С. Транковский
Цветной мир прозрачных вещей

Нас окружает разноцветный мир. Прозрачные пластмассы и многие стёкла на самом деле переливаются всеми цветами радуги. Эта игра красок невооруженному глазу недоступна: она возникает в поляризованном свете. Однако увидеть её позволит несложное самодельное приспособление — полярископ.

Поляризованный свет

Свет, излучённый Солнцем или обыкновенной электрической лампой, состоит из электромагнитных волн, совершающих колебания во всех возможных направлениях вокруг светового луча. Из этих неупорядоченных колебаний можно „вырезать“ волну с одним-единственным направлением колебаний в одной плоскости. Такой свет называется плоскополяризованным.

Поляризация происходит при прохождении света сквозь некоторые кристаллы (турмалин, исландский шпат) и тонкие плёнки из синтетических материалов. Свет, прошедший через такой поляризатор, на взгляд ничем не отличается от обычного. Но если на пути поляризованного луча поместить второй кристалл или кусок плёнки — анализатор, — станут видны его особые свойства.

При повороте анализатора вокруг оси, совпадающей с направлением луча, проходящий свет периодически пропадает. Это происходит в тот момент, когда поляризаторы „скрещены“ — пропускают колебания во взаимно перпендикулярных направлениях. Если же между скрещёнными поляроидами поместить несколько листочков целлофана или полоску прозрачной пластмассы, станут видны разноцветные полосы, покрывающие всю поверхность.

Самодельные поляризаторы

Распространённый поляризатор — призма Николя
Распространённый поляризатор — призма Николя — склеен из двух кусков исландского шпата так, что необыкновенный луч отражается от склейки и уходит. Так же работает и укороченная призма с воздушной прослойкой. Оба прибора пропускают только один — обыкновенный — плоскополяризованный луч.
В научных лабораториях в качестве поляризационных приспособлений обычно используют призмы, склеенные из стекла и исландского шпата. Такую призму называют николем, её предложил в 1820 году английский физик Уильям Николь. Реже применяются поляризаторы из синтетической плёнки. Но самому можно изготовить гораздо более простое устройство.

В начале XIX века французский военный инженер Этьен Малюс обнаружил, что свет, отражённый от поверхности воды или стекла, поляризуется так же, как при прохождении сквозь исландский шпат. В 1815 году шотландский физик Дэвид Брюстер открыл замечательный закон, названный его именем: свет полностью поляризуется, если падает на поверхность вещества под углом, тангенс которого равен показателю преломления вещества. При этом преломлённый луч пойдёт перпендикулярно отражённому и будет максимально (но не полностью!) поляризован. Если же свет пропустить через стопку стеклянных пластин, степень поляризации будет возрастать пропорционально числу поверхностей. И на практике бывает достаточно семи — восьми пластинок, чтобы получить полностью поляризованный свет. Важно, что поляризация происходит только при отражении от диэлектрика, изолятора. Отражение от металла (например, покрывающего зеркала) происходит по другим законам и света не поляризует.

Поляризационный прибор начала ХIX века
Поляризационный прибор начала ХIX века. Луч света, приходящий слева, падает на лист стекла А под углом поляризации, отражается от зеркала Б на предметный столик В. Исследуемый объект рассматривали через анализотор Г. Предметный столик можно поворачивать и наклонять, измеряя углы поляризации образцов. Несколько конструкций анализатора показаны справа. Сверху вниз: „чёрное“ зеркало, стеклянная стопа, призма Николя и призма с воздушной прослойкой.
Посмотрим, под каким углом должен падать луч на поверхность стекла, чтобы полностью поляризоваться при отражении. Коэффициент преломления стекла n = 1,5 — 1,7. Легко подсчитать, что если tgj = 1,6, то угол поляризации j = 57°. Для воды (n = 1,3) j = 53°. Этот угол отсчитывается от перпендикуляра к поверхности.

Первые поляризационные приспособления использовали именно свойства отражённого света. Их простота позволяет самим сделать поляризаторы двух типов, работающие не хуже лабораторных.


Поляризационные приспособления с „чёрными“ зеркалами. Стойку с анализатором можно поворачивать вокруг вертикальной оси относительно поляризатора.
Для изготовления первой модели понадобятся два небольших прямоугольных листа стекла. Их покрывают с одной стороны ровным слоем чёрной краски и закрепляют так, чтобы свет на них падал под углом поляризации.

Для этого из тонкой фанеры, пластмассы или плотного картона собирают две коробчатые стойки, вклеив в них стёкла под углом 33° к горизонтальной плоскости. В крышке одной стойки (поляризатора) вырезают окно и закрывают его куском стекла — оно послужит предметным столиком. Другую стойку (анализатор) помещают сверху и рассматривают отражение объекта, лежащего на столике.

Поляризатор со стеклянной стопой
Поляризатор со стеклянной стопой. Трубку квадратного или прямоугольного сечения делают из плотного картона и покрывают изнутри чёрной краской.
Для поляризаторов второй модели понадобится уже по 7–8 стеклянных пластинок, и требования к их качеству будут более высокими. Стекло должно быть прозрачным, а поверхность — гладкой. Чем тоньше пластинки, тем легче будет прибор. Идеальным материалом были бы квадратные покровные стёкла, применяемые в микроскопии для защиты препаратов. Их толщина около 0,15 мм, размер — от сантиметра до пяти. Подходят и предметные стёкла толщиной около 1 мм. Купить их можно в магазинах медицинской и лабораторной техники. Не хуже и стёкла, вырезанные из старых фотопластинок. Но этот материал, похоже, сегодня ещё менее доступен, поэтому придётся, скорее всего, довольствоваться простым оконным стеклом. Из него вырезают полоски произвольного размера с соотношением сторон 2 : 1 (тогда окно поляризатора будет квадратным) или больше. Стопку стёкол закрепляют в трубке квадратного сечения под углом 33° к лучу зрения. Пара таких приборов образует поляризатор с анализатором.

Посмотрим, что можно увидеть с помощью сделанной аппаратуры.

Искусственная анизотропия


Так происходит поляризация света при отражении. Если свет падает на поверхность вещества, имеющего показатель преломления n под таким углом f, что tgf = n, отражённый луч будет полностью поляризован. Преломлённый луч пойдёт перпендикулярно отражённому и будет поляризован примерно на 8%. Угол f = arcthn называется углом поляризации или углом Брюстера.
В однородном веществе свет распространяется по всем направлениям с одной скоростью. Постоянны и другие физические свойства — твёрдость, упругость, теплопроводность. Такие вещества называются изотропными. Если же к пластине такого материала приложить внешнее воздействие — сжать её или изогнуть, — в нём возникнут деформации и появятся выделенные направления. Свойства вещества вдоль этих направлений и поперёк них станут неодинаковыми, возникнет анизотропия. Световой луч в таком веществе расщепится на два, и двигаться они станут с разными скоростями. Более того: они будут поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях и взаимодействовать не будут.


Луч света в кристалле исландского шпата расщепляется на два — обыкновенный и необыкновенный (он преломляется даже при перпендикулярном падении на грань кристалла!). Свет в обоих лучах поляризован во взаимно перпендикулярных плоскостях.
И для обычного, и для поляризованного света ничего не изменится: суммарная интенсивность двух лучей останется прежней. Но анализатор, стоящий после пластины, „вырежет“ из них две волны, колеблющиеся в одной плоскости. А поскольку их породил один исходный луч, волны станут интерферировать. Малейшие изменения толщины пластинки и величины деформации в ней приводят к возникновению разности хода волн. Появится разноцветная картина, подобная той, что бывает на поверхности воды с плёнкой масла или бензина. Её можно наблюдать при помощи сделанных приборов.



Кусочки целлофана между скрещёнными поляроидами превращаются в ярко раскрашенный витраж (1). Его цвета меняются на дополнительные, если один из поляроидов развернуть на 90° (2). Эти любопытные картины можно наблюдать в самодельный полярископ.
Сильной анизотропией обладает целлофан. Этот упаковочный материал делают из вискозы, продукта переработки древесины. При изготовлении целлофановая плёнка сильно растягивается, выстраивая цепочками длинные органические молекулы.

Кусочки целлофана с пачки сигарет складывают вместе, ориентируя их в разных направлениях, и помещают между поляроидами. Прозрачная плёнка окрасится в изумительные по чистоте и яркости цвета. При повороте одного из поляризаторов цвета будут меняться на дополнительные: красный сделается зелёным, синий — жёлтым и наоборот.

В поляризованном свете становятся видны напряжения в линейках, коробках и корпусах шариковых ручек из прозрачной пластмассы.

В поляризованном свете окружающий нас мир выглядит совершенно по другому. Чертёжная линейка из прозрачной пластмассы оказывается разрисованной фантастическими цветными полосами.
В куске стекла, сжатом пассатижами, появятся цветные полосы, которые исчезают после снятия нагрузки. А в закалённом стекле, которое стоит в окнах автомобилей и вагонов, эти напряжения сохраняются и бывают заметны в виде многочисленных радужных пятен.

Поляризационные методы позволяют увидеть, как будет вести себя деталь при работе. Из органического стекла вырезают плоскую модель спроектированной детали и подвергают нагрузке, аналогичной реальной. Цветные полосы будут тем тоньше и расположатся тем гуще, чем выше концентрация напряжений; они укажут на области, с которых начнётся разрушение детали.

Природная поляризация

Свет Солнца или обыкновенной лампы неполяризован. Однако на пути к наблюдателю его свойства могут меняться.

Солнечный свет сильно поляризуется, рассеиваясь на молекулах воздуха, причём в разных направлениях относительно Солнца по-разному. Обнаружить это можно при помощи стеклянной стопы или „чёрного“ зеркала, посмотрев, как меняется яркость небесной сферы в области зенита в зависимости от азимута наблюдения.

Если „зеркало“ держать на высоте около 20 см над уровнем глаз, свет от зенита станет отражаться в нём под углом поляризации. Ещё удобнее рассматривать небо сквозь стеклянную стопу. Поворачиваясь вокруг вертикальной оси, можно заметить, что отражение яркое, когда Солнце спереди или за спиной, и тёмное, когда оно справа или слева. Этот же результат получится, если рассматривать в „зеркало“ отражение неба вблизи горизонта. Очевидно, что рассеянный солнечный свет сильно поляризован в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце. А колебания электромагнитной волны направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через Солнце, наблюдаемую точку и глаз.

Отчётливо видны тёмные области и на отражении от гладкой поверхности воды (смотреть на неё нужно под углом чуть больше 50°). Когда Солнце стоит низко, вода на севере и на юге кажется заметно темнее, чем на востоке и на западе. А прозрачные облака на отражении видны гораздо отчётливее: их свет не поляризован и ослабляется меньше.

При помощи поляризатора можно увидеть и ещё одно любопытное небесное явление — так называемую „щётку Гайдингера“. Её наблюдение требует терпения и некоторой практики.


Мало кто знает, что поляризованный свет бывает виден и простым глазом. Однако на фоне голубого неба порой удаётся разглядеть продолговатое пятно желтоватого цвета с голубыми пятнами по бокам, которое в 8 раз больше полной Луны. Это — так называемая „щётка Гайдингера“, узор, обусловленный способностью сетчатки глаза по-разному видеть синий и жёлтый поляризованный свет неба. Учиться наблюдать эту „щётку“ следует вначале при помощи поляризатора, направив его на большое белое облако.
Если несколько минут рассматривать отражение голубого неба в „зеркале“, покажется, что ровный фон покрывается как бы сеткой. Вскоре на её месте возникнет желтоватое пятно, напоминающее платяную щётку, с синими пятнами по бокам. Она будет видна также, если поглядеть сквозь стеклянную стопу, медленно вращая её, на белое облако („щётка“ при этом тоже будет поворачиваться). Размеры её весьма значительны — 4°, в 8 раз больше диаметра полной Луны, но яркость и контрастность очень малы. Дуга, продолженная через жёлтую „щётку“, обычно проходит через Солнце. Однако в узкой области возле него удаётся наблюдать „щётку“, направленную под прямым углом к этому направлению. Для этого нужно отвернуться от Солнца и смотреть на отражение в стекле, заслонив яркий солнечный зайчик.

При определённом навыке и после долгих тренировок многим удаётся видеть „щётку“ и без поляризатора, невооружённым глазом. Лев Толстой в повести „Юность“, например, упомянул „…чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает…“.

До сих пор не вполне понятно, каким образом глаз видит поляризованный свет. Герман Гельмгольц, немецкий физик и естествоиспытатель, много занимавшийся физиологией зрения, считал, что причина кроется в структуре сетчатки. Светочувствительные клетки глаза обладают анизотропией и поглощают синие лучи сильнее, чем жёлтые. Однако это не объясняет, почему некоторые видят „щётку“ в виде синей полосы с жёлтыми пятнами по бокам. Возможно, это связано с различиями в индивидуальной структуре сетчатки. Но всё равно остаётся непонятным, почему, когда глаз устаёт, непрерывным кажется то жёлтое, то синее пятно.

Наука и жизнь

Статьи близкой тематики:
Луч света в мыльном царстве.  Л. Намер.
Вернисаж инфракрасных портретов.  Г. Иваницкий.

2007 Copyright © AstroSearch.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования