книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

Хотя понятие поляризации имеет вполне определенный смысл, его рассматривают с одной из двух возможных точек зрения. Одна из них основана на представлении о плоской, или линейной поляризации (см. рис. 9.1), другая — на представлении об эллиптической поляризации (рис. 9.2).

Излучение с эллиптической поляризацией можно представить как состоящее из двух плоскополяризованных, или линейнополяризованных волн с одной и той же частотой, у которых пло­ скости поляризации взаимно перпендикулярны. В свою очередь, плоскополяризованное излучение можно представить как состоя­ щее из двух волн с круговой поляризацией, имеющих одинаковые частоты и вращающихся в противоположных направлениях.

Круговая поляризация является частным случаем эллипти­ ческой поляризации. Если две волны с круговой поляризацией и одинаковыми частотами вращаются в противоположных на­ правлениях, то их векторная сумма представляет собой плоскополяризованную волну, у которой угол поляризации зависит от разности фазовых углов двух составляющих волн с круговой поляризацией.

При векторном сложении двух плоскополяризованных волн с одинаковыми частотами в результате получается волна с эл­ липтической поляризацией; такую волну можно представить в форме вектора, который перемещается в пространстве, одно­ временно вращаясь и изменяя свою длину. Если одна из со­ ставляющих плоскополяризованных волн опережает другую по фазе на некоторый угол, то вектор суммарной волны будет вра­ щаться в каком-либо одном направлении, если же первая ука­ занная волна будет отставать от второй по фазе, то вектор сум­ марной волны будет вращаться в противоположном направлении. В тех случаях, когда две плоскополяризованные волны совпада­ ют по фазе или противоположны по фазе, суммарная волна с эллиптической поляризацией сводится к третьей плоскополяризованной волне.

Всякий раз, когда частица переходит из состояния с более

Рис. 9.2. Две плоскополяризоваиные волны с одной и той же час­ тотой, но с разными плоскостями поляризации, в результате век-

-торного сложения дают эллипти­ чески поляризованную волну

высоким энергетическим уровнем в состояние с более низким энергетическим уровнем, генерируется фотон, или элемент элект­ ромагнитной энергии. Частота фотона зависит от разности энер­ гий между двумя указанными состояниями частицы, его фаза — от момента времени перехода частицы между состояниями, а плоскость поляризации — от направления движения частицы в момент образования фотона. В наиболее типичной ситуации частота фотона определяется допустимыми энергетическими состояниями, а момент перехода частицы между двумя состоя­ ниями и направление ее движения определяются процессами, имеющими вполне случайный характер.

Электромагнитная волна, порождаемая процессом, характе­ ристики которого случайны относительно направления в про­ странстве, не является поляризованной, т. е. поляризация каж­ дого отдельного фотона некогерентна по отношению ко всем остальным фотонам. Поляризованное электромагнитное излу­ чение можно получить тремя способами: при помощи регуляриза­ ции исходных сил, вызывающих излучение; за счет устранения всех составляющих излучения, фазы которых не совпадают с желаемой фазой; путем регуляризирующего воздействия на излучение после его образования рефракционными, дифракцион­ ными, отражательными или рассеивающими силами. Поскольку поляризация обусловлена упорядочением направлений движения частиц при их переходе из одного энергетического состояния в другое, любые факторы, влияющие на эти направления, могут повлиять и на поляризацию.

Эффект Штарка—Лунелунда заключается в том, что свет, испускаемый пучком движущихся атомов, поляризуется в ре­ зультате однонаправленных движений атомов. Такая однонаправ­ ленная активность обычно регуляризует направления движения частиц, переходящих из одного энергетического состояния в дру­ гое и обратно.

Упорядочение ориентаций молекул в кристаллической решет­ ке также способно обеспечить поляризацию излучаемой энергии.

9.7. МАГНИТНОЕ ГАШЕНИЕ

Если в результате упорядочения ориентаций магнетонов все движения частиц имеют одно и то же направление, то порож­ даемое этими движениями электромагнитное излучение будет поляризованным. Как указано выше в связи с обсуждением эффекта Зеемана, приложенное внешнее поле, с одной стороны, расщепляет некогерентную активность на две составляющие, когерентные по направлению, и с другой стороны, поляризует излучение, порождаемое этими двумя изменениями энергетиче­ ского уровня.

Когда под влиянием магнитного поля устанавливаются

когерентные направления магнетонов, изменяется энергия мо­ лекул, состоящих из магнетонов. Иногда эти изменения доста­ точны для полного устранения одного энергетического уровня. В результате одна или несколько спектральных линий излу­ чения, генерируемого возбужденным веществом, также исчезают. Это явление называется магнитным гашением.

Эффект Вуда — Эллетта заключается в погашении спект­ ральной линии поляризованного излучения под действием при­ ложенного магнитного поля, которое приводит к устранению энергетического состояния, представленного этой линией, в ре­ зультате изменения пространственной упорядоченности ориен­ таций частиц. К эффекту Вуда—Эллетта можно, отнести также явление погашения магнитным полем флюоресценции некоторых паров за счет изменения энергетических уровней, обусловливаю­ щих флюоресценцию.

9.8.ПОГЛОЩЕНИЕ

Втой же степени, в какой магнитные поля влияют на спо­ собность вещества отражать, пропускать и рассеивать излуче­ ние, они могут влиять также и на способность вещества к по­ глощению излучения. Поглощение — это процесс, противопо­ ложный испусканию. Когда частица переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, испускается элементарная электромагнитная энергия — фотон; аналогичный фотон поглощается, когда такая частица совершает противо­ положный переход — с более низкого на более высокий энер­ гетический уровень.

Однако поглощение нельзя точно свести к процессу, обратно­

му по отношению к испусканию. Согласно принципу Франка— Кондона спектр энергии, испускаемой возбужденным телом, не­ сколько отличается от спектра поглощаемой энергии в связи с тем, что изменения параметров кристаллической решетки, вызванные тепловой активностью при испускании, не обязательно выражены в такой же степени при поглощении энергии. Кроме того, при вза­ имодействии энергии с веществом часть энергии отражается от его поверхностей, часть пропускается через вещество и часть рассеи­ вается из-за неоднородности среды на пути распространения излу­ чения. В той же степени, в какой эти составляющие энергии испы­ тывают спектральные изменения, характеристики спектра погло-

.щения будут отличаться от характеристик спектра испускания. Таким образом, поглощение является процессом с изменчивым спектром, несколько отличающимся от спектра испускания.

Поглощаемая энергия пропорциональна длительности и интенсивности облучения вещества. Отражение влечет за собой снижение интенсивности облучения, а рассеяние — увеличение его длительности. Путь распространения рассеянного луча в ве­

ществе значительно длиннее, чем путь прямолинейного луча. Чем длиннее путь, тем больше имеется возможностей для мо­ лекулярных взаимодействий.

Вообще можно утверждать, что если центры рассеяния в веществе расположены нерегулярным образом, то будет погло­ щено больше энергии, чем в случае, когда они имеют какуюлибо регулярность в расположении, по крайней мере, для всех частот, кроме тех, для которых длина волны обусловливает взаимодействие с регулярной структурой вещества, имеющей определенную периодичность размеров. Этот принцип проявля­ ется, например, когда обычный замутненный коллоидный раствор осветляется в присутствии магнитного поля. Здесь коллоидные частицы играют роль центров рассеяния. В том случае, когда они имеют магнитный момент, магнитное поле упорядочивает их, в результате чего они образуют регулярную структуру, обуслов­ ливающую минимальное рассеяние.

Поглощение может быть избирательным по отношению к частоте, направлению распространения и ориентации плоскости поляризации облучения. У плеохроических веществ частотные характеристики поглощения различаются для разных кристал­ лических осей.

Аналогично тому, как излучение, генерируемое твердыми веществами, занимает широкую полосу частот спектра, погло­ щение у большинства веществ происходит в этой же широкой полосе. Однако для веществ, содержащих дидимий, сущест­ вуют очень узкие полосы частот поглощения и испускания на тех участках спектра, которые обычно соответствуют прозрач­ ности вещества.

Взаимодействия различных типов между энергией и вещест­ вом могут повлиять на процесс поглощения электромагнитного излучения, и, более того, поглощение может само оказывать влияние на другие проявления энергетического состояния ве­ щества. Фосфоресценция — это пример явления, которое продол­ жается и после того, как прекратилось поглощение энергии облученным веществом.

9.9. ФОТОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ

Парамагнетизм обусловлен тем, что магнетоны со случайно распределенными (под влиянием тепловой активности) ориен­ тациями в присутствии внешнего магнитного поля стремятся упорядочить свои ориентации и поворачиваются либо в направ­ лении внешнего поля, либо в противоположном направлении. Интенсивность этого явления измеряют как разность плотностей популяций магнетонов, ориентированных в этих двух направ­ лениях.

У некоторых веществ, главным образом солей, парамагнит­

ные свойства усиливаются под воздействием электромагнитного облучения. В этом заключается фотомагнитный эффект. Погло­ щение электромагнитного излучения кристаллической решеткой изменяет энергии отдельных частиц в этой решетке, а также распределение энергии между частицами. Добавление энергии в форме электромагнитного излучения, точно так же как и до­ бавление энергии в тепловой форме, изменяет характеристики парамагнитного вещества.

9.10. ПРЕЛОМЛЕНИЕ

Электромагнитный луч, проходящий наклонно из одной среды в другую, изменяет свое направление на поверхности раздела сред. Такое изменение направления называется преломлением. Это явление объясняется тем, что электромагнитное излучение распространяется в различных веществах с разными скоростями.

Направление преломленного луча определяют относительно прямой, нормальной к поверхности раздела двух сред в точке падения луча на эту поверхность. Если луч проходит из среды с высокой скоростью распространения в среду с более низкой скоростью, то после преломления он наклоняется к указанной нормали; при прохождении в противоположном направлении он, наоборот, отклоняется от нормали.

Показатель преломления вещества определяется как отно­ шение скорости распространения электромагнитного излучения в вакууме к скорости в данном веществе. Согласно закону Снеллиуса отношение синуса угла между падающим лучом и нормалью к синусу угла между преломленным лучом и нормалью имеет по­ стоянное значение. Кроме того, падающий луч, нормаль к поверх­ ности раздела сред, отраженный луч и преломленный луч лежат в одной и той же плоскости.

Если энергия излучения распространяется из вещества с большим показателем преломления в вещество с малым пока­ зателем .преломления, то на их границе она полностью отража­ ется при условии, что угол падения превышает некоторый предельный угол. Последний характеризует разность скоростей распространения излучения в двух средах.

Скорость, с которой энергия излучения распространяется в плотной среде, зависит как от частоты излучения, так и от плотности среды. Вследствие этого высокочастотные состав­ ляющие излучения преломляются сильнее, чем низкочастотные (например* синий свет испытывает более сильное отклонение, чем красный). Разложение электромагнитного излучения на

дисперсии используется бифрингенция. Число Аббе, которое при­ меняют для количественной оценки дисперсионных явлений,

Мутона. Эффект миража приводит к искажению изображений в результате атмосферного преломления, обусловленного изме­ нением плотности воздуха над горячими поверхностями.

Оси молекул жидкости под действием тепловых сил приоб­ ретают случайное распределение ориентаций в пространстве. •Если эти молекулы анизотропны, то приложенные к ним сдви­ гающие силы могут изменить направления их осей, придав рас­ пределению ориентаций некоторую регулярность. Свет, проходя­ щий через такую регулярную структуру, испытывает двойное лучепреломление, степень которого зависит от сдвигающих сил. Поскольку эти силы, в свою очередь, зависят от скорости дви­ жения жидкости, степень двойного лучепреломления можно •использовать в качестве показателя скорости жидкости. Тече­ ние жидкости, при котором возникает это явление, называют

двоякопреломляющим потоком.

Построение шлирен-проекции основано на применении лин­ зы для проектирования на экран коллимированного светового пучка. Все коллимированные лучи сводятся в одну фокальную точку, расположенную между проекционной линзой и экраном. Если среда, через которую проходят коллимированные лучи, подвержена каким-либо воздействиям, вызывающим нарушение характеристик преломления, то преломленные лучи уже не бу­ дут коллимированными и не пройдут через общую фокальную точку. Предположим, что острая кромка помещена вблизи фо­ кальной точки таким образом, что она прерывает преломленные лучи, но не влияет на коллимированные лучи; тогда преломлен­ ные лучи будут исключены из изображения, спроектированного на экран. В результате этого нарушение характеристик прелом­ ления проявляется в виде теней на экране.

9.11. МАГНИТОРЕФРАКЦИЯ

Магниторефракция обусловлена изменением показателя пре­ ломления вещества при воздействии на вещество внешним маг­ нитным полем.

Эффект Коттона — Мутона заключается в том, что некото­ рые диэлектрические вещества при помещении их в магнитное поле приобретают свойство двойного лучепреломления, вследст­ ви е чего обыкновенный луч задерживается по отношению к не­ обыкновенному. Причина этого явления — сжатие диэлектриче­ ского вещества под влиянием магнитного поля (см. рис. 6.1).

Фактически двойное лучепреломление может быть обуслов­ л ен о любой регулярной структурой, имеющей различные плотно­ сти вдоль разных направлений. Эффект Фойгта заключается в том, что под влиянием сильного магнитного поля пары не­ которых веществ приобретают свойство двойного лучепреломле­ ния по отношению к лучам света, направленным перпендикуляр­

но направлению магнитного поля.

Часть энергии излучения, падающего на гладкую поверхность, отражается от этой поверхности, причем возможны два механиз­ ма отражения. В первом случае излучение, приходящее от вещества с большим показателем преломления к веществу с меньшим показателем преломления, полностью отражается, когда угол падения превышает предельное значение. Во втором случае энергия поглощается поверхностными молекулами и электронами проводимости, которые оказались вблизи от по­ верхности, и повторно испускается в количестве, близком к ко­ личеству поглощенной энергии. Хотя в результате поглощения энергии поверхностные частицы приходят в возбужденное состо­ яние, обычно повышение энергетического уровня не имеет су­ щественных последствий, поскольку происходит рассеяние этой энергии в форме вторичного излучения на той же самой частоте. Если же на электроны проводимости у поверхности вещества оказать определенное воздействие (например, как показано на рис. 9.10—9.12 и 20.1), то это может привести к изменению как интенсивности, так и направления электромагнитного излу­ чения.

В описанном процессе участвуют только частицы, располо­ женные в поверхностном слое вещества с толщиной не больше нескольких межатомных расстояний. Эти частицы находятся под влиянием внешних условий двух совершенно разных типов. Изнутри массы вещества к ним примыкает множество анало­ гичных частиц, активно излучающих энергию к соседним части­ цам. и поглощающих энергию от соседних частиц. Любая до­ полнительная энергия, сообщаемая этой структуре, сразу же возвращается от нее в аналогичной форме. Снаружи от массы вещества к поверхностным частицам примыкает среда, в которую они могут «сбрасывать» свои избыточные фотоны, не получая их обратно.

Если вещество, находящееся под рассматриваемой поверх­ ностью, является металлом, то вся падающая энергия погло­ щается поверхностными частицами. Вследствие того что среди этих частиц очень много электронов проводимости, которые легко возбуждаются почти до любой частоты, большая часть энергии испускается вторично и лишь относительно небольшое количество ее передается внутренним частицам в виде тепла. Если же под рассматриваемой поверхностью находится неме­ таллическое вещество, то часть падающей энергии отражается, а остальная часть преломляется.

Поверхностные молекулы вещества (металлического или не­

вещества, приобретает эллиптическую поляризацию. Эта поля­ ризация является результатом взаимодействия между фотонами и молекулами, упорядоченными по направлениям под влиянием внешнего магнитного поля. Форма и ориентация эллипса поля­ ризации зависят от плотности магнитного потока, порождаемого отражающей поверхностью; иными словами, чем интенсивнее магнитное поле, тем выше степень упорядоченности молекул и тем сильнее эта упорядоченность влияет на фотоны.

В случае, когда падающий луч уже является поляризован­ ным, причем вектор намагничивания лежит в плоскости поля­ ризации, отраженный луч также будет поляризованным, но его плоскость поляризации повернется на некоторый угол. Если отражающая поверхность покрыта пленкой, толщина которой равна четверти длины волны падающего излучения, то в резуль­ тате многократных отражений угол поворота увеличивается. При любых условиях поворот определяется как частотой, так и углом падения излучения.

9.14. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

Электромагнитное излучение распространяется в пространст­ ве в форме волн, имеющих колебательный характер. Взаимодей­ ствие двух или нескольких таких волн в любой точке простран­ ства можно представить как векторное суммирование, результат которого зависит от таких характеристик волны, как частота, фаза, направление колебаний и расположение плоскости поля­ ризации.

Согласно закону Френеля — Араго два пучка не могут ин­ терферировать, если их плоскости поляризации взаимно перпен­ дикулярны. В то же время возможно взаимодействие двух волн, имеющих приблизительно одинаковые частоты и совпадающие плоскости поляризации. Если такие колебания имеют одну и ту же фазу, то их векторная сумма отражает возрастание энергии, если же они сдвинуты по фазе, то векторная сумма отражает убывание энергии.

Интерференция — это взаимодействие двух волн, резуль­ тат которого представляется в виде векторной суммы. Простран­ ственные изменения этой суммы описываются интерференцион­ ными полосами, а временные изменения — биениями. Например, кольца Ньютона представляют собой интерференционные поло­ сы, наблюдаемые при проецировании монохроматического излу­ чения на полупрозрачную тонкую пленку. Волна, отраженная от задней поверхности такой пленки, взаимодействует с волной, отраженной от передней поверхности. В зависимости от толщи­ ны пленки результирующая отраженная волна может быть либо усилена, либо ослаблена по сравнению с падающей волной. Если толщина пленки равна четверти длины волны падающего излу­