Πως διαδίδονται τα Η/Μ κύματα σε διαφανή διηλεκτρικά?

Transcript

1 Πως διαδίδονται τα Η/Μ κύματα σε διαφανή διηλεκτρικά? (Μη-μαγνητικά, μη-αγώγιμα, διαφανή στερεά ή υγρά με πυκνή, σχετικά κανονική διάταξη δομικών λίθων). Γραμμικά πολωμένο κύμα προσπίπτει σε ηλεκτρόνιο του υλικού. Το ηλεκτρόνιο εκπέμπει ακτινοβολία κυρίως προς κατευθύνσεις κάθετες προς τη διεύθυνση ταλάντωσης. ϑ I sin ( ) ϑ Το θέτει σε ταλάντωση κατά τη διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου (ταλαντούμενο ηλεκτρικό δίπολο). Συχνότητα ταλάντωσης ίση με τη συχνότητα του πεδίου. Ακριβώς κατά τη διεύθυνση της ταλάντωσης δεν εκπέμπεται ακτινοβολία. Τα επιμέρους κύματα που εκπέμπουν τα ηλεκτρόνια του υλικού αθροίζονται (συμβάλλουν) προς ένα διαδιδόμενο κύμα. Λόγω της πυκνής και κανονικής διάταξης των δομικών λίθων του υλικού, το συνιστάμενο κύμα έχει μέγιστη ένταση κατά τη κατεύθυνση του προσπίπτοντος κύματος. Σε όλες τις άλλες κατευθύνσεις τα επιμέρους κύματα συμβάλλουν καταστροφικά.

2 Ανάκλαση και Διάθλαση Κύμα γραμμικά πολωμένο κάθετα στο επίπεδο πρόσπτωσης. θ θ n 1 E n Τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν ακτινοβολία κυρίως επάνω στη επίπεδο πρόσπτωσης εφόσον ταλαντώνονται κάθετα σε αυτό. θ Τα επιμέρους κύματα που εκπέμπουν τα ηλεκτρόνια του υλικού συμβάλλουν ενισχυτικά μόνο προς τις κατευθύνσεις που προβλέπουν οι νόμοι της ανάκλασης και της διάθλασης. Σε όλες τις άλλες διευθύνσεις συμβάλλουν καταστροφικά.

3 Ανάκλαση και Διάθλαση Κύμα γραμμικά πολωμένο παράλληλα στο επίπεδο πρόσπτωσης. θ θ n 1 E // ψ n Τα ηλεκτρόνια ταλαντώνονται επάνω στη επίπεδο πρόσπτωσης. θ Τα επιμέρους κύματα συμβάλλουν ενισχυτικά μόνο προς τις κατευθύνσεις που προβλέπουν οι νόμοι της ανάκλασης και της διάθλασης. Η διεύθυνση όμως της ανακλώμενης ακτίνας είναι κοντά στο μηδενικό ελάχιστο της εκπεμπόμενης από κάθε ηλεκτρόνιο ακτινοβολίας. Παρατηρείται μικρή ανακλαστικότητα. Αποδεικνύεται με στοιχειώδη γεωμετρία ότι: θ + θ + ψ = 90 ο Υπάρχει περίπτωση να μην έχουμε καθόλου ανάκλαση? Ναι εάν ψ = 0 θ + θ = 90 ο οπότε από το νόμο του Snell: n 1 sinθ = n sinθ = n tanθ Β = n / /n 1 = n σχετικό

4 θ Β : Γωνία Bewste Ισχύει είτε n 1 < n είτε n 1 > n? Ναι! Έστω ότι για n 1 n και n 1 < n, tanθ Β = n /n 1 >1 τότε για n n 1, tanθ Β = n 1/ /n =1/ tanθ Β θ Β = 90 ο - θ Β Το φαινόμενο προβλέπεται και μέσω των σχέσεων Fesnel: R n = n 1 1 n + n '' cos '' θ = sin sin ( θ θ '') ( θ + θ '') R // = n n n + n 1 1 '' cos '' θ = tan tan ( θ θ '') ( θ + θ '') 1.0 Για n / /n 1 =1.5 // + R = R R R 0.5 ~14% θ B R θ (degees) R //

5 Πόλωση από Ανάκλαση θ Β θ Φυσικό Φως ~7% n 1 n θ Mικρή ανακλαστικότητα στοίβες από πολλά πλακίδια. Πειράματα 5.1α., 5..α Π 1 Α L Χοντρό ακρυλικό πλακίδιο (n 1.49). lase Επιλογή πόλωσης // στο επίπεδο ανάκλασης, μέσω του Π 1. Πολλαπλή, γρήγορη εύρεση της θ Β περιστρέφοντας το πλακίδιο (γωνιομετρική τράπεζα). Μηδενική (ελάχιστη) ανιχνευόμενη ένταση. Υπολογισμός του n ± σn του πλακιδίου. Μέτρηση R // (θ) και R (θ) ακριβώς όπως σε προηγούμενη άσκηση. Να συμπεριληφθούν η θ Β και μεγάλες γωνίες, >60 ο. Διαγράμματα R // (θ), R (θ), R(θ) = (R // (θ) + R (θ))/.

6 Οπτική Δράση Η περιστροφή του επιπέδου πόλωσης του προσπίπτοντος γραμμικά πολωμένου φωτός κατά τη διάδοσή του σε οπτικώς ενεργά υλικά. Τα μόρια ή οι κρύσταλλοι (ή και τα δύο) των οπτικώς ενεργών υλικών έχουν ελικοειδή δομή. Η κίνηση των ηλεκτρονίων κατά μήκος της έλικας αντιστοιχεί σε: E ένα παλλόμενο ηλεκτρικό δίπολο και... p() t ένα παλλόμενο μαγνητικό δίπολο. + Et () Γωνία στροφής E ot t Γενικά στο φαινόμενο παίζει ρόλο και το μαγνητικό πεδίο του Η/Μκύματος.

7 Οπτική Δράση Κατοπτρική συμμετρία (Στερεοϊσομέρεια) - Εναντιομερή Στερεοϊσομερή ελικοειδή μόρια που παράγονται στη φύση ή στο εργαστήριο σε δείγματα ίσων ποσοτήτων d και l δε παρουσιάζουν στροφική ικανότητα. ( t) ΣτηΦύσηόμωςπολλέςουσίες (π.χ. ζάχαρη, τα περισσότερα αμινοξέα κ.λ.π.) εμφανίζονται σε μία μόνο στερεοϊσομερή μορφή και τα διαλύματά τους εμφανίζουν στροφική ικανότητα. Et () E t tot () E ot t E μ Et () Εάν η οπτική ενεργότητα οφείλεται στην ελικοειδή κρυσταλλική δομή (χαλαζίας) η στροφική ικανότητα χάνεται με τη καταστροφή της (τήξη). Εάν οφείλεται στη ελικοειδή μοριακή δομή (ζάχαρη) παραμένει ακόμη και στα διαλύματα των οπτικά ενεργών ουσιών. l - otatoy d - otatoy

8 Για τα διαλύματα η γωνία στροφής θ (degees) του επιπέδου πόλωσης δίνεται από τη σχέση: θ = α L [C] Όπου: Οπτική Δράση [C], η συγκέντρωση της οπτικά ενεργού ουσίας (g/cm 3 ). L, το μήκος της διαδρομής του φωτός στο διάλυμα (cm). α, η στροφική ικανότητα της ουσίας (degees cm /g). H στροφική ικανότητα παρουσιάζει έντονη εξάρτηση από το μήκος κύματος (π.χ. χαλαζίας α λ - ). Πείραμα 5.4α. θ 1 Π 1 Π L lase Διάλυμα ζάχαρης Ανιχνευτής 0 ο -180 ο Ι Χωρίς το διάλυμα ζάχαρης τοποθετούμε τους πολωτές με τους άξονες τους κάθετα τον ένα ως προς τον άλλο. Δεν ανιχνεύεται φως. Με το διάλυμα ζάχαρης (τρεις διαφορετικές συγκεντρώσεις) στρέφουμε τον Π ώστε και πάλι να μην ανιχνεύεται φως. Μετρούμε τη γωνία στροφήςωςπροςτηπροηγούμενηθέση. Μετρούμε και το L. Βρίσκουμε τη [C] (δίδεται ότι α ζάχαρης = degees cm /g). Παίρνουμε μετρήσεις για θ 1 από -100 o έως +100 o (διάγραμμα).

9 Πόλωση από σκέδαση Κατά τη διάδοση Η/Μκυμάτων... στα διαφανή υγρά και στερεά....λόγω της πυκνής και κανονικής διάταξης των δομικών λίθων του υλικού, το συνιστάμενο κύμα από τις επιμέρους ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων έχει μέγιστη ένταση κατά τη κατεύθυνση του διαδιδόμενου κύματος. Σε όλες τις άλλες κατευθύνσεις τα επιμέρους κύματα συμβάλλουν καταστροφικά. στα αέρια....τα μόρια είναι ασύνδετα, απέχουν μεγάλες αποστάσεις και δρουν ανεξάρτητα και όχι συνεργατικά. Δεν υπάρχει προτιμητέα διεύθυνση κατά την οποία η συμβολή των επιμέρους κυμάτων να συμβάλλει ενισχυτικά. Υπάρχει περισσότερη πλευρική σκέδαση. Παλλόμενο ηλεκτρόνιο Κατά αυτή τη διεύθυνση δεν εκπέμπεται κύμα πολωμένο στο επίπεδο της διαφάνειας. Προσπίπτον Φυσικό Φως Μερικά πολωμένο Φως Επιπλέον, η σκέδαση εξαρτάται ισχυρά από το μέγεθος των σκεδαζόντων σωματιδίων και από το μήκος κύματος: Ι s λ -4.