Chương IV Phân cực ánh sáng

CHƯƠNG IV PHÂN CỰC ÁNH SÁNG ÁNH SÁNG PHÂN CỰC I. ánh sáng tự nhiên, ánh sáng phân cực - Ánh sáng tự nhiên là ánh sáng có véc tơ cường độ điện trường dao động đều đặn theo mọi phương vuông góc với tia sáng (a) Tia sáng E E 1 Tia sáng (b) E1 -Ánh sáng phân cực toàn phần (hay phân cực thẳng) là ánh sáng có véc tơ cường độ điện trường chỉ dao động theo một phương xác định vuông góc với tia sáng. - Ánh sáng phân cực một phần là ánh sáng có véc tơ cường độ điện trường dao động theo mọi phương vuông góc với tia sáng nhưng có phương dao động mạnh, có phương dao động yếu. - Mặt phẳng chứa tia sáng và phương dao động của cường độ điện trường gọi là mặt phẳng dao động, còn mặt phẳng chứa tia sáng và vuông góc với mặt phẳng dao động gọi là mặt phẳng phân cực II. Định luật Malus về phân cực ánh sáng - Chiếu ánh sáng tự nhiên tới bản tuamalin T1( hợp chất silicôbôrat aluminium) véc tơ E của ánh sáng tự nhiên phân tích thành 2 thành phần: E1x vuông góc với quang trục Δ1 và E1y song song với quang trục Δ1 Do véc tơ E phân bố đều nên ta có: 2 y1 2 x1 2 EEE  22 y1 2 x1 E 2 1 EE  Thành phần E1x bị hấp thụ hoàn toàn, chỉ còn thành phần E1y = E1 truyền qua T1 Do đó cường độ sáng sau khi qua T1là I1 Sau T1 đặt T2 có quang trục Δ2 hợp với Δ1 một góc α, sau khi đi qua bản T2 chỉ còn thành phần E2’song song với Δ2 , mà E2’= E1cosα, nên cường độ sáng sau khi đia qua 2 bản: 0 22 y1 2 11 I 2 1 E 2 1 EEI   21 22 1 2 22 cosIcosEEI Định luật:Khi cho chùm ánh sáng tự nhiên truyền qua hai kính phân cực và phân tích có quang trục hợp với nhau một góc α thì cường độ sáng nhận được tỉ lệ với cos2α Có thể dùng bản tuamalin để phân tích ánh sáng tự nhiên hay phân cực III. Phân cực do phản xạ và khúc xạ Khi cho một chùm tia sáng tự nhiên chiếu tới mặt phân cách giữa hai môi trường dưới góc tới i thì tia phản xạ và khúc xạ đều thành ánh sáng phân cực một phần - Tia phản xạ phân cực một phần, véc tơ cường độ điện trường dao động có biên độ dao động mạnh nhất theo phương vuông góc với mặt phẳng tới. Khi thay đổi góc tới sao cho tgi = n21 thì tia phản xạ phân cực toàn phần. Góc tới đó gọi là góc tới Brewster - Tia khúc xạ phân cực một phần, véc tơ cường độ điện trường dao động có biên độ dao động mạnh nhất theo phương vuông nằm trong mặt phẳng tới. Khi thay dổi góc tới thì tia khúc xạ không bao giờ thành phân cực toàn phần. PHÂN CỰC DO LƯỠNG CHIẾT I. Phân cực do lưỡng chiết Khi chiếu một tia sáng vào một số tinh thể thì tia sáng bị tách thành hai tia gọi là hiện tượng lưỡng chiết. Ví dụ tinh thể băng lan Khi chiếu một tia sáng vào tinh thể băng lan không song song với quang trục thì bị tách thành 2 tia: - Tia tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng gọi là tia thường (tia o), tia thường phân cực toàn phần có véc tơ E vuông góc với mặt phẳng chính của tia thường (mặt phẳng chứa tia thường và quang trục) Tia không tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng gọi là tia bất thường (tia e), tia bất thường phân cực toàn phần có véc tơ E nằm trong mặt phẳng chính của nó ( mặt phẳng chứa tia bất thường và quang trục) Khi ló ra khỏi tinh thể 2 tia thường và bất thường chỉ khác nhau về phương phân cực Chiết suất của tia bất thường phụ thuộc vào phương truyền của nó, ne ≤ no, nên ve ≥ vo Ví dụ: Chiếu tia sáng tự nhiên vuông góc với mặt bên ABCD của tinh thể băng lan II. Mặt sóng trong môi trường tinh thể đơn trục Mặt sóng đối với tia thường là mặt cầu Mặt sóng đối với tia bất thường là mặt elipxoit tròn xoay Vẽ mặt sóng thực của ánh sáng thường và ánh sáng bất thường tại cùng một thời điểm. Nối điểm nguồn thứ cấp với tiếp điểm giữa mặt sóng thứ cấp và mặt sóng thực ứng với tia o ta được phương truyền của tia o. Đối với bắt thường tương tự như vậy Chiếu chùm ánh sáng đơn sắc, song song vuông góc với mặt tinh thể Trường hợp 1: quang trục nghiêng một góc nào đó so với mặt tinh thể Tia bất thường không vuông góc với mặt sóng của nó Trường hợp 2: Chùm sáng và quang trục đều vuông góc với mặt AB của tinh thể. Vì theo phương của quang trục vận tốc tia thường và tia bất thường trùng nhau nên mặt sóng tia thường và bất thường trùng nhau, kết quả tia sáng không bị tách. Trường hợp 3: Chùm sáng vuông góc với mặt tinh thể còn quang trục song song với mặt đó. Tia thường và tia bất thường truyền theo một hướng nhưng với vận tốc khác nhau. III. Kính phân cực 1. Bản pôlarôitĐó là kính phân cực làm bằng xenluylôit trên phủ một lớp tinh thể định hướng sunfat- iôt – kinin, bản này chỉ dày 0,1mm có thể hấp thụ hoàn toàn tia thường và tạo thành ánh sáng phâncực toàn phần sau khi đi qua bản đó là tia bất thường 2. Lăng kính nicol: là khối tinh thể băng lan được cắt theo Mặt chéo thành hai nửa và dán lại với nhau bằng một lớp nhựa canađa trong suốt có chiết suất n = 1,55 Ánh sáng tự nhiên SI chiếu song song với CA’ tách thành 2 tia, tia thường có chiết suất no = 1,659 lớn hơn chiết suốt của lớp nhựa nên đến lớp nhựa bị phản xạ toàn phần và bị hấp thụ trên lóp sơn đen. Tia bất thường truyền qua lớp nhựa và ló ra ngoài nicol theo phương song song với tia tới Nếu chiếu ánh sáng tự nhiên qua hệ 2 nicol thì cường độ sáng sau khi đi qua 2 nicol cũng tuân theo định luật malus IV. Phân cực elip Ánh sáng có đầu mút véc tơ cường độ điện trường chuyển động trên một elip (hay đường tròn) được gọi là phân cực elip (hay phân cực tròn). Chiếu một tia sáng phân cực thẳng vuông góc với mặt trước của bản tinh thể lưỡng chiết độ dày d, quang trục Δ sao cho véc tơ E của tia sáng hợp với quang trục Δ một góc α. Khi đi vào tinh thể tia sáng bị tách thành 2 tia: tia thường o và tia bất thường e - Tia thường có véc tơ E0 vuông góc với quang trục và nằm trong mặt phẳng vuông góc với tia sáng -Tia bất thường e có véc tơ Ee song song với quang trục Hiệu quang lộ của 2 tia khi truyền qua bản tinh thể Lo – Le = (no – ne)d Hiệu pha của 2 tia: Dao động sáng tổng E hợp sau khi đi qua tinh thể: Phương trình dao động của đầu mút véc tơ E: Trong đó A1 = Asinα, A2 = Acosα d)n-n( 2 )L -L( 2 eoeo       eo EEE   2 21 2 2 2 2 1 2 sincos AA xy2 - A y A x 1.Bản ¼ bước sóng: Bản tinh thể có độ dày d sao cho: Hiệu pha của 2 tia: Phương trình dao động tổng hợp của E: Đặc biệt α = 450 thì A1 = A2 Ánh sáng phân cực thẳng sau khi đi qua bản ¼ bước sóng trở thành phân cực elip hay phân cực tròn 4 )1k2(d)n-n(L eo   2 )1k2(   1 A y A x 2 2 2 2 1 2  2. Bản ½ bước sóng: Bản tinh thể có độ d sao cho: Hiệu pha của 2 tia: Phương trình dao động của E: Ánh sáng phân cực thẳng sau khi đi qua bản ½ bước sóng vẫn là ánh sáng phân cực thẳng nhưng mặt phẳng phân cực đã bị quay đi. 2 )1k2(d)n-n(L eo    )1k2( 0 A y A x 21  3. Bản một bước sóng Bản tinh thể có độ dày d sao cho: Hiệu pha của 2 tia: Phương trình dao động của E: Ánh sáng phân cực thẳng sau khi đi qua bản một bước sóng vẫn là ánh sáng phân cực thẳng như cũ. 2 )1k2(d)n-n(L eo    )1k2( 0 A y A x 21  V. Lưỡng chiết nhân tạo 1.Lưỡng chiết do biến dạng: Bình thường các chất vô định hình có tính đẳng hướng, tuy nhiên khi bị biến dạng (nén hoạc kéo dãn theo một phương nào đó ) chúng trở nên bất đẳng hướng, phương nén hoặc kéo dãn trở thành quang trục no – ne = Cp C là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào bản chất vật, p là áp suất tác dụng lên vật Hiệu pha của 2 tia:   dCpdnn eo      22  2. Lưỡng chiết do điện trường: Một số chất lỏng như sunfat cacbon, benzôn,… chịu tác dụng của điện trường thì trở thành bất đẳng hướng. Khi chưa có điện trường tác dụng các phân tử chuyển động hỗn loạn, khi có điện trường tác dụng các phân tử nằm dọc theo đường sức điện trường, quang trục là phương của đường sức điện trường. Đối với ánh sáng đơn sắc:no – ne = kE 2 Hiệu pha của tia thường và bất thường: dBE2dkE 2 d)nn( 2 22 eo        VI. Sự quay mặt phẳng phân cực Một số tinh thể hoặc dung dịch có tác dụng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực toàn phần khi truyền qua chúng. - Đối với tinh thể: Góc quay của mặt phẳng phân cực: φ = αd α là hệ số quay phụ thuộc vào bản chất, nhiệt độ của chất hoạt quang và bước sóng ánh sáng chiếu tới, d là độ dày của tinh thể - Đối với dung dịch: Góc quay mặt phẳng phân cực φ =[α]cd Là hệ số quay riêng phụ thuộc vào bản chất, nhiệt độ của dung dịch và bước sóng của ánh sáng chiếu tới, c là nồng độ của dung dịch Phân cực tròn 1 Phancuctron1.exe Phân cực tròn 2 Phancuctron.exe