Оптика отраженного света » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Оптика отраженного света

18.04.2021

Свет представляет собой форму электромагнитного излучения, которое может испускаться материей, находящейся в соответствующем возбужденном состоянии (например, вольфрамовая нить лампы микроскопа испускает свет в результате возбуждения проходящим электрическим током). Одним из очень интересных результатов развития физики в начале XX в. был вывод о том, что свет и другие формы электромагнитного излучения могут быть описаны и как волны, и как поток частиц (фотонов). Это не противоречило теории, а давало синтетический подход к описанию света; при различных обстоятельствах лишь один способ может быть пригодным. Для большинства аспектов оптики микроскопа «классический» волновой метод описания света оказывается наиболее подходящим. Однако в конкретном случае, когда разбираются взаимоотношения между процессом отражения, с одной стороны, и структурой и составом вещества — с другой, удобно рассматривать свет в виде фотонов.

Электромагнитное колебание, воспринимаемое человеческим глазом, представляет в действительности лишь очень небольшую часть полного электромагнитного спектра, который можно рассматривать как непрерывный ряд от очень низких энергий (и длинных волн), характерных для радиоволн, до очень высоких энергий (и коротких волн) гамма-излучения и космических лучей. Как видно из рис. 4.1, хорошо известные области инфракрасных лучей, видимого света, ультрафиолета и рентгеновских лучей лежат между этими экстремальными значениями энергии и длины волны. Точки в этом электромагнитном спектре могут быть охарактеризованы с помощью различных единиц энергии и длины волны. Наиболее обычной единицей энергии, применяемой физиками, является электрон-вольт (эВ), в то время как длины волн могут быть выражены в ангстремах (1A = 10в-8 см) или нанометрах (1 нм = 10в-7 см = 10А). В физической и химической литературе встречается и другая единица — волновое число, или обратный сантиметр (см-1), — которая в отличие от обычных волновых единиц изменяется линейно в зависимости от энергии. Нанометры чаще всего применяются в минералогической литературе, и ими мы будем пользоваться в настоящей книге. На рис. 4.1 показаны соотношения между этими единицами для различных участков спектра. Рассмотрим детальнее область видимого света, которая лежит примерно между 390 и 770 нм; отдельные участки этой области воспринимаются глазом в виде различных цветов. Исаак Ньютон выделил семь видов первичного цвета («цвета радуги»); соответствующие им интервалы длин волн показаны на рис. 4.1. Белый свет от солнца или искусственного светового источника представляет собой сочетание вышеуказанных интервалов длин волн. Свет очень ограниченного интервала, такой, как характерный желтый цвет от лампы с парами натрия, состоящий в основном из волн длиной 589,0 и 589,6 нм, называется монохроматическим.
Оптика отраженного света

При дальнейшем описании света его распространение можно представить в виде волнового движения, при котором колебания перпендикулярны к направлению перемещения энергии. Волна, возникающая при этом типе движения (простая гармоника), показана на рис. 4.2,а; она имеет форму синусоидальной кривой. Для такой волны

где с — скорость волны, v — частота волны, λ — длина волны. Как показано на рис. 4.2, а, направления колебаний светового луча в пределах любой плоскости, перпендикулярной его пути, могут быть представлены полуокружностью с радиусом, равным колебанию волны в пределах данной плоскости; исключение составляют те места, которые соответствуют точкам а, b или с, где колебание равно нулю. Укажем также, что единичная волна такого типа имеет спиралевидный характер движения; это можно убедительно объяснить, если рассмотреть поведение одной точки волны, которая, распространяясь от а к b, изменяет свое направление колебания в соответствии с круговым сечением, нормальным к линии abc. В п. а данная точка может рассматриваться как расположенная в п. 1 кругового сечения на рис. 4.2; п. λ соответствует п. 2, п. Y — п. 4 и т. д. Положение этой точки на волне называется ее фазой. Наконец, амплитуда волны есть максимальное смещение в процессе колебания (т. е. радиус полуокружного сечения в п. Y на рис. 4.2).

Колебание световой волны, показанное на рис. 4.2, а, можно ограничить одной плоскостью, в данном случае говорят о плоскополяризованной волне, хотя более правильный термин «линейно поляризованная волна» во избежание путаницы следует предпочесть при рассмотрении поляризованного света, и именно он будет применяться в дальнейшем. Плоскость поляризации данного поляризованного света есть такая плоскость, которая параллельна пути луча и направлению колебания.

Взаимодействие света с прозрачной средой. Скорость световой волны с или какой-либо иной электромагнитной волны постоянна в вакууме (299 793 км/с), но изменяется, если волна входит в другую прозрачную среду. Изменение, выраженное понятием показателя преломления данной среды, характеризуется формулой

где n — показатель преломления среды, с и cm — скорости света в вакууме и среде. Так как cm всегда меньше с, то п всегда больше 1,0; для воздуха n = 1,0003 (~1). Поскольку показатель преломления представляет собой отношение двух скоростей, он выражается безразмерным числом.

Te вещества, через которые монохроматический свет проходит с одинаковой скоростью независимо от направления светового колебания относительно среды, называются оптически изотропными. Вакуум, все газы, большинство жидкостей, стекла и кубические (изометрические) кристаллические вещества относятся к изотропным; другие вещества (главным образом неизометрические кристаллы) оптически анизотропны, и лучи света могут проходить сквозь них с различными скоростями в зависимости от направления светового колебания в данной среде. Оптическая индикатриса показывает, как изменяется показатель преломления прозрачного вещества в зависимости от направления колебания (монохроматической) световой волны в этой среде. Представим себе бесконечное число векторов, радиально расходящихся во все стороны от одной точки внутри вещества; предположим, что каждый вектор имеет длину, пропорциональную показателю преломления света, который колеблется параллельно данному вектору. Тогда индикатрисой будет поверхность, стягивающая концы этих векторов. Таким образом, у изотропного вещества индикатриса представляет собой сферу радиуса n (рис. 4.3,a). Однако необходимо отметить, что величина n все же изменяется как функция длины световой волны. У анизотропных кристаллов показатель преломления варьирует в зависимости от направления в кристалле даже в случае монохроматического света, поэтому индикатриса уже не сфера, а эллипсоид.

Оптическая индикатриса кристаллических веществ гексагональной (этот термин включает здесь и тригональную систему) и тетрагональной сингоний такова, что у нее одно поперечное сечение эллипсоида является круговым, а все остальные — эллиптическими. Индикатриса называется одноосной, и направление, нормальное к этому единственному круговому сечению, соответствует оптической оси, которая параллельна оси с кристалла. Величина показателя преломления в данном круговом сечении эллипсоида (это направление обыкновенного колебания, часто обозначаемого символами со или о) может иметь или максимальное, или минимальное значение, так что индикатриса бывает вытянутой или уплощенной, как показано на рис. 4.3, б, в. Напротив, величина показателя преломления кристалла для колебания вдоль оптической оси (кристаллографической оси с), называемого необыкновенным колебанием (часто обозначаемым е или е), должна также быть максимальной или минимальной. Вещества, у которых разность (е—о) положительна (вытянутая индикатриса), называются одноосными положительными; при отрицательной разности (е—о) (уплощенная индикатриса) вещества по их оптическому знаку относятся к одноосным отрицательным.

Оптическая индикатриса кристаллических веществ ромбической, моноклинной или триклинной сингоний хотя и эллипсоидальна (геометрически называется «главным эллипсоидом»), тем не менее имеет два круговых сечения, а все остальные эллиптические. Снова два единичных направления, нормальные к этим круговым сечениям, являются оптическими осями, поэтому индикатриса называется двуосной (рис. 4.3, д). Двуосный кристалл имеет три главных показателя преломления, обычно обозначаемых символами а, р, у, из которых а и у соответственно наименьший и наибольший. Векторные направления, соответствующие показателям преломления а и у. называются главными осями индикатрисы и имеют символы X и Z, как показано на рис. 4.3, г. Это всегда ортогонально расположенные оси соответственно максимальной и минимальной длины; главная ось Y, совпадающая с векторным направлением показателя преломления р, также всегда перпендикулярна осям X и Z. Однако поскольку величина р является средней между а и у, то должен быть эквивалентный вектор в секторе между осями Z и X, как это видно на рис. 4.3, г. В действительности между этими двумя осями должна быть целая серия векторов, имеющих длину р и образующих круговое сечение индикатрисы. Анализ фигуры показывает, что существуют два таких круговых сечения, пересекающиеся вдоль оси Y (см. рис. 4.3, д); как и в одноосной индикатрисе, нормали к этим круговым сечениям служат оптическими осями (отсюда двуосность), которые должны всегда лежать в плоскости XZ (плоскость оптических осей). Угол между плоскостями этих круговых сечений, а следовательно, и между оптическими осями изменяется в зависимости от относительных значений а, р и у. Условились острый угол между оптическими осями называть углом оптических осей (или 2V). Когда Z (у) представляет собой острую биссектрису, то кристалл считается двуосным положительным по оптическому знаку; если же роль такой биссектрисы играет X(а), то кристалл называется двуосным отрицательным. В особом случае, когда 2V=90°, кристалл не имеет оптического знака.

Хотя в одноосных кристаллах оптическая ось всегда совпадает с направлением кристаллографической оси с, в двуосных кристаллах соотношения между ориентировкой индикатрисы и кристаллографических осей не столь однозначны. В ромбических кристаллах все оси индикатрисы X, Y и Z (главные направления колебаний) совпадают с кристаллографическими осями а, b и с, однако, хотя и возможны соотношения а = Х, b = Y, c = Z (см. рис. 4.3, е), любая другая комбинация из пяти (а = Y, a = Z и т. д.) также правомочна. В моноклинных кристаллах главная ось X, Y или Z совпадает с единственной осью второго порядка, обычно выделяемой как ось b. Две другие главные оси лежат в плоскости, перпендикулярной этой оси второго порядка (см. рис. 4.3,ж). Наконец, в триклинном кристалле ни одна из осей X, Y или Z не совпадает с кристаллографическими осями, и совпадения могут быть только случайными.

Важно отметить, что когда значение 2V у двуосного отрицательного кристалла приближается к нулю, он приобретает индикатрису, близкую к одноосной отрицательной; сходным образом двуосный положительный кристалл приближается к одноосному положительному, когда 2V стремится к нулю. Когда же сближаются значения е и о, одноосный анизотропный кристалл приближается к изотропному. У анизотропных веществ разность между двумя экстремальными показателями преломления (е—о у одноосных, у—а у двуосных) для частной длины волны называется двупреломлением.

Взаимодействие света с непрозрачной средой. Показатель преломления непрозрачного вещества представляет собой комплексное число, определяемое следующим образом:

где N — комплексный показатель преломления, п — показатель преломления (или отношение скоростей света в двух соприкасающихся средах), k — коэффициент абсорбции и i — комплексное сопряжение. Так же как и в случае с прозрачными кристаллическими веществами, взаимодействие света с непрозрачными кристаллическими телами зависит от физического состояния вещества. Под рудным микроскопом плоско полированная поверхность подвергается воздействию нормально падающего света, определенный процент которого возвращается обратно в виде зеркально отраженной компоненты. Такое зеркальное отражение обычно оценивается в процентах от всего падающего света и при условии нормального падения светового луча связано с оптическими константами n и k формулой Френеля:

где n — показатель преломления вещества, N — показатель преломления среды (обычно воздуха или иммерсионного масла), k — коэффициент абсорбции вещества и R — отражение (когда R=1, отражение соответствует 100%). В условиях воздушной среды, для которой N~1, формула Френеля приобретает вид:

Из уравнения (4.5) видно, что, когда среда имеет показатель преломления выше 1 (например, у воды N=1,33, показатель преломления масла N=1,515), отражение уменьшается по сравнению с его величиной в воздухе.

Если непрозрачное вещество растереть в тонкий порошок, то природа его отражающих свойств изменится, так как некоторое количество света имеет возможность пройти сквозь частицу, прежде чем отразиться. Такое диффузное отражение аналогично эффекту черты минерала и соответствует цвету, который минерал обнаруживает, когда свет проходит сквозь него (например, в прозрачных и прозрачно-полированных шлифах некоторых минералов).

Физическая природа процесса отражения и значение вариаций n и k в веществах различного состава рассматриваются далее. В заключение же данной главы обратимся к классической трактовке оптических явлений, необходимой для понимания поведения плоско полированных поверхностей непрозрачных веществ при изучении их под рудным микроскопом.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: