WSTĘP TEORETYCZNY

Ćwiczenie 62 : SPRAWDZENIE PRAWA MALUSA.

Drgające ładunki elektryczne wytwarzają w przestrzeni zmienne pole elektryczne, które zgodnie z prawem Maxwella indukuje zmienne pole magnetyczne, a to z kolei indukuje zmienne pole elektryczne itd. Tak więc drgania pola elektrycznego wzbudzają drgania pola magnetycznego i odwrotnie. Drgające pola, które wzajemnie się wzbudzają, nazywamy promieniowaniem elektromagnetycznym. Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się w przestrzeni jak fala o częstotliwości równej częstotliwości drgań ładunku elektrycznego, który jest jej źródłem, i dlatego promieniowanie to nazywamy falą elektromagnetyczną. . Światło jako fala elektromagnetyczna stanowi tylko niewielką część wszystkich fal elektromagnetycznych. Światło jest tą częścią całego widma fal elektromagnetycznych, która jest widzialna dla naszych oczu. Podlega ono tym samym prawom, jakim podlegają fale elektromagnetyczne. W danym ośrodku wszystkie fale elektromagnetyczne rozchodzą się z taką samą prędkością, która w próżni wynosi $3 \times 10^{8}\frac{m}{s}$. . Dipol nie promieniuje w kierunku swojej osi Dlatego np. maszt radiostacji nadającej na falach długich jest ustawiony pionowo, po to, by wysyłał fale tylko stycznie do powierzchni Ziemi a nie w przestrzeń kosmiczną. Można się o tym przekonać zmieniając położenie anteny elektrycznej lub magnetycznej odbiornika radiowego względem anteny stacji nadawczej. W przypadku fal ultrakrótkich (λ ≈ 1m ), często wykorzystuje się poziome ustawienie dipoli nadawczych i odbiorczych . W falach elektromagnetycznych wektory elektryczny E i magnetyczny H drgają w kierunkach prostopadłych do siebie i prostopadle do kierunku rozchodzenia fali v. Wektory E i H są także prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Fale elektromagnetyczne są więc falami poprzecznymi. Fale wysyłane przez promieniujący dipol ze względu na jeden, ściśle cokreślony kierunek drgań wektora elektrycznego E fali (kierunek osi dipola) nazywamy falami spolaryzowanymi liniowo. Światło niespolaryzowane jest zbiorem fal elektromagnetycznych o wszystkich możliwych kierunkach drgań wektora elektrycznego. Światło spolaryzowane jest falą elektromagnetyczną gdzie wektor prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali ma tylko jeden kierunek.

Aby otrzymać światło spolaryzowane liniowo trzeba wymusić równoległe ustawienie dipoli atomowych w momencie emisji, np. umieszczając atomy w silnym, stałym w czasie, polu magnetycznym. Światło emitowane w takich warunkach jest spolaryzowane liniowo (np. w zjawisku Zeemana).

Drugi sposób uzyskania fal spolaryzowanych liniowo polega na przepuszczeniu wiązki fal niespolaryzowanych (takich jak pokazano na Rys. 2b), przez ośrodek przepuszczający tylko fale o jednym, wyróżnionym kierunku drgań wektora elektrycznego E. Drgania prostopadłe do tego kierunku są pochłaniane. Do tego celu stosuje się folie polimerowe zawierające długie łańcuchy cząsteczek, ustawionych równolegle do siebie. W praktyce wykorzystuje się folie poliwinylowe lub poliwinilenowe, które w wyniku

jednokierunkowego rozciągania oraz domieszkowania chemicznego pochłaniają ten kierunek drgań wek-tora E, który jest równoległy do łańcuchów cząsteczkowych. Dzieje się tak dlatego, że wzdłuż domiesz-kowanych cząsteczek, pod wpływem pola elektrycznego fali mogą przemieszczać się elektrony przewod-nictwa i energia tego pola zostaje zamieniona na ciepło. W kierunku prostopadłym do osi cząsteczek możliwości ruchu elektronów są niewielkie i energia fali elektromagnetycznej nie jest pochłaniana. Folie mające takie właściwości nazywamy polaroidami. Polaryzacja ma także miejsce podczas odbicia światła. Jeśli promień odbity tworzy z promieniem załamanym kąt prosty to promień odbity jest spolaryzowany całkowicie, natomiast promień załamany jest spolaryzowany tylko częściowo. Kąt padania spolaryzowany.

Prawo Malusa, określa związek pomiędzy natężeniami światła spolaryzowanego liniowo, przed przejściem (J₀) i po przejściu (J) przez analizator. Jeśli kierunek drgań przepuszczanych przez analizator (np. polaroid) jest poziomy (kierunek osi x na Rys. 2), a pada na niego światło spolaryzowane liniowo, w którym kierunek drgań wektora elektrycznego tworzy kąt a z osią x, to zależność natężenia pola elektrycznego E_p fali przechodzącej od kąta a będzie miała postać:

Ponieważ natężenie fali świetnej J jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy drgań, to

gdzie a jest kątem pomiędzy płaszczyzną polaryzacji światła i płaszczyzną drgań przepuszczanych przez polaryzator.

Laser helowo-neonowy (He-Ne) - laser gazowy o działaniu ciągłym. Substancją roboczą wewnątrz rury próżniowej jest mieszanina neonu podciśnieniem parcjalnym 0,1 mm Hg i helu pod ciśnieniem parcjalnym 1 mm Hg. Laser helowo-neonowy emituje wiązkę światła o długości fali λ = 632,8 nm (czerwień) lub w podczerwieni o długości fali 1,15 μm.

Rys.3 Budowa lasera He-Ne.

Składa się ze szklanej tuby wypełnionej gazem pod niskim ciśnieniem, zakończonej zwierciadłami tworzącymi rezonator optyczny. W tej szklanej tubie umieszczone są elektrody dostarczające wysokie napięcie jonizujące gaz. Proces wzbudzania lasera He-Ne zaczyna się od zderzenia elektronów z wyładowania elektrycznego z atomami helu. Wzbudzany atom helu przechodzi ze stanu podstawowego do stanu 23S1 i 21S0, są to stany metastabilne, stany takie pozostają długo wzbudzone. Zderzenie wzbudzonego atomu helu z atomem neonu w stanie podstawowym wywołuje transfer energii z atomu helu do atomu neonu. Atom helu powraca do stanu podstawowego, a atom neonu wzbudzany jest odpowiednio do stanu z poziomu 3s lub 2s. Przejście do tego stanu jest spowodowane niewielką różnicą tych poziomów energetycznych atomów helu i neonu. Proces ten przedstawia się reakcją:

He(21S)* + Ne + ΔE → He(11S) + Ne3s2*

gdzie (*) oznacza stan wzbudzony, a ΔE jest niewielką energią, między energią wzbudzonego neonu a wzbudzonego helu, jest to około 0,05 eV (387 cm-1), która jest dostarczana przez energię kinetyczną zderzających się atomów. Intensywne wzbudzanie atomów neonu prowadzi do inwersji, w której wzbudzonych atomów neonu więcej niż atomów w stanie podstawowym. Z poziomu 3s dozwolone jest przejście promieniste do poziomu 3p i 2p. Przejściu do poziomu 2p towarzyszy emisja czerwonego światła (długości fali 632,82 nm), i to przejście jest wykorzystywane w typowym laserze HeNe. Z poziomu 3p lub 2p, atom szybko przechodzi do stanu podstawowego. Przejście ze stanu 3s na 3p wytwarza promieniowanie o długości fali 3,39 μm, a z 2s na 2p – 1,152 μm