Определение показателя преломления материала призмы с помощью закона брюстера

Свет, испускаемый одним элементарным излучателем (атомом, молекулой) в каждом акте излучения всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц, которые излучают свет независимо друг от друга, и направления электрических векторов Е при элементарных актах излучения имеют случайный характер. Поэтому направление результирующего вектора Е во времени меняется хаотически. Подобное излучение называют неполяризованным или естественным светом.

Электромагнитное излучение, у которого направление вектора Е остается неизменным, называется плоскополяризованным (или линейно-поляризованным). Частично поляризованный свет – это свет, в котором имеется преимущественное направление вектора Е. Например, лазерное излучение, как правило, является поляризованным, в то время как тепловое излучение почти всегда неполяризовано.

Состояние поляризации света может измениться при отражении, преломлении и при прохождении света через анизотропные вещества. Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью специальных приборов, называемых поляризаторами.

Человеческий глаз не способен отличать поляризованный свет от неполяризованного, поэтому для анализа поляризации исследуемое излучение пропускают через поляризатор.

Если направить пучок естественного света на границу раздела двух диэлектриков, то часть света отразится, а часть, преломляясь, будет распространяться во второй среде. В общем случае отраженный и преломленный лучи частично поляризованы. При некотором строго определенном для данной пары сред значении угла падения отраженный от границы раздела свет оказывается полностью поляризованным. Такой угол падения jБ называется углом Брюстера и определяется выражением, называемым законом Брюстера

(1)

где n1 и n2 – показатели преломления первой и второй среды, соответственно, а n12 – относительный показатель преломления.

Причина этого явления в следующем. Известно, что луч, падающий на границу двух сред возбуждает движение зарядов, которое, в свою очередь, генерирует преломленный и отраженный лучи. Оказывается, что в случае, если отраженный и преломленный лучи образуют прямой угол, а падающий луч поляризован в плоскости падения (плоскость, в которой лежат падающий, преломленный или отраженный лучи и перпендикуляр, восстановленный в точку падения), то отраженного луча не будет совсем. Но в данной лабораторной работе можно пронаблюдать только уменьшение интенсивности отраженного луча, т. к. падающий свет не строго поляризован.

Закон Брюстера лежит в основе метода определения показателя преломления одной из сред, если известен показатель преломления второй.

Относительный показатель преломления n12 можно определить еще одним способом. Согласно закону преломления света (закон Снеллиуса)

(2)

где j — угол падения, а y — угол преломления (рис.1а). Отсюда следует, что при переходе света из оптически более плотной среды (с большим n) в менее плотную, преломленный луч удаляется от нормали к поверхности раздела (рис.1а), т. е. угол преломления становится больше угла падения.

С увеличением угла падения соответственно увеличивается и угол преломления, поэтому при некотором строго определенном для данных сред угле падения jпред, угол преломления станет равным 90° (рис.1б). Если же луч падает под углами (рис.1в), большими предельного jпред, то происходит полное отражение света от границы раздела.:

(3)

где n – показатель преломления оптически более плотной среды, а показатель преломления менее плотной среды (воздуха) приближенно равен 1.

Имеется случай, когда закон Снеллиуса не выполняется. В лабораторной работе №7 (где рассмотрен закон Малюса), излагается понятие обыкновенного и необыкновенного лучей света в одно- и двуосных кристаллах (кристаллы турмалина). Необыкновенный луч не подчиняется закону Снеллиуса, в то время как обыкновенный луч подчиняется ему.

Поляризованный свет имеет важные аналитические применения. В поляризованном свете в материалах становятся видимыми деформации. Например, линии деформации в стекле можно сделать видимыми если поместить стекло между двумя поляризованными фильтрами.

Описание установки

1. При определении показателя преломления стеклянной призмы с помощью закона Брюстера используется установка, схема которой приведена на рис.2.

Свет лазера 1 падает на грань АС призмы 4. Призма может вращаться на столике 5 вокруг вертикальной оси. В эксперименте угол Брюстера определяется по полному света, отраженного от поверхности АС призмы. Его можно наблюдать на экране 3. Величины углов, необходимых для расчетов, измеряются по шкале поворотного столика (5)

2. Для определения показателя преломления при полном внутреннем отражении призму (4) необходимо установить так, как показано на рис. 3. при этом свет падает на грань призмы ВС и испытывает полное внутреннее отражение на грани АС. Тогда для вычисления показателя преломления материала призмы можно воспользоваться законом преломления (2) применительно к грани ВС и формулой (3) для полного внутреннего отражения на грани АС. Из рис. 3. очевидно, что jпред = 45° — y. Решая совместно эти уравнения, получаем

(4)

где j — угол падения света на грань ВС призмы 5.

Изменяя угол падения лазерного пучка на эту грань можно определить угол полного внутреннего отражения по появлению прошедшего через грань АС света на экране 3.