение синуса угла между падающим лучом и нормалью к синусу угла между преломленным лучом и нормалью имеет по стоянное значение. Кроме того, падающий луч, нормаль к поверх ности раздела сред, отраженный луч и преломленный луч лежат в одной и той же плоскости.
Если энергия излучения распространяется из вещества с большим показателем преломления в вещество с малым пока зателем .преломления, то на их границе она полностью отража ется при условии, что угол падения превышает некоторый предельный угол. Последний характеризует разность скоростей распространения излучения в двух средах.
Скорость, с которой энергия излучения распространяется в плотной среде, зависит как от частоты излучения, так и от плотности среды. Вследствие этого высокочастотные состав ляющие излучения преломляются сильнее, чем низкочастотные (например* синий свет испытывает более сильное отклонение, чем красный). Разложение электромагнитного излучения на
составляющие цвета, или частоты, |
называется |
дисперсией. |
В качестве меры углового расхождения |
излучения |
в результате |
дисперсии используется бифрингенция. Число Аббе, которое при меняют для количественной оценки дисперсионных явлений,