КОЛЬОРОВИЙ СВІТ ПРОЗОРНИХ РЕЧІВ, Наука і життя
Світло, випромінюване Сонцем або звичайною електричною лампою, складається з електромагнітних хвиль, що здійснюють коливання у всіх можливих напрямках навколо світлового променя. З цих невпорядкованих коливань можна "вирізати" хвилю з одним-єдиним напрямом коливань в одній площині. Таке світло називається плоскополяризованим.
Поляризація відбувається при проходженні світла крізь деякі кристали (турмалін, ісландський шпат) та тонкі плівки із синтетичних матеріалів. Світло, що пройшло через такий поляризатор, на погляд нічим не відрізняється від звичайного. Але якщо на шляху поляризованого променя помістити другий кристал або шматок плівки - аналізатор - стануть видно його особливі властивості.
При повороті аналізатора навколо осі, що збігається з напрямком променя, світло періодично пропадає. Це відбувається тоді, коли поляризатори " схрещені " - пропускають коливання у взаємно перпендикулярних напрямах. Якщо між схрещеними поляроїдами помістити кілька листочків целофану чи смужку прозорої пластмаси, стануть видно різнокольорові смуги, що покривають всю поверхню.
У наукових лабораторіях як поляризаційні пристрої зазвичай використовують призми, склеєні зі скла та ісландського шпату. Таку призму називають миколою, її запропонував 1820 року англійський фізик Вільям Ніколь. Рідше застосовуються поляризатори із синтетичної плівки. Але самому можна виготовити набагато простіший пристрій.
На початку XIX століття французький військовий інженер Етьєн Малюс виявив, що світло, відбите від поверхні води або скла, поляризується так само, як при проходженні крізь ісландський шпат. У 1815 році шотландський фізик Девід Брюстер відкрив чудовий закон, названий його ім'ям:світло повністю поляризується, якщо падає на поверхню речовини під кутом, тангенс якого дорівнює показнику заломлення речовини. При цьому заломлений промінь піде перпендикулярно відбитому і буде максимально (але не повністю!) поляризований. Якщо світло пропустити через стопку скляних пластин, ступінь поляризації зростатиме пропорційно числу поверхонь. І на практиці буває достатньо семи – восьми платівок, щоб отримати повністю поляризоване світло. Важливо, що поляризація відбувається лише за відображенні від діелектрика, ізолятора. Відображення від металу (наприклад, дзеркала, що покриває) відбувається за іншими законами і світла не поляризує.
Подивимося, під яким кутом повинен падати промінь на поверхню скла, щоб повністю поляризуватись при відображенні. Коефіцієнт заломлення склаn= 1,5 – 1,7. Легко підрахувати, якщо tgφ=1,6, то кут поляризації φ=57 про . Для води (n= 1,3) = 53 o . Цей кут відраховується від перпендикуляра до поверхні.
Перші поляризаційні пристрої використовували саме властивості відбитого світла. Їхня простота дозволяє самим зробити поляризатори двох типів, що працюють не гірше за лабораторні.
Для виготовлення першої моделі знадобляться два невеликі прямокутні листи скла. Їх покривають з одного боку рівним шаром чорної фарби і закріплюють так, щоб світло на них падало під кутом поляризації.
Для цього з тонкої фанери, пластмаси або щільного картону збирають дві коробчасті стійки, вклеївши в них скла під кутом 33° до горизонтальної площини. У кришці однієї стійки (поляризатора) вирізують вікно і закривають його шматком скла - воно стане предметним столиком. Іншу стійку (аналізатор) поміщають зверху та розглядають відображення об'єкта, що лежить на столику.
Дляполяризаторів другої моделі знадобиться вже по 7 - 8 скляних пластинок, і вимоги до їхньої якості будуть вищими. Скло має бути прозорим, а поверхня – гладкою. Чим тонше платівки, тим легше буде прилад. Ідеальним матеріалом було б квадратне покривне скло, що застосовується в мікроскопії для захисту препаратів. Їхня товщина близько 0,15 мм, розмір - від сантиметра до п'яти. Підходять і предметні стекла завтовшки близько 1 мм. Купити їх можна у магазинах медичної та лабораторної техніки. Не гірше й шибки, вирізані зі старих фотопластинок. Але цей матеріал, схоже, сьогодні ще менш доступний, тому доведеться швидше задовольнятися простим віконним склом. З нього вирізають смужки довільного розміру із співвідношенням сторін 2: 1 (тоді вікно поляризатора буде квадратним) або більше. Стопку стекол закріплюють у трубці квадратного перерізу під кутом 33 променю зору. Пара таких приладів утворює поляризатор із аналізатором.
Подивимося, що можна побачити за допомогою зробленої апаратури.
В однорідній речовині світло поширюється на всіх напрямках з однією швидкістю. Постійні та інші фізичні властивості – твердість, пружність, теплопровідність. Такі речовини називаються ізотропними. Якщо ж до пластини такого матеріалу прикласти зовнішній вплив - стиснути її або вигнути, - у ньому виникнуть деформації та з'являться виділені напрямки. Властивості речовини вздовж цих напрямків і впоперек них стануть неоднаковими, виникне анізотропія. Світловий промінь у такій речовині розщепиться на два, і вони будуть рухатися з різними швидкостями. Більше того: вони будуть поляризовані у взаємно перпендикулярних напрямках і взаємодіяти не будуть.
І для звичайного, і для поляризованого світла нічого не зміниться: сумарна інтенсивність двохпроменів залишиться незмінною. Але аналізатор, що стоїть після пластини, "виріже" з них дві хвилі, що коливаються в одній площині. А оскільки їх породив один вихідний промінь, хвилі інтерферуватимуть. Найменші зміни товщини пластинки та величини деформації у ній призводять до виникнення різниці ходу хвиль. З'явиться різнокольорова картина, подібна до тієї, що буває на поверхні води з плівкою масла або бензину. Її можна спостерігати за допомогою виготовлених приладів.
Сильну анізотропію має целофан. Цей пакувальний матеріал виготовляють з віскози, продукту переробки деревини. При виготовленні целофанова плівка сильно розтягується, вибудовуючи ланцюжками довгі органічні молекули.
Шматочки целофану з пачки цигарок складають разом, орієнтуючи в різних напрямах, і поміщають між поляроидами. Прозора плівка забарвиться в дивовижні за чистотою та яскравістю кольору (див. 4-ю стор. цв. вкладки). При повороті одного з поляризаторів кольори змінюватимуться на додаткові: червоний стане зеленим, синій – жовтим і навпаки.
У поляризованому світлі стає видно напруги в лінійках, коробках і корпусах кулькових ручок із прозорої пластмаси. У шматку скла, стиснутому пасатижами, з'являться кольорові смуги, які зникають після зняття навантаження. А в загартованому склі, яке стоїть у вікнах автомобілів і вагонів, ця напруга зберігається і буває помітна у вигляді численних райдужних плям.
Поляризаційні методи дозволяють побачити, як поводитиметься деталь під час роботи. З органічного скла вирізають плоску модель спроектованої деталі і піддають навантаженню, аналогічному реальному. Кольорові смуги будуть тим тонші і розташуються тим густіше, що вища концентрація напруг; вони вкажуть на області, з яких розпочнеться руйнування деталі.
Світло Сонця чи звичайної лампи неполяризоване. Однак на шляху до спостерігача його властивості можуть змінюватись.
Сонячне світло сильно поляризується, розсіюючись на молекулах повітря, причому в різних напрямках щодо Сонця по-різному. Виявити це можна за допомогою скляної стопи або чорного дзеркала, подивившись, як змінюється яскравість небесної сфери в області зеніту в залежності від азимуту спостереження.
Якщо "дзеркало" тримати на висоті близько 20 см над рівнем очей, світло від зеніту відображатиметься в ньому під кутом поляризації. Ще зручніше розглядати небо крізь скляну стопу. Повертаючись навколо вертикальної осі, можна помітити, що яскраве віддзеркалення, коли Сонце спереду або за спиною, і темне, коли воно праворуч або зліва. Той самий результат вийде, якщо розглядати в "дзеркало" відбиття неба поблизу горизонту. Очевидно, що розсіяне сонячне світло сильно поляризоване у напрямку, перпендикулярному напрямку на Сонце. А коливання електромагнітної хвилі спрямовані перпендикулярно площині, що проходить через Сонце, точку та око, що спостерігається.
Виразно видно темні області і відображенні від гладкої поверхні води (дивитися на неї потрібно під кутом трохи більше 50 про). Коли Сонце стоїть низько, вода на півночі та на півдні здається помітно темнішою, ніж на сході та на заході. А прозорі хмари на відображенні видно набагато чіткіше: їхнє світло не поляризоване і послаблюється менше.
За допомогою поляризатора можна побачити ще одне цікаве небесне явище - так звану "щітку Гайдінгера". Її спостереження потребує терпіння та деякої практики.
Якщо кілька хвилин розглядати відображення блакитного неба в "дзеркалі", здасться, що рівне тло покривається ніби сіткою. Незабаром на її місці виникне жовта пляма,що нагадує платтяну щітку, з синіми плямами з боків. Вона буде видно також, якщо подивитися крізь скляну стопу, повільно обертаючи її, на білу хмару ("щітка" при цьому теж повертатиметься). Розміри її дуже значні - 4 о, в 8 разів більше діаметра повного Місяця, але яскравість і контрастність дуже малі. Дуга, продовжена через жовту "щітку", зазвичай проходить через Сонце. Однак у вузькій області біля нього вдається спостерігати "щітку", спрямовану під прямим кутом до цього напряму. Для цього потрібно відвернутися від Сонця і дивитися на відображення у склі, заслонивши яскравий сонячний зайчик.
При певному навичці та після довгих тренувань багатьом вдається бачити "щітку" і без поляризатора неозброєним оком. Лев Толстой у повісті " Юність " , наприклад, згадав " . чисте небо, у якому, як дивишся уважно, раптом з'являється ніби пильна жовта цятка і знову зникає. " .
Досі не зовсім зрозуміло, як око бачить поляризоване світло. Герман Гельмгольц, німецький фізик і дослідник природи, який багато займався фізіологією зору, вважав, що причина криється в структурі сітківки. Світлочутливі клітини ока мають анізотропію і поглинають сині промені сильніше, ніж жовті. Однак це не пояснює, чому деякі бачать "щітку" у вигляді синьої смуги з жовтими плямами з обох боків. Можливо, це пов'язано з відмінностями в індивідуальній структурі сітківки. Але все одно залишається незрозумілим, чому, коли око втомлюється, безперервним здається та жовта, та синя пляма.
Листування з читачами
НЕЗВИЧАЙНИЙ ПРОМІНЬ ЗВИЧАЙНОГО КРИСТАЛУ
У шкільному підручнику природознавства за 4-й клас говориться, що в давнину мореплавці в похмуру погоду знаходили положення Сонця за допомогою ісландського кристала.шпату. Обертаючи камінь, вони помічали зміну його забарвлення. У нас із сином нічого не вийшло. Як же це все-таки вдавалося мореплавцям і як пояснити ефект з погляду фізики?
Ісландський шпат - кристал вуглекислого кальцію (CaCO3) - має одну дуже цікаву властивість, названу двопроменезаломленням.
Промінь світла, що падає перпендикулярно на поверхню звичайної прозорої речовини (скажімо, скла), проходить усередину його, не заломлюючись. А у кристалі ісландського шпату він розщеплюється на два. Один промінь поводиться звичайним чином – проходить наскрізь без заломлення. Інший промінь у кристалі відхиляється на деякий кут, заломлюється на протилежній його грані і виходить назовні паралельно першому. Цей промінь отримав назву незвичайного. При обертанні кристала звичайний промінь залишається нерухомим, а незвичайний буде описувати навколо нього кола (це ж можна побачити, подивившись крізь кристал на плямку, намальовану на аркуші паперу).
Обидва промені поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах. Коли кристал потрапляє звичайне світло, це непомітно. Але якщо світло поляризоване, картина змінюється. Коли площини поляризації світла та одного з променів виявляються перпендикулярними, цей промінь зникає. І при обертанні кристала через кожні 90о буде спостерігатися його потемніння (але забарвлення не зміниться!).
На основі цього явища і міг у принципі бути заснований навігаційний прилад давнини. Світло, що надходить від неба, сильно поляризоване в площині, перпендикулярній напрямку на Сонце. Повертаючи кристал, можна знайти напрямок найбільшої поляризації і в такий спосіб зорієнтуватися країнами світу. Але біда: світло поляризується тільки при розсіянні на молекулах повітря, тобто при ясному небі. Димка, туман та хмарисвітло не поляризують. Тому в похмуру погоду кристал працювати не буде, а в ясну він марний - Сонце видно і так.