книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

чения, то две указанные отраженные волны будут различаться по фазе на 180°, так как излучение, отраженное от задней по­ верхности пленки, проходит через пленку дважды.

Таким образом, кольца Ньютона позволяют обнаружить изменения толщины пленки, которые выявляются в виде свет­ лых и темных полос при наблюдении картины отражения. Если толщина пленки изменяется под действием магнитного поля в результате упорядочения ориентаций магнетонов, то такие изме­ нения могут быть также определены на основании анализа изменений-конфигурации колец Ньютона.

9.15. ДИФРАКЦИЯ

Дифракция — это явление огибания препятствий излучением вследствие его взаимодействия с краями этих препятствий.

Когда часть фронта распространяющейся волны задержива­ ется некоторым препятствием, волна продолжает распростра­ няться, однако отклоняется в направлении препятствия, т. е. она как бы огибает это препятствие. Изменение непрерывной природы волны при встрече с препятствием подтверждается тем фактом, что энергия может быть перенесена в области, которых она не достигла бы при отсутствии дифракции.

Согласно принципу Гюйгенса каждая точка фронта распро­ страняющейся волны может рассматриваться как центр неко­ торой новой «элементарной волны». Общая непрерывная волна может быть построена как суммарная интерференционная картина из многочисленных предшествующих элементарных волн. В результате получается непрерывная волна, которая распространяется в направлениях, совпадающих с нормалью к поверхности фронта волны. Если некоторые элементарные волны устранить из фронта волны, то исключится также их интерферен­ ция с соседними элементарными волнами. Вследствие этого энергия будет распространяться по всем направлениям от центра элементарной волны, находящейся на краю фронта. Поскольку излучение, распространяющееся в направлении дифрагирующего препятствия, не погашается в результате интерференции с со­ седними элементарными волнами, оно оказывается за препят­ ствием.

Если препятствием на пути коллимированной волны служит объект сферической или какой-либо иной округлой формы, то дифракция, вызванная краями объекта, образует светлое пятно в центре тени, отбрасываемой объектом. Это пятно называется белым пятном Араго.

Излучение, проходящее через узкую щель, испытывает ди­ фракцию, отклоняясь в двух направлениях, так как два края щели прерывают луч с двух сторон. Другими словами, при про­ хождении через такую щель луч расщепляется на два луча,

каждый из которых направлен по прямой, отклоненной от на­ правления исходного луча. Угол дифракции, т. е. угол между направлением исходного луча и направлением дифрагированного луча, зависит от ширины щели и длины волны излучения. На­ пример, рассмотрим прямую линию, проходящую от одного края щели до точки, расположенной на расстоянии одной длины волны от обратной стороны другого края щели. Дифрагирован­ ный луч будет направлен вдоль прямой, перпендикулярной этой линии. Рассуждая аналогичным образом, увидим, что малое круглое отверстие порождает конический дифракционный пучок, так как все края кругового пучка' испытывают разрыв.

Дифракция возможна как при пропускании излучения (этот случай описан выше), так и при его отражении; в последнем случае лучи, отраженные от поверхности, которая имеет форму узкой полоски (аналогичной узкой щели), дифрагируют в соот­ ветствии с точно таким же механизмом, как и при пропускании лучей через щель.

Вследствие того что угол дифракции определяется длиной волны излучения, разные «цвета» (т. е. энергии разной частоты) испытывают различные степени дифракции. Лучи с большей дли­ ной волны отклоняются сильнее, чем лучи с меньшей длиной волны. Интересно отметить, что при преломлении отклонение лучей с более короткой волной оказывается больше, чем лучей с более длинной волной.

На рис. 9.4 иллюстрируется дифракционная решетка, обра­ зованная периодической молекулярной структурой кристал­ лической пленки. Поскольку эта периодическая структура по своему действию аналогична совокупности нескольких щелей,

Рис. 9.4. Магнитодифракция. Если межмолекулярные промежутки вещества дей­ ствуют как дифракционная решетка, то угол дифракции зависит от намагничен­ ности вещества

результирующий дифрагированный пучок образуется как соче­ тание каждого отдельного луча с множеством других дифраги­ рованных лучей, составляющих исходный падающий пучок.

Для получения дифракции при соответствующих условиях можно использовать любую периодическую структуру градиентов плотности. Например, в жидкости можно возбудить звуковые колебания в форме стоячей волны. Тогда плотность жидкости будет функцией положения точки в пределах этой стоячей волны. В основе эффекта Дебби — Сирса лежит аномальная периодич­ ность структуры стоячих волн, образующих дифракционную ре­ шетку. В данном случае изменение частоты стоячей волны при­ водит к изменениям угла дифракции для каждой конкретной частоты энергии излучения.

Известно два общих класса дифракции. При дифракции Френеля как источник света, так и получаемая дифракционная картина наблюдаются в непосредственной близости от препят­ ствия, обусловливающего явление дифракции. В отличие от это­ го при дифракции Фраунгофера, имеющей место для коллими­ рованных лучей, дифракционная картина наблюдается в фокаль­ ной плоскости линзы.

Венцом называют явление испускания света растениями. Оно объясняется преломлением и дифракцией световых лучей, которые отражаются от капель росы, собирающихся на листьях растений.

9.16, МАГНИЮДИФРАКЦИЯ

Благодаря регулярности межмолекулярных расстояний в кристаллической решетке ее широко используют в качестве ди­ фракционной решетки для рентгеновского излучения. Точно так же, как магнитные поля могут изменить периодичность кристаллической структуры, они могут оказать влияние на углы дифракции из-за изменения расстояний между молекулами (см. рис. 9.4). Эти изменения происходят под действием маг­ нитного поля при условии, что молекулы обладают магнитной поляризацией. Эффект магнитодифракции состоит в том, что приложенное извне магнитное поле изменяет параметры диф­ ракционной решетки.

9.17. РАССЕЯНИЕ

Рассеяние в общем случае определяется как процесс, кото­ рый порождает меньшую упорядоченность из существовавшей раньше большей упорядоченности. Здесь имеется в виду упоря­ доченность по расположениям или по ориентациям некоторых объектов.

В частности, рассеяние фотонов определяется как изменение направлений коллимированных частей пучков относительно боль­

шого диаметра и их расщепление на многочисленные пучки, или лучи меньшего диаметра, имеющие различные направления в пространстве. Такое рассеяние происходит при взаимодейст­ вии электромагнитного излучения с центрами рассеяния, под которыми подразумеваются частицы, линии или поверхности с малыми размерами и объемами, плотность которых отличается от плотности окружающей однородной среды.

Количество рассеиваемой энергии определяется размерами центров рассеяния по отношению к длине волны. Если длина волны меньше, чем радиус центров рассеяния, то рассеиваемая энергия почти не зависит от длины волны. Если же длина волны намного больше, чем радиус центров рассеяния, то рассеиваемая энергия изменяется обратно пропорционально четвертой сте­ пени длины волны. В случае, когда радиус частиц — центров рассеяния и длина волны равны между собой, значение рассеи­ ваемой энергии достигает максимума.

Синий свет, имеющий относительно более короткую волну, рассеивается атмосферными частицами в большей степени, чем красный свет, имеющий более длинную волну. Вследствие этого небо выглядит голубым, когда его наблюдают в рассеянном све­ те, и красным, когда его наблюдают в прямо пропущенном свете. Условия наблюдения последнего типа характерны для за­ ката и восхода солнца, которые обычно имеют красный цвет. Небо непосредственно над головой всегда воспринимается как голубое, если только солнце не находится тоже над головой или же небо закрыто облаками. При некоторых особых атмосфер­ ных условиях во время восхода или заката может возникнуть так называемое зеленое мерцание, в основе которого лежит явление лучепреломления.

Описанным принципом можно воспользоваться для контроля некоторых процессов. Например, осаждающиеся частицы в раст­ воре постепенно увеличиваются в диаметре, и об их размерах в каждый момент времени можно судить по цвету рассеиваемого раствором света. Другой пример — контроль за плотностью рас­ пределения центров рассеяния в прозрачной среде путем оценки интенсивности света, рассеянного в направлениях, перпендику­ лярных исходному энергетическому пучку. На этом принципе основан прибор, называемый нефелометром.

Процесс рассеяния имеет разные характеристики в зави­ симости от того, в каком направлении осуществляется наблю­ дение по отношению к возбуждающему пучку энергии — про­ дольном или поперечном. На этом основан эффект Плотни­

кова.

Рассеяние обычно подразделяют в соответствии с типами центров рассеяния. При рассеянии Томсона электромагнитное излучение рассеивается под влиянием электронного облака, а при рассеянии Дельбрука световые пучки рассеиваются под

влиянием электростатических деформаций, возникающих в ди­ электрических материалах.

В некоторых случаях рассеянная энергия имеет иную часто­ ту, чем падающая. При рассеянии Комптона упругие соударения фотонов с электронами изменяют частоту фотонов. Это изме­ нение частоты зависит от угла рассеяния. Фактически возможно и двойное рассеяние Комптона, когда последствия каждого отдель­ ного столкновения настолько существенны, что оно порождает две новые частицы.

Эффект Рамана заключается в том, что рассеянное излу­ чение добавляет новые частотные составляющие к падающим световым лучам, проходящим через прозрачные газы, жидкости или твердые вещества. Спектры этих дополнительных составляю­ щих можно использовать для оценки молекулярного состава среды.

Явления рассеяния и преломления могут взаимодействовать между собой. В соответствии с эффектом Христиансена смесь тонко растертого порошка из прозрачного вещества с прозрач­ ной жидкостью приобретает прозрачность только для той часто­ ты, при которой показатели преломления для порошка и жид- ( кости имеют одинаковые значения. Для всех других частот гра­ нулы порошка играют роль центров рассеяния. На основе этого эффекта получают полосовой фильтр с сильно заострен­ ной характеристикой.

Рассеяние может быть когерентным или некогерентным. При рассеянии последнего типа отсутствует взаимосвязь между фазами разных частей рассеянного пучка. В отличие от этого при рассеянии Рэлея имеются определенные фазовые соотноше­ ния между приходящей и рассеянной волнами. В результате

/можно определять конкретные углы, характеризующие интерфе­ ренцию между рассеянными волнами от двух центров рассеяния. Если центры рассеяния организованы в виде некоторой регуляр­ ной структуры, то рассеянная энергия в процессе рассеяния становится поляризованной.

Эффект Тиндаля состоит в том, что часть мощного пучка света, пропущенного через коллоидный раствор, приобретает по­ ляризацию, степень которой зависит от размеров коллоидных, частиц. Полная поляризация происходит в случае, когда раз­ меры частиц намного меньше, чем длина волны рассеянного из­ лучения.

Эффект Бриллюэна заключается в том, что в спектре мо­ нохроматического пучка, проходящего через некоторые жид­ кости, появляется дублет линий рассеяния по обе стороны от исходной линии. Соответствующие этим линиям составляющие излучения поляризованы во взаимно перпендикулярных пло­ скостях.

Вобоих вышеописанных эффектах интенсивность рассеяния

зависит от относительной упорядоченности центров рассеяния. В той степени, в какой магнитное поле влияет на эту упорядочен­ ность, оно может повлиять также на процесс рассеяния энергии и на все связанные с ним явления.

Свет, образуемый рассеянными лучами, называют диффуз­ ным.

9.18. НЕМАТИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ

Нематические кристаллы — это подвижные нитевидные струк­ туры, способные упорядочивать свои ориентации под воздейст­ вием внешнего магнитного поля. У жидкости, содержащей такие кристаллы, одна оптическая ось совпадает с направлением маг­ нитного поля, а другие оптические оси не совпадают. Вдоль оптической оси, образовавшейся под влиянием магнитного поля, рассеяние света минимально, а пропускание максимально. По всем другим направлениям, как и при отсутствии внешнего маг­ нитного поля, рассеяние достигает своего максимума.

9.19. ИЗМЕНЕНИЕ УГЛА ПОЛЯРИЗАЦИИ

Электромагнитное излучение при прохождении через диэлект­ рические вещества испытывает определенные изменения. Изме­ няется скорость его распространения, и некоторое количество энергии поглощается в виде тепла. Это поглощение является следствием возрастания тепловой активности молекулярной структуры вещества. Разброс направлений скорости частиц, за­ висящий от частоты излучения, обусловливает явление бифрингенции, которое уже обсуждалось в связи с преломлением.

В дополнение к преломлению и тепловым потерям, при про­ хождении плоскополяризованной волны через некоторые мате­ риалы происходит поворот плоскости ее поляризации. Угол по­ ворота также является функцией частоты излучения, причем мерой изменения угла поляризации служит аллогироскопическое двойное лучепреломление.

При эффекте Араго угол поляризации изменяется на величину, характерную для данного вещества и пропорциональную рас­ стоянию, которое волна проходит в веществе. При эффекте Био угол поворота плоскости поляризации пропорционален количеству активного вещества, растворенного в неактивном растворителе. Закон Бера утверждает, что высокий столб пара обладает такой же способностью поворачивать плоскость поляризации, как и более низкий столб, образуемый этим же паром в результате конденсации.

Изменение угла поляризации излучения в кристаллических структурах является довольно сложным процессом. В веществе с двойным лучепреломлением, на которое воздействует плоскополяризованный монохроматический пучок энергии, эта энергия

передается в виде двух плоскополяризованных пучков. Углы ориентации их плоскостей поляризации определяются молеку­ лярной структурой вещества, причем эти плоскости взаимно пер­ пендикулярны. После выхода из вещества с двойным лучепрелом­ лением два указанных пучка вновь объединяются в единый пучок, который, однако, может чрезвычайно сильно отличаться от первичного пучка.

Вещества с двойным лучепреломлением характеризуются раз­ личными поглощательными способностями и различными скоро­ стями распространения для излучений с разными направлениями и разными углами поляризации.

Если тело из вещества с двойным лучепреломлением повер­ нуть вокруг его оси двойного лучепреломления и в плоскости, параллельной этой оси, то характеристики переноса энергии из­ менятся. Можно создать такие условия падения поляризованной энергии на вещество с двойным лучепреломлением, что плоскость поляризации падающей энергии будет ориентирована под углом 45° к плоскостям поляризации распространяющихся в веществе пучков. Тогда эти два плоскополяризованных пучка на выходе из вещества будут иметь фазовые углы, зависящие как от скоростей распространения двух пучков, так и от толщины слоя вещества. Тем не менее их плоскости поляризации остаются на выходе из вещества теми же самыми, что и на входе в него.

Когда слой вещества с двойным лучепреломлением имеет такую толщину, что соотношение между фазами прошедших через него плоскополяризованных волн изменяется на 180°, эти волны объединяются в плоскополяризованную волну, у которой плоскость поляризации повернута на 90° относительно плоскости поляризации падающей волны. Кристалл с такой толщиной называется пластинкой в полдлины волны. При любой другой толщине кристалла прошедшее через него излучение восстанав­ ливается в виде волны с эллиптической поляризацией, которая приближается к круговой поляризации, если толщина кристалла равна кратному от значения четверти длины волны.

Вследствие того что синий свет имеет длину волны, равную приблизительно половине длины волны красного света, пластинка в полдлины волны для синего света приблизительно совпадает с пластинкой в четверть длины волны для красного света. Таким образом, синее излучение после прохождения через такую плас­ тинку представляет собой плоскополяризованную волну, тогда как красное излучение — волну с круговой поляризацией. По­ скольку плоскополяризованные волны легко «запираются» плас­ тинками с поперечной поляризацией, сочетание красного и синего излучений при плоской поляризации может превратиться на выходе «системы» в красную волну с круговой поляризацией. Такая комбинация волн с плоской и круговой поляризациями, выходящих из веществ с двойным лучепреломлением, является

одним из факторов, обусловливающих образование цветных ин­ терференционных полос в поляризованном излучении. Другой механизм образования таких полос — это аллогироскопическое двойное лучепреломление, связанное с изменением угла поля­ ризации в зависимости от частоты излучения.

9.20. ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

Изменение угла поляризации плоскополяризованной волны, вызванное ее прохождением через твердый диэлектрик, который предварительно намагничен в направлении распространения вол­ ны, называется эффектом Фарадея (это явление иллюстрируется на рис. 9.5). То же самое явление, наблюдаемое в жидких и газообразных диэлектриках, получило название эффекта Кундта. Электрооптический эффект Керра — это аналогичное явление, которое наблюдается, однако, при поляризации диэлектрика под действием электрического, а не магнитного поля. Все эти явления фактически представляют собой разновидности основного эффекта Араго, в котором способность вращать угол поляризации волны является одним из свойств, присущих самому веществу. В рас­ смотренных здесь эффектах, однако, свойства вещества изме­ няются под влиянием приложенного поля, магнитного или элект­ рического.

Плоскополяризованную волну можно представить как резуль­ тат сложения двух волн с круговой поляризацией и с противо­ положными направлениями вращения. Когда плоскополяризованная волна проходит через диэлектрик, то две ее компоненты, имеющие противоположные направления вращения, могут попа­ дать под влияние разных условий. Если одна из компонент в большей степени подвержена влиянию условий своего распрост­ ранения, чем другая компонента, то после восстановления плос­ кополяризованной волны оказываются измененными как ее ампли­ туда, так и угол поляризации.

Эффект Фарадея является следствием взаимодействия между электромагнитной энергией и магнитными свойствами структуры

Рис. 9.5. Эффект Фарадея. Угол поляризации плоскополяризо­ ванной волны изменяется, когда она проходит через намагничен­ ный диэлектрик

вещества. Поскольку диэлектрические вещества могут быть диа­ магнитными, парамагнитными, ферримагнитными или антиферримагнитными, механизмы возникновения эффекта Фарадея у этих веществ несколько различаются. Таким образом, эффект Фара­ дея можно подразделить на типы в соответствии с указанными типами диэлектриков.

Магнетоны некоторых диэлектриков можно упорядочить по ориентациям воздействием внешнего магнитного поля и возбу­ дить их прецессию. В данном случае соотношение между на­ правлениями прецессии и магнитного поля обладает тензорными свойствами. Если прецессия происходит по часовой стрелке при наблюдении в направлении поля, то при наблюдении в направ­ лении, противоположном полю, она будет происходить против часовой стрелки и будет отсутствовать при наблюдении в любом направлении, перпендикулярном полю.

Прецессия магнетонов может быть возбуждена при взаимо­ действии с электромагнитными полями. Такое возбуждение опи­ сывается характеристиками, отражающими частоту изменения величины во времени и направление в пространстве. Поглощение электромагнитной энергии поляризованным диэлектриком зави­ сит как от направления плоскополяризованной волны по отно­ шению к направлению приложенного магнитного поля, так и от частоты этой волны по отношению к частоте прецессии магнето­ нов. Если энергия и вещество взаимодействуют, возбуждая прецессию, то значительно большая часть этой энергии превра­ щается в тепло и меньшая проходит через вещество, по срав­ нению с условиями, когда прецессия не возбуждается.

В случае, когда одна из компонент с круговой поляризацией, образующих плоскополяризованную волну, возбуждает прецес­ сию, а другая не возбуждает, эти компоненты будут распрост­ раняться в веществе с разными скоростями, и угол поляризации плоскополяризованной волны изменится из-за разности скоростей компонент. Это изменение будет зависеть от различия в интен­ сивностях взаимодействия компонент волны с прецессирующими магнетонами.

Угол поворота плоскополяризованного пучка пропорционален длине пути, проходимого им в диэлектрике, напряженности упорядочивающего магнетоны поля, косинусу угла между на­ правлением магнитного поля и плоскостью поляризации пучка, а также постоянной Верде.

Постоянная Верде определяется типом вещества, температурой и частотой энергии излучения. Ее значение приблизительно пропорционально квадрату частоты.

Поскольку на упорядочение ориентаций магнетонов в соот­ ветствии с приложенным полем затрачивается определенное вре­ мя, между моментом приложения внешнего поля и возникнове­ нием эффекта Фарадея имеется временная задержка.