Закон Брюстера: формулировка, следствия и применение

Поляризация света - удивительное и загадочное явление природы. Открытие закона Брюстера в начале 19 века позволило глубже понять суть этого феномена и его практическое применение в науке и технике. Давайте разберемся в формулировке, следствиях и использовании этого важного оптического закона.

Формулировка закона Брюстера

Закон Брюстера был открыт в 1815 году шотландским физиком и оптиком сэром Дэвидом Брюстером. Он обнаружил, что при определенном угле падения света на поверхность прозрачной среды отраженный луч полностью поляризуется в плоскости, перпендикулярной этой поверхности. Математически это выражается формулой:

tgφ = n

где φ - угол падения, при котором происходит поляризация отраженного луча, называемый углом Брюстера, а n - относительный показатель преломления среды.

Другими словами, если тангенс угла падения равен коэффициенту преломления среды, то падающий естественный свет после отражения оказывается полностью линейно поляризованным в плоскости, перпендикулярной поверхности. Это ключевое утверждение закона Брюстера.

Следствия закона Брюстера

Из формулировки закона Брюстера вытекает несколько важных следствий:

• Угол между отраженным и преломленным лучами всегда равен 90 градусов
• Отраженный луч при угле Брюстера полностью линейно поляризован
• Преломленный луч лишь частично поляризован в плоскости падения
• Значение угла Брюстера зависит от показателя преломления среды

При падении луча из воздуха на поверхность воды (n = 1,33) угол Брюстера составит около 53°, а для стекла (n = 1,5) - примерно 56°. Чем выше преломляющие свойства среды - тем больше значение этого угла.

Особенностью закона Брюстера является и то, что при выполнении условия полной внутренней поляризации отраженного луча, коэффициент отражения обращается в ноль. Иными словами, отражения света фактически не происходит, вся энергия уходит в преломленный луч. Это явление называют полным внутренним отражением.

Физическое объяснение закона

Для понимания физической природы закона Брюстера важно учитывать поперечный характер электромагнитных волн, к которым относится и свет. Это значит, что направления колебаний электрического и магнитного полей перпендикулярны по отношению к направлению распространения волны.

При падении света на границу раздела двух сред, электрическое поле падающей волны вызывает когерентные колебания электронов и других заряженных частиц преломляющей среды. Эти колебания и являются источником вторичного излучения - отраженного и преломленного лучей.

Детальный анализ поведения отдельных компонент электрического вектора E позволяет показать, что при выполнении условия закона Брюстера, в отраженной волне остается лишь компонента перпендикулярная падению E⊥. А компонента лежащая в плоскости падения E|| полностью отсутствует. Это и есть поляризация отраженного излучения.

Экспериментальные доказательства

Сам Дэвид Брюстер провел классический эксперимент по проверке открытого им закона. Он использовал стеклянную призму, на которую под разными углами падали лучи от источника естественного света. Измеряя степень поляризации отраженного излучения, ученый подтвердил, что при угле 56° (угол Брюстера для стекла) отраженный луч оказывается полностью поляризованным.

В дальнейших опытах закон проверяли для различных оптических материалов, включая воду, кварц, слюду и другие. Каждый раз значение угла Брюстера соответствовало теоретическим предсказаниям для данного показателя преломления.

Тщательные исследования также подтвердили, что не только видимый, но и инфракрасный или ультрафиолетовый свет подчиняется этому закону. Эксперименты по наблюдению закона Брюстера проводят и в наши дни, применяя современные лазеры и высокоточные измерительные приборы.

Применение закона Брюстера

Явление полной поляризации отраженного луча при определенном угле падения нашло широкое применение в различных оптических устройствах и технологиях. Рассмотрим лишь некоторые примеры.

Поляризационные приспособления

Для усиления эффекта, открытого Брюстером, используют специальные поляризаторы. Наиболее известна стопа Столетова - устройство, состоящее из нескольких тонких стеклянных пластинок, соединенных под небольшим углом.

Нерешенные вопросы

Несмотря на двухвековую историю изучения, закон Брюстера до конца не понят и по сей день. У ученых остается множество вопросов фундаментального характера.

Например, до сих пор вызывает споры природа частичной поляризации преломленного луча. Существующие теории не могут точно объяснить этот эффект. Требуют уточнения и некоторые количественные соотношения, вытекающие из закона Брюстера.

Перспективы дальнейших исследований

Ученые продолжают искать ответы на открытые вопросы, связанные с законом Брюстера. Проводятся теоретические изыскания для построения более совершенных моделей этого явления. Разрабатываются оригинальные экспериментальные подходы.

В частности, большие надежды связаны с использованием фемтосекундных лазеров, позволяющих исследовать поляризацию отраженного излучения в реальном времени с недоступным ранее разрешением. Эти работы могут пролить свет на процессы возникновения вторичных волн при отражении света от границы раздела диэлектриков.