ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ
Свет, излученный Солнцем или обыкновенной электрической лампой, состоит из электромагнитных волн, совершающих колебания во всех возможных направлениях вокруг светового луча. Из этих неупорядоченных колебаний можно "вырезать" волну с одним-единственным направлением колебаний в одной плоскости. Такой свет называется плоскополяризованным.
Поляризация происходит при прохождении света сквозь некоторые кристаллы (турмалин, исландский шпат) и тонкие пленки из синтетических материалов. Свет, прошедший через такой поляризатор, на взгляд ничем не отличается от обычного. Но если на пути поляризованного луча поместить второй кристалл или кусок пленки - анализатор, - станут видны его особые свойства.
При повороте анализатора вокруг оси, совпадающей с направлением луча, проходящий свет периодически пропадает. Это происходит в тот момент, когда поляризаторы "скрещены" - пропускают колебания во взаимно перпендикулярных направлениях. Если же между скрещенными поляроидами поместить несколько листочков целлофана или полоску прозрачной пластмассы, станут видны разноцветные полосы, покрывающие всю поверхность.
САМОДЕЛЬНЫЕ ПОЛЯРИЗАТОРЫ
В научных лабораториях в качестве поляризационных приспособлений обычно используют призмы, склеенные из стекла и исландского шпата. Такую призму называют николем, ее предложил в 1820 году английский физик Уильям Николь. Реже применяются поляризаторы из синтетической пленки. Но самому можно изготовить гораздо более простое устройство.
В начале XIX века французский военный инженер Этьен Малюс обнаружил, что свет, отраженный от поверхности воды или стекла, поляризуется так же, как при прохождении сквозь исландский шпат. В 1815 году шотландский физик Дэвид Брюстер открыл замечательный закон, названный его именем: свет полностью поляризуется, если падает на поверхность вещества под углом, тангенс которого равен показателю преломления вещества. При этом преломленный луч пойдет перпендикулярно отраженному и будет максимально (но не полностью!) поляризован. Если же свет пропустить через стопку стеклянных пластин, степень поляризации будет возрастать пропорционально числу поверхностей. И на практике бывает достаточно семи - восьми пластинок, чтобы получить полностью поляризованный свет. Важно, что поляризация происходит только при отражении от диэлектрика, изолятора. Отражение от металла (например, покрывающего зеркала) происходит по другим законам и света не поляризует.
Посмотрим, под каким углом должен падать луч на поверхность стекла, чтобы полностью поляризоваться при отражении. Коэффициент преломления стекла n = 1,5 - 1,7. Легко подсчитать, что если tgφ=1,6, то угол поляризации φ=57о. Для воды (n = 1,3) φ = 53o. Этот угол отсчитывается от перпендикуляра к поверхности.
Первые поляризационные приспособления использовали именно свойства отраженного света. Их простота позволяет самим сделать поляризаторы двух типов, работающие не хуже лабораторных.
Для изготовления первой модели понадобятся два небольших прямоугольных листа стекла. Их покрывают с одной стороны ровным слоем черной краски и закрепляют так, чтобы свет на них падал под углом поляризации.
Для этого из тонкой фанеры, пластмассы или плотного картона собирают две коробчатые стойки, вклеив в них стекла под углом 33о к горизонтальной плоскости. В крышке одной стойки (поляризатора) вырезают окно и закрывают его куском стекла - оно послужит предметным столиком. Другую стойку (анализатор) помещают сверху и рассматривают отражение объекта, лежащего на столике.
Для поляризаторов второй модели понадобится уже по 7 - 8 стеклянных пластинок, и требования к их качеству будут более высокими. Стекло должно быть прозрачным, а поверхность - гладкой. Чем тоньше пластинки, тем легче будет прибор. Идеальным материалом были бы квадратные покровные стекла, применяемые в микроскопии для защиты препаратов. Их толщина около 0,15 мм, размер - от сантиметра до пяти. Подходят и предметные стекла толщиной около 1 мм. Купить их можно в магазинах медицинской и лабораторной техники. Не хуже и стекла, вырезанные из старых фотопластинок. Но этот материал, похоже, сегодня еще менее доступен, поэтому придется, скорее всего, довольствоваться простым оконным стеклом. Из него вырезают полоски произвольного размера с соотношением сторон 2 : 1 (тогда окно поляризатора будет квадратным) или больше. Стопку стекол закрепляют в трубке квадратного сечения под углом 33о к лучу зрения. Пара таких приборов образует поляризатор с анализатором.
Посмотрим, что можно увидеть с помощью сделанной аппаратуры.
ИСКУССТВЕННАЯ АНИЗОТРОПИЯ
В однородном веществе свет распространяется по всем направлениям с одной скоростью. Постоянны и другие физические свойства - твердость, упругость, теплопроводность. Такие вещества называются изотропными. Если же к пластине такого материала приложить внешнее воздействие - сжать ее или изогнуть, - в нем возникнут деформации и появятся выделенные направления. Свойства вещества вдоль этих направлений и поперек них станут неодинаковыми, возникнет анизотропия. Световой луч в таком веществе расщепится на два, и двигаться они станут с разными скоростями. Более того: они будут поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях и взаимодействовать не будут.
И для обычного, и для поляризованного света ничего не изменится: суммарная интенсивность двух лучей останется прежней. Но анализатор, стоящий после пластины, "вырежет" из них две волны, колеблющиеся в одной плоскости. А поскольку их породил один исходный луч, волны станут интерферировать. Малейшие изменения толщины пластинки и величины деформации в ней приводят к возникновению разности хода волн. Появится разноцветная картина, подобная той, что бывает на поверхности воды с пленкой масла или бензина. Ее можно наблюдать при помощи сделанных приборов.
Сильной анизотропией обладает целлофан. Этот упаковочный материал делают из вискозы, продукта переработки древесины. При изготовлении целлофановая пленка сильно растягивается, выстраивая цепочками длинные органические молекулы.
Кусочки целлофана с пачки сигарет складывают вместе, ориентируя их в разных направлениях, и помещают между поляроидами. Прозрачная пленка окрасится в изумительные по чистоте и яркости цвета (см. 4-ю стр. цв. вкладки). При повороте одного из поляризаторов цвета будут меняться на дополнительные: красный сделается зеленым, синий - желтым и наоборот.
В поляризованном свете становятся видны напряжения в линейках, коробках и корпусах шариковых ручек из прозрачной пластмассы. В куске стекла, сжатом пассатижами, появятся цветные полосы, которые исчезают после снятия нагрузки. А в закаленном стекле, которое стоит в окнах автомобилей и вагонов, эти напряжения сохраняются и бывают заметны в виде многочисленных радужных пятен.
Поляризационные методы позволяют увидеть, как будет вести себя деталь при работе. Из органического стекла вырезают плоскую модель спроектированной детали и подвергают нагрузке, аналогичной реальной. Цветные полосы будут тем тоньше и расположатся тем гуще, чем выше концентрация напряжений; они укажут на области, с которых начнется разрушение детали.
ПРИРОДНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Свет Солнца или обыкновенной лампы неполяризован. Однако на пути к наблюдателю его свойства могут меняться.
Солнечный свет сильно поляризуется, рассеиваясь на молекулах воздуха, причем в разных направлениях относительно Солнца по-разному. Обнаружить это можно при помощи стеклянной стопы или "черного" зеркала, посмотрев, как меняется яркость небесной сферы в области зенита в зависимости от азимута наблюдения.
Если "зеркало" держать на высоте около 20 см над уровнем глаз, свет от зенита станет отражаться в нем под углом поляризации. Еще удобнее рассматривать небо сквозь стеклянную стопу. Поворачиваясь вокруг вертикальной оси, можно заметить, что отражение яркое, когда Солнце спереди или за спиной, и темное, когда оно справа или слева. Этот же результат получится, если рассматривать в "зеркало" отражение неба вблизи горизонта. Очевидно, что рассеянный солнечный свет сильно поляризован в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце. А колебания электромагнитной волны направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через Солнце, наблюдаемую точку и глаз.
Отчетливо видны темные области и на отражении от гладкой поверхности воды (смотреть на нее нужно под углом чуть больше 50о). Когда Солнце стоит низко, вода на севере и на юге кажется заметно темнее, чем на востоке и на западе. А прозрачные облака на отражении видны гораздо отчетливее: их свет не поляризован и ослабляется меньше.
При помощи поляризатора можно увидеть и еще одно любопытное небесное явление - так называемую "щетку Гайдингера". Ее наблюдение требует терпения и некоторой практики.
Если несколько минут рассматривать отражение голубого неба в "зеркале", покажется, что ровный фон покрывается как бы сеткой. Вскоре на ее месте возникнет желтоватое пятно, напоминающее платяную щетку, с синими пятнами по бокам. Она будет видна также, если поглядеть сквозь стеклянную стопу, медленно вращая ее, на белое облако ("щетка" при этом тоже будет поворачиваться). Размеры ее весьма значительны - 4о, в 8 раз больше диаметра полной Луны, но яркость и контрастность очень малы. Дуга, продолженная через желтую "щетку", обычно проходит через Солнце. Однако в узкой области возле него удается наблюдать "щетку", направленную под прямым углом к этому направлению. Для этого нужно отвернуться от Солнца и смотреть на отражение в стекле, заслонив яркий солнечный зайчик.
При определенном навыке и после долгих тренировок многим удается видеть "щетку" и без поляризатора, невооруженным глазом. Лев Толстой в повести "Юность", например, упомянул "...чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает...".
До сих пор не вполне понятно, каким образом глаз видит поляризованный свет. Герман Гельмгольц, немецкий физик и естествоиспытатель, много занимавшийся физиологией зрения, считал, что причина кроется в структуре сетчатки. Светочувствительные клетки глаза обладают анизотропией и поглощают синие лучи сильнее, чем желтые. Однако это не объясняет, почему некоторые видят "щетку" в виде синей полосы с желтыми пятнами по бокам. Возможно, это связано с различиями в индивидуальной структуре сетчатки. Но все равно остается непонятным, почему, когда глаз устает, непрерывным кажется то желтое, то синее пятно.
Переписка с читателями
НЕОБЫКНОВЕННЫЙ ЛУЧ ОБЫКНОВЕННОГО КРИСТАЛЛА
В школьном
учебнике природоведения за 4-й
класс говорится, что в древности
мореплаватели в пасмурную погоду
находили положение Солнца при
помощи кристалла исландского
шпата. Вращая камень, они замечали
изменение его окраски.
У нас с сыном ничего не получилось.
Как же это все-таки удавалось
мореходам и как объяснить эффект с
точки зрения физики?
Н. Кондратьев.
Исландский шпат - кристалл углекислого кальция (CaCO3) - обладает одним очень интересным свойством, именуемым двулучепреломлением.
Луч света, падающий перпендикулярно на поверхность обычного прозрачного вещества (скажем, стекла), проходит внутрь его, не преломляясь. А в кристалле исландского шпата он расщепляется на два. Один луч ведет себя обыкновенным образом - проходит насквозь без преломления. Другой луч в кристалле отклоняется на некоторый угол, преломляется на противоположной его грани и выходит наружу параллельно первому. Этот луч получил название необыкновенного. При вращении кристалла обыкновенный луч остается неподвижным, а необыкновенный станет описывать вокруг него круги (это же можно увидеть, посмотрев сквозь кристалл на пятнышко, нарисованное на листе бумаги).
Оба луча поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Когда в кристалл попадает обычный свет, это незаметно. Но если свет поляризован, картина меняется. Когда плоскости поляризации света и одного из лучей оказываются перпендикулярными, этот луч пропадает. И при вращении кристалла через каждые 90о будет наблюдаться его потемнение (но окраска не изменится!) .
На основе этого явления и мог в принципе быть основан навигационный прибор древности. Свет, приходящий от неба, сильно поляризован в плоскости, перпендикулярной направлению на Солнце. Поворачивая кристалл, можно отыскать направление наибольшей поляризации и таким образом сориентироваться по странам света. Но вот беда: свет поляризуется только при рассеянии на молекулах воздуха, то есть при ясном небе. Дымка, туман и облака свет не поляризуют. Поэтому в пасмурную погоду кристалл работать не будет, а в ясную он бесполезен - Солнце видно и так.
