ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Электрические и оптические свойства среды из "Оптика. Т.2 " Состояние поляризации может быть определено появлением некоторого дипольного момента в каждом элементе объема среды. Момент единицы объема характеризуется вектором Р, называемым поляризованностью. [c.4] Процесс поляризации (индукция дипольного момента) осуществляется и в каждой отдельной молекуле. Под действием внешнего поля в молекуле возникает дипольный момент р, который пропорционален напряженности поля Е р = аЕ, где а—поляризуемость, характеризующая свойства молекулы и непосредственно связанная с размером ее электронного облака. Поляризуемость определяет смещение электронной оболочки молекулы под действием электрического поля, т. е. объем, который может занять эта оболочка, поэтому поляризуемость имеет размерность объема (см ). [c.4] Выражение (16.3) имеет, однако, ограниченную область применения. Дело в том, что нельзя считать поле, действующее на отдельную молекулу диэлектрика, равным среднему нолю Е. Диэлектрик можно считать непрерывной средой только при макроскопическом рассмотрении. Каждая молекула в диэлектрике находится п]зежде всего под действием поля, создаваемого окружающими ее молекулами. Это поле зависит от внешнего наложенного поля, под действием которого молекулы поляризуются и в свою очередь воздействуют на окружающие молекулы. Электрическое поле, действующее на отдельную молекулу, складывается из среднего макроскопического поля Е зарядов на обкладках конденсатора II зарядов па границах диэлектрика, а также поля, обусловленного действием ближайших окружающих молекул. [c.5] Формула (16.6), связывающая диэлектрическую проницаемость е с величинами N и а, носит название формулы Клаузиуса — Моссотти. Если е близка к единице (например, разреженный газ), то можно заменить е + 2 в знаменателе левой части (16.6) на 3 и мы получим выражение (16.3). [c.6] Величина Р есть молекулярная поляризация, которая не зависит от плотности вещества и числа молекул в единице объема (число Ад), а зависит только от поляризуемости а молекул вещества. [c.6] Изложенная теория электрической поляризации относится к молекулам, обладающим центром симметрии. В таких молекулах в центре симметрии находятся центры масс всех положительных и всех отрицательных зарядов. Следовательно, в отсутствие электрического поля эти молекулы не имеют дипольного момента (неполярные молекулы). Поляризация таких молекул осуществляется в результате смещения электронов электрическим полем, т. е. происходит индукция дипольного момента. [c.6] Однако существуют молекулы, у которых центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают, а находятся на некотором расстоянии друг от друга даже в отсутствие внешнего электрического поля. Такие молекулы называются полярными, или дипольными. [c.7] Электрическая поляризация вещества, состоящего из полярных молекул, отличается от электрической поляризации вещества, состоящего из неполярных молекул. Молекулы, имеющие постоянные дипольные моменты, поляризуются полем не только вследствие индукции, т. е. появления наведенного дипольного момента, определяемого поляризуемостью, но и вследствие ориентации молекул полем. При отсутствии поля молекулы в результате теплового движения расположены хаотично (рис. 16.2, а) и поэтому векторная сумма всех моментов диполей в среднем близка к нулю. При наложении внешнего электрического поля на каждый диполь действуют силы, стремящиеся ориентировать его параллельно электрическому полю (рис. 16.2,6). В этом случае сумма всех дипольных моментов молекул уже не равна нулю и диэлектрик приобретает электрический момент. Такой тип поляризации называют ориентационной, или дипольной, поляризацией. [c.7] Поведение полярных молекул в поле световой волны не отличается от поведения неполярных молекул. Поскольку напряженность электрического поля световой волны меняется очень быстро (в видимой области с частотой порядка (4- -8) 10 Гц), а частоты вращательных движений молекул (вызванных тепловым движением) имеют порядок 10 —10 Гц, то за время светового колебания молекула не успевает повернуться, т. е. диполь не успевает сориентироваться в поле световой волны. Поэтому выражение молекулярной рефракции полярных молекул остается таким же (см. формулу (16.12)), что и для неполярных веществ. [c.8] В быстропеременном поле световой волны тяжелые ядра не успевают сместиться за время колебаний световой волны. Поэтому, так же как и ориентационная, атомная поляризация не входит в молекулярную рефракцию для видимого света, т. е. R = Re, н молекулярная рефракция полностью определяется электронной поляризацией. [c.9] Молекулярная рефракция представляет собой весьма важную молекулярную постоянную, так как характеризует поляризуемость всех электронов молекулы. Она обладает свойством аддитивности, т. е. молекулярные рефракции (средние поляризуемости) могут быть во многих случаях представлены как суммы рефракций (средних поляризуемостей) отдельных частей молекулы, в качестве которых можно рассматривать связи, атомы или ионы. Свойство аддитивности рефракции широко применяется в исследовании химической природы молекул и для аналитических целей. [c.9] Модель электрического диполя широко используется в различных оптических задачах. С помощью этой модели можно удовлетворительно описать прохождение света через вещество, поглощение, испускание, рассеяние света и ряд других явлений. [c.9] Электрический диполь представляет собой систему, состоящую из двух одинаковых по величине и противоположных по знаку зарядов, находящихся иа некотором расстоянии друг от друга. Основной характеристикой диполя является дипольный момент р = ег. [c.9] Так как электромагнитное возмущение распространяется во все стороны от диполя с одинаковой скоростью с (предполагается, что диполь находится в вакууме), то время прохождения волны до всех точек, удаленных от диполя на одно и то же расстояние I, одинаково. Поэтому во всех точках сферы, центр которой совпадает с диполем, фаза колебаний одинакова, т. е. волна, излучаемая диполем, является сферической. [c.10] Поскольку на быстропеременное световое поле реагируют только электроны атомов и молекул, то их колебательные движения под действием поля можно моделировать гармоническими осцилляторами. В простейщем случае изотропной в электрическом (а следовательно, и в оптическом) отношении молекулы (т. е. под действием данного электрического поля электрон смещается на одно и то же значение по любому направлению молекулы) направление колебаний электрона в молекуле совпадает с направлением колебаний электрического вектора падающей световой волны. Направление электрического вектора Е вторичной волны определяется направлением колебаний электрона, вызывающего эту волну, т. е. Е лежит в одной плоскости с р. Так как электромагнитные волны поперечны, то вектор Е должен быть перпендикулярен к направлению распространения волны. Эти два условия, определяющие расположение вектора Е, позволяют составить представление об излучении колеблющегося электрона (см. рис. 16.3). [c.10] 2 уже рассматривались основные законы оптики — законы отражения и преломления света. Пользуясь принципом Гюйгенса, мы дали формулировку законов и определили направление распространения отраженной п преломленной волн. Однако такие важные вопросы, как интенсивность и поляризация отраженной и преломленной волн, фазовые соотношения на границе раздела двух сред и некоторые другие, остались без рассмотрения. Собственно говоря, ответ на эти вопросы нельзя дать, поскольку принцип Гюйгенса позволяет определить только направление распространения фронта волны, ничего не говоря о других характеристиках воли. [c.11] Более общий подход к изучению законов отражения и преломления электромагнитной волны может быть осуществлен на основе уравнений Максвелла (см. 2.1). Однако уравнения Максвелла были выведены для областей пространства, в которых физические свойства среды (характеризующиеся величинами е и р) непрерывны. В оптике же часто встречаются случаи, когда эти свойства резко меняются на одной или нескольких поверхностях, поэтому необходимо вводить граничные условия. Выше мы отмечали (см. 2.1), что при отсутствии поверхностных токов и свободных поверхностных зарядов на границе раздела уравнения Максвелла должны удовлетворять гранич[1ым условиям, т. е. равенству тангенциальных составляющих векторов Е и Н. Отношение нормальных составляющих обратно пропорционально соответствующим значениям е или р, т. е. г Ет = г2Е2п, р Ящ = ргГ/гп- Так как в оптике обычно Р1 = Ц2=Г то нор.мальные составляющие вектора Н равны Я]т =//2)2. [c.11] Рассмотрим распространение плоской электромагнитной волны, падающей на плоскую границу, разделяющую две однородные непроводящие изотропные среды (диэлектрики). При этом будем предполагать, что обе среды бесконечны, иначе необходимо учитывать волны, отраженные от внешних границ сред. С такими волнами приходится считаться при отражении света от ограниченных поверхностей, например пластинок. [c.12] Законы отражения и преломления. Если на границу раздела двух сред с зазными оптическими свойствами падает плоская волна, то она делится иа две волны отраженную и проходящую во вторую среду (преломленную). Таким образом, электромагнитное поле в первой среде образуется из поля падающей и отраженной волн, а во второй — из поля преломленной волны. [c.12] Вернуться к основной статье