I PRACOWNIA FIZYCZNA
ĆWICZENIE: 82
Analiza stanu polaryzacji światła.
Goncerz Rafał
1. WSTĘP TEORETYCZNY
Światło spolaryzowane liniowo możemy zbadać za pomocą polaryzatora zwanego w tym przypadku analizatorem. Obracając analizator wokół osi biegu wiązki światła spolaryzowanego, stwierdzamy rozjaśnienie pola widzenia lub jego całkowite zaciemnienie. W przypadku zaciemnienia wiemy, że płaszczyzna polaryzacji analizatora jest prostopadła do płaszczyzny polaryzacji światła analizowanego. Innym rodzajem uporządkowania drgań świetlnych może być takie światło, w którym koniec wektora natężenia pola elektrycznego zakreśla linię śrubową wokół kierunku rozchodzenia się fali ( rys. 1 ). Mówimy wtedy o polaryzacji kołowej ( gdy Ey = Ex ) lub eliptycznej ( Ey 
Ex ). Do wytwarzania
Drgania wektora elektrycznego w świetle spolaryzowanym: a) kołowo, b) eliptycznie
|
światła spolaryzowanego eliptycznie służy ćwierćfalówka. Jest to płytka krystaliczna ( optycznie czynna ), najczęściej mika, o grubości tak dobranej, że pomiędzy promieniem zwyczajnym i nadzwyczajnym światła przechodzącego wytwarza się różnica faz równa lub 3/4, co odpowiada różnicy dróg optycznych /4 lub 3/4. Na oprawce ćwierćfalówki zaznaczone są kierunki promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego, zwane azymutami. W doświadczeniu ćwierćfalówkę stosować będziemy do analizy światła spolary- |
zowanego eliptycznie. Zmienia ona światło spolaryzowane eliptycznie na światło spolaryzowane liniowo. Jednak w tym przypadku ćwierćfalówkę ustawić musimy w ten sposób, by główne półosie elipsy spolaryzowanego światła były równoległe do jej azymutów. Stąd przed zastosowaniem ćwierćfalówki musimy ustalić kierunki półosi elipsy, czego dokonać można przy pomocy analizatora. Kierunek płaszczyzny polaryzacji analizatora wtedy, gdy przepuszcza on maksimum lub minimum światła, jest równoległy do odpowiedniej osi elipsy. Gdy azymuty ćwierćfalówki są równoległe do półosi, wtedy światło przechodzące zyskuje dodatkową różnicę faz równą /4 lub 3/4, co łącznie z istniejącą w świetle spolaryzowanym eliptycznie daje całkowitą wielokrotność , czyli drgania spolaryzowane liniowo.
Światło odbite od dielektryka ulega polaryzacji wtedy, gdy kąt padania jest równy kątowi Brewstera ( jest to taki kąt padania, dla którego światło
odbite pod tym kątem jest całkowicie liniowo spolaryzowane ). Jeżeli płytkę oświetlamy światłem spolaryzowanym liniowo, to stan polaryzacji wiązki odbitej zależy od kąta między płaszczyzną polaryzacji światła padającego i płaszczyzną padania. Gdy kąt = 0, światło odbite jest całkowicie spolaryzowane, gdy kąt = 90o, światło padające pod kątem Brewstera nie odbija się. W przypadkach pośrednich obserwujemy skręcenie płaszczyzny polaryzacji. Stan polaryzacji ulega również zmianie przy całkowitym wewnętrznym odbiciu. Jeżeli odbija się światło spolaryzowane liniowo, to stan polaryzacji nie ulega zmianie tylko w przypadkach = 0 lub = 90o. W innych przypadkach powstaje polaryzacja eliptyczna. Zjawisko to można wyjaśnić następująco: światło spolaryzowane liniowo rozkładamy na składowe: równoległą i prostopadłą do płaszczyzny padania. Każda z tych składowych doznaje innego skoku fazy przy odbiciu. Stąd zmienia się faza między składowymi i w wyniku nałożenia się po odbiciu stan polaryzacji zmienia się na eliptyczny. Zjawiska zmiany stanu polaryzacji występują wtedy, gdy światło odbija się od polerowanej powierzchni metalu. Zgodnie z wzorem definicyjnym współczynnika załamania, dla kąta Brewstera dostaniemy:
gdzie: - kąt padania
Powstawanie widma charakterystycznego ( na przykładzie atomu wodoru ).
Widmo i poziomy energetyczne atomu wodoru zostały po raz pierwszy wyjaśnione za pomocą postulatów Bohra.
Pierwszy postulat Bohra ( postulat stanów stacjonarnych ): w atomie występuje zbiór stanów stacjonarnych, takich że znajdujący się w nich atom nie emituje fal elektromagnetycznych. Stanom stacjonarnym odpowiadają orbity stacjonarne, po których elektrony poruszają się z przyspieszeniem, ale nie emitują przy tym światła.
Drugi postulat Bohra ( reguła częstości ): przy przechodzeniu atomu z jednego stanu stacjonarnego do innego zostaje wyemitowany lub pochłonięty jeden foton. Emisja fotonu następuje przy przejściu ze stanu o większej energii Wn do stanu o mniejszej energii Wm. Przy przejściu odwrotnym zachodzi absorpcja fotonu. Energia h fotonu jest równa różnicy energii atomu w dwóch stanach:
Stosując model Bohra można wyprowadzić wzór określający energię Wn, a tym samym częstość emitowanej fali elektromagnetycznej:
gdzie: c - prędkość światła
n = 1,2,3, ... ; m = n + 1, n + 2, n + 3, ...
R - stała Rydberga ( zależna od rodzaju jądra )
Dla każdej wartości n otrzymujemy układ linii widmowych, z których każda odpowiada innej wartości m, tworzących jedną serię widmową ( powstaje ona w wyniku przejścia elektronu w atomie z różnych poziomów o wyższej energii na ten sam poziom o niższej energii ).
Tylko niektóre linie należące do różnych serii widmowych leżą w zakresie widzialnym. Wiele linii leży w ultra fiolecie lub w dalekiej podczerwieni. Dla atomu wodoru w zakresie widzialnym leżą trzy linie serii Balmera ( są one najbardziej intensywne ).
Zatem widmo pozwala zidentyfikować atomy wysyłające światło. Sposób identyfikacji atomów oparty na analizie widma nazywamy analizą widmową.
Powstawanie widma ciągłego.
Gdy poszczególne barwy widma przechodzą w sposób ciągły jedna w drugą, wtedy widmo nazywamy ciągłym. Widmo ciągłe otrzymujemy rozszczepiając światło wysyłane przez ciała stałe i ciekłe podgrzane do wysokiej temperatury. Widmo ciągłe można traktować jako wynik nałożenia się dużej liczby widm liniowych.
2. POMIARY
3. WNIOSKI
Po wykreśleniu zależności prądu fotoelektrycznego od kąta ustawienia polaryzatora I = f(α) mogę stwierdzić co następuje :
Na wykresie 1 zauważyć można, że natężenie światła I
const oraz Imin = 0 Wskazuje to na polaryzację liniową światła.
Po dodaniu do układu optycznego ćwierćfalówki (wykresy 2 - 7 ) i po przeanalizowaniu kształtów otrzymanych wykresów dochodzimy do następujących wniosków :
Na wykresach 2,3,4 i 6 mamy do czynienia z wykresami światła spolaryzowanego częściowo eliptycznie ( Imin > 0 oraz rozkład minimów i maksimów nie pokrywa się z wykresem światła bez ćwierćfalówki )
Na wykresie 7 mamy do czynienia ze światłem częściowo spolaryzowanym liniowo ( rozkład minimów i maksimów taki sam jak dla wykresu światła bez ćwierćfalówki )
Na wykresie 5 mamy przedstawiony wykres światła zbliżony do polaryzacji eliptycznej (pomimo zmian położenia analizatora następują niewielkie zmiany natężenia prądu fotoopornika )
Rys. 1
Wyszukiwarka