книги из ГПНТБ / Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика

Анизотропия — зависимость свойств от направле­ ния — широко распространена в живой и неживой природе, в веществах природного и искусственного

В книге освещаются исследования анизотропии вещества оптическими методами, главным образом с помощью поляризованного света. В пей рассказывает­ ся о свойствах поляризованного света и его получе­ нии, об анизотропии взаимодействия света со средой, на которой и основаны методы ее исследования. От­ дельные главы посвящены изучению анизотропии мо­ лекул, кристаллов, биологических структур, геофизи­ ческих и астрономических объектов. Исследования та­ кого рода широко развиваются в последние годы.

ВВЕДЕНИЕ

Термин «анизотропия» означает различие свойств по разным направлениям. Если свойства объекта (кристалла, жидкости, молекулы и т. д.) одинаковы во всех направле­ ниях, такой объект называется изотропным, если же не­ одинаковы — анизотропным. Возможна анизотропия любых свойств — механических, электрических, упрутих, '-опти­ ческих и т. и. Анизотропия свойств всегда тесно связана с анизотропией строения, анизотропией структуры веще­ ства. Кроме того, анизотропия одних свойств приводит к анизотропии других свойств. Поэтому изучая экспери­ ментально один вид анизотропии вещества, можно полу­ чить сведения о его анизотропии в целом, а также о важ­ ных чертах его строения и структуры.

Анизотропия чрезвычайно часто встречается в разно­ образных объектах как природного, так и искусственного происхождения.

Знание особенностей и причин анизотропии важно для понимания многих вопросов строения вещества и для разнообразных практических приложений. Один из тон­ ких и плодотворных методов исследований — изучение оптической анизотропии с помощью поляризованного

света.

Среди многочисленных признаков и качеств, главным образом скалярных, которыми характеризуется свет (длина волны, интенсивность и др.), имеется и векторная характеристика — поляризация света, несущая информа­ цию об анизотропии самой световой волны.

Уже поэтому ясно, что поляризованный свет предста­ вляет собой удобный инструмент для изучения анизотро­ пии. Исследование поляризации света — целая область оптики, тесно связанная с вопросами строения вещества — атомов, молекул, кристаллов, жидкостей, биологических

3

Глава I

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Природа света

Свет — это электромагнитные волны. Данное нами опре­ деление вызывает сразу два вопроса: что такое вообще волны и что такое электромагнитные волны?

Понятие «волна» привычно каждому. Волны на по­ верхности жидкости, волну, бегущую по упругому натя­ нутому шнуру, видел каждый. Всем известны звуковые волны в воздухе, волны сжатия в упругом стержне или в земной коре и многие другие.

С волной всегда связано некоторое перемещение в про­ странстве. Первый вопрос — перемещение чего? Обычно при движении в пространстве перемещается вещество — отдельные тела, молекулы, элементарные частицы. Вол­ на — иное дело. Это перемещение в пространстве не са­ мого вещества, а его состояния. Вдоль направления рас­ пространения волны перемещаются не сами частицы вещества, а их отклонения от равновесия, т. е. некоторые их состояния. В этом и состоит главная особенность любой волны.

Волны, в которых направление колебаний перпенди­ кулярно направлению волны, например волны на поверх­ ности жидкости, называются поперечными. Иной харак­ тер имеют звуковые волны в органной трубе. Вдоль трубы распространяется волна сжатия и разрежения воздуха, причем частицы воздуха колеблются в том же направле­ нии, в каком распространяется волна. Такие волны назы­ ваются продольными. Понятия о поперечных и продоль­ ных волнах нам пригодятся в дальнейшем.

Волны в жидкости или в воздухе привычны. А что такое электромагнитные волны?

Вспомним сначала, что такое электромагнитное поле. Это —особая физическая сущность или состояние про­ странства, окружающего электрические заряды. Когда заряды неподвижны, есть только электрическое поле,

5

магнитного нет. Но как только заряды начинают двигать­ ся (т. е. появляется электрический ток), так в окружаю­ щем пространстве возникает магнитное поле, а электри­ ческое поле изменяется, поскольку оно определяется пространственным распределением зарядов, изменяющим­ ся при их движении. Это обстоятельство позволяет при феноменологическом описании полей обходиться без по­ нятия зарядов, считая причиной возникновения магнитно­ го поля изменение электрического поля. Такое утвержде­ ние следует из известных эмпирических законов Кулона

иБио — Савара — Лапласа.

Сдругой стороны, из закона электромагнитной индук­ ции Фарадея следует, что пзменение магнитного поля влечет за собой появление электрического. Эти свойства

ипозволяют ввести единое понятие электромагнитного поля. Главные количественные характеристики электро­ магнитного поля — вектор напряженности электрического поля и вектор индукции магнитного поля.

Формулировка основных физических понятий электро­ магнитного поля принадлежит Фарадею. Строгую мате­ матическую теорию электромагнитного поля создал Макс­ велл. Суть этой теории наиболее полно п в то же время наиболее сжато можно выразить с помощью математиче­ ского аппарата векторного анализа, более громоздко — с помощью уравнений в частных производных. Суть физи­ ческих разультатов теории Максвелла сводится к следую­ щему.

Электромагнитная волна представляет собой периоди­ ческое изменение в пространстве и времени электрическо­ го и магнитного полей, распространяющееся во все сто­ роны из той области пространства, где происходят элек­ тромагнитные колебания, или же изменения полей в дан­ ной точке с течением времени. Распространяясь в прост­

ранстве, волна несет поток электромагнитной энергии, тем больший, чем больше величины, характеризующие поля.

Бегущая в пространстве электромагнитная волна опи­ сывается взаимно перпендикулярными векторами напря­ женности электрического поля Е и индукции магнит­ ного поля В, изменяющимися синхронно (т. е. в одинако­ вой фазе) и перпендикулярными направлению распрост­ ранения волны (рис. 1). Отметим здесь два важных обсто­ ятельства: 1) электромагнитные волны — поперечные; 2) пространственная связь векторов Е и В однозначна —

6

положение одного вектора полностью определяет положе­ ние другого, так как векторы ѵ, Е, В образуют правую тройку (т. е. соответствуют расположенным взаимно пер­ пендикулярно большому, указательному и среднему паль­ цам правой руки).

Чрезвычайно важным было решение вопроса о скоро­ сти электромагнитных волн, следующее из теории Макс­ велла. Но чтобы лучше понять и почувствовать значение этого результата, нам придется немного поговорить о предмете, на первый взгляд весьма далеком от пашей

6 £

Рио. 1. Бегущая электромагнитная полпа

темы,— о системах единиц, применяемых в теории элек­ тричества.

Дело в том, что применяемая в механике система CGS в теории электричества «раздвоилась» на две системы — GGSE и CGSM. Произошло это не случайно. Причина кроется в наличии двух типов взаимодействия — электри­ ческого и магнитного (или статического и динамического). Иными словами — взаимодействия зарядов и взаимодей­ ствия токов. Единицы электрических зарядов можно ввести двумя способами. Первый — назвать единицами зарядов такие заряды, которые на расстоянии в 1 санти­

заряда будет такой заряд, который, протекая по проводни­ ку за 1 секунду, создает единичный ток. Таким образом вводится электромагнитная единица заряда.

Итак, отталкиваясь от одной и той же системы единиц, мы получили две разные единицы электрического заряда.

7

Электромагнитная единица заряда çCgsm оказалась во много раз больше электростатической единицы çCgse-

скоростью света. Последняя была известна из астрономи­ ческих опытов, проводившихся еще в XVII в., а также из известных опытов Физо (1849).

Со временем были придуманы более точные способы измерений скорости света. Из-за огромной величины из­ меряемой скорости первые варианты методов измерения (в том числе п метод Физо) требовали огромной базы *, порядка многих километров, что, естественно, приводило к значительным ошибкам в окончательных результатах. Чем более быстродействующими становились оптические затворы, необходимые для отсчета начала и конца време­ ни измерения, тем короче могла быть используемая база. Современные затворы дают возможность прерывать све­ товой поток миллиарды раз в секунду, что позволяет пользо­ ваться базой всего в несколько метров. Точность измере­ ний при этом достаточно высока. И чем точнее измеряли экспериментаторы скорость света, тем точнее она совпа­ дала с переводным коэффициентом с между электроста­ тическими и электромагнитными единицами.

Это невероятное совпадение было необъяснимой физи­ ческой загадкой.

Легко понять поэтому, какое важпое значение имело следствие теории Максвелла, утверждающее, что скорость электромагнитных воли в пустоте равна коэффициенту с.

Отсюда мог следовать только один несомненный вывод: свет — это электромагнитные волны.

Этот вывод был грандиозным результатом теории Максвелла, и впечатление, которое он произвел на всех физиков, было очень сильным: в истории науки мало ана-

1База — это расстояние, на котором измеряется скорость прохож­ дения света.

8

логичных (примеров. И дело было не только в коэффици­ енте с. Главное заключалось в понимании самой природы света, зашедшем, казалось, в глухой тупик, выход из ко­ торого был блистательно открыт теорией Максвелла.

Вторая половина XIX в. была временем бурного рас­ цвета науки о свете — физической оптики. Именно тогда закладывались основы учения о взаимодействии света с веществом, появились спектроскопия и другие области оптики, приведшие к открытию новой эры в науке — к созданию квантовой механики. С другой стороны, оптичес­ кие эксперименты (в частности, знаменитый опыт Майкельсона) сыграли огромную роль в рождении теории от­ носительности. В то время Брэгг с полным правом мог написать свою знаменитую фразу: «В слове «свет» заклю­ чена вся физика и тем самым все науки». В те годы очень важным был вопрос о природе света.

Вчем же состояли трудности этой проблемы? Чтобы ясно их понять, надо оглянуться на историю.

Впротивовес великому Ньютону, считавшему свет

потоком упругих частиц, знаменитый голландский физик Гюйгенс в конце XVII в. первым высказал гипотезу о волновой природе света. С помощью этой гипотезы он смог не только объяснить ряд известных оптических явле­ ний (например, закон отражения света), истолкование которых не встречало затруднений и у сторонников кор­ пускулярной теории, но также рассмотреть и интерпретиро­ вать новые классы явлений (например, двойное прелом­ ление света в кристаллах). Однако в то время перевесил авторитет Ньютона и победа осталась за ним (именно не столько за корпускулярной теорией света, сколько за самим Ньютоном). Прошли годы, и в начале XIX в. вол­ новая теория трудами Юнга, Френеля и других физиков одержала, казалось, решительную победу, объяснив та­ кие явления, прежде всего интерференционные и дифрак­ ционные, перед которыми корпускулярная теория была бессильна.

О каких же волнах шла речь в этой теории? Какой подразумевалась их природа?

Из всех известных в то время волн подходящими были только упругие волны. Опыт показывал, что свет может распространяться в любых прозрачных средах — твердых, жидких и газообразных, и даже в вакууме. Возникал во­ прос, как же упругие световые волны могут распростра-

9