Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

поляризации п измерить степень поляризации. Схема экс­ перимента показана па рис. 67. Простейший комптонов­ ский поляриметр состоит из коллиматора у-квантов (нз свинца или вольфрама), рассеивателя (например, свинец или медь) и счетчика у-фотопов (папрпмер, гейгеровско­ го пли сцпитплляцпоппого).

Измерение круговой поляризации у-фотоиов сло?кпее, ио также возігожно. Круговая поляризация, в частности, позволяет судить об ориентации атомных ядер и опреде­ лять знак магнитного момента возбужденного уровня ядра.

Вектор

поляризации

Pue. G7. Схема комптоновско­ го поляриметра у-фотонов 1 — коллиматор; 2 — рассеи­

ватель; з — счетчик; 4 — плос­ кость рассеяния

Другим методом обнаружения поляризации у-лучей мо­ жет служить фотоэффект, ибо свойства вырываемых элект­ ронов зависят от поляризации падающих у-фотоиов.

Поляризация элементарных частиц

Корпускулярио-волповой дуализм пронизывает описание не только света, но и вещества. Подобно тому как частицы — фотоны в некоторых явлениях ведут себя как электромаг­ нитные волны, элементарные частицы (электроны, позитропы, нейтроны и др.) в аналогичных явлениях также проявляют волновые свойства.

Наиболее широко известное и наглядное среди таких явлений — дифракция частиц (например, электронов) на кристаллических решетках. Она совершенно аналогична дифракции электромагнитных волн рентгеновского диапа­ зона (с длинами волн порядка нескольких ангстрем) на решетках кристаллов или дифракции видимого света па оптических решетках. Но если элементарные частицы в

160

определенном аспекте являются волнами, то для них мож­ но ввести и рассмотреть понятие поляризации.

И уж если даже для у-фотонов (которые мы привыкли представлять электромагнитными волнами) оказалось спод­ ручнее квантовое описание поляризации, то тем более сле­ дует этого ожидать для элементарных частиц. Этому спо­ собствует еще одно обстоятельство. Волны, адекватные элементарным частицам, вовсе не обязаны быть строго по­ перечными, как электромагнитные волны, адекватные фотопам. Ясно, что это затруднит «волновое» описание их поляризация, аналогичное описанию поляризации света.

В общем виде под поляризацией частиц понимается на­ личие у них различных возможных состояний, связанных с различной ориентацией спина. Есть большое формальное сходство в квантовом описании поляризации частиц и фотопов, ио есть и существенные отличия. Спин фотона мо­ жет быть направлен лпбо вдоль импульса, либо против него. Другие ориентации абсолютно запрещены. В этой квантовой формулировке заключен тот смысл, что волны, соответствующие фотону, строго поперечны. Продольная составляющая у них невозможна.

Спин электрона равен 1/2 (в тех же единицах, в кото­ рых спин фотона равен 1). Так же, как и в случае фото­ нов, возможны только два квантовых дискретных спиновых состояния, только две ориентации спина по отношению к некоторому выбранному направлению — совпадающая с этим направлением либо противоположная ему. Однако в отличие от фотонов это выбранное направление вовсе не обязательно связано с направлением импульса.

Физическую сущность этого различия можно пояснить следующим образом. Частица с нулевой массой (фотоп) не может покоиться. Поэтому ее собственный момент количе­ ства движения (спин) имеет смысл лишь по отношению к направлению движения. А сппп электрона может быть направлен как коллипеарно импульсу (параллельно или антипараллелыю), так и перпендикулярно ему. В первом случае мы имеем дело с продольной поляризацией, во вто­ ром — с поперечной. В соответствии с такой терминологией нам следовало бы называть поляризацию фотонов строго продольной. В отношении фотонов этот термин в литера­ туре ле принят. Но если бы он и применялся, то не дол­ жен смущать. Речь ведь идет отнюдь не о продольных волнах (которые для фотонов как были, так и останутся

161

невозможными), а лишь об условном термине «продоль­ ная поляризация». В качестве общего термина взамен продольной поляризации как для фотонов, так и для элект­ ронов часто употребляют термин «сниралыіость» (поло­ жительная при параллельности спина и импульса, отрица­ тельная при аитипараллельности). Очень важно, что в различных взаимных превращениях фотонов и электронов спиральность сохраняется. К таким превращениям отно­ сится тормозное излучение фотонов электронами, рожде­ ние пар, фотоэффект и др. Эта взаимосвязь имеет большое

Рис. 08. Изменение поляриза­ ции пучка электронов в элек­ трическом поле

значение как в отношении общего описания явлении, так и в эксперименте, ибо бывает проще измерить поляризацию фотонов, а пе электронов, или наоборот. Продольная и по­ перечная поляризации электронов — не единственные воз­ можности поляризации. В качество осп квантования может быть выбрано и любое другое направление.

Методы создания, изменения и обнаружения поляри­ зации электронов основаны на взаимодействии их с ве­ ществом (главным образом разные виды рассеяния) либо с электрическим или магнитным полем.

Однородные электрическое и магнитное поля не соз­ дают ориентации спинов электронов. Их влияние сводит­ ся к вращению (прецессии) вектора спина вокруг неко­ торой оси. Поэтому неполярпзоваиный пучок, проходя через такое поле, так и остается неполяризованным.

Однако как электрическое, так и магнитное поле мо­ жет изменить имеющуюся поляризацию пучка.

Рассмотрим в качестве наглядного примера влияние поперечного радиального электрического поля на пучок

162

электронов с продольной полярлзацней. На рис. 68 сило­ вые липни электрического поля изображены пунктиром. Короткие сплошные стрелки показывают ориентацию спи­ на. Длинная сплошная стрелка — траектория электронов.

Суть воздействия электрического поля сводится к тому, что пучок электронов отклоняется, а направление спина остается неизменным. Вследствие этого поляризация пуч­ ка преобразуется из продольной в поперечную. Входящий пучок А поляризован продольно, а выходящий пучок В — поперечпо.

Это можно сравнить с преобразованием круговой поля­ ризации света в линейную, осуществляемым с помощью пластинки À/4.

В качестве другого любопытного примера влияния полей на поляризацию электронов упомянем действие продоль­ ного магнитного поля. Спин электрона в этом случае пре­ цессирует, как волчок, вокруг направления магнитного по­ ля. Этот случай представляет собой аналогию вращения плоскости поляризации света в оптически активной среде.

Основные методы получения поляризованных электрон­ ных пучков — рассеяние на тяжелых атомных ядрах, фо­ тоэффект при облучении циркулярно-поляризованным светом, излучение электронов ориентированными ядрами.

Интенсивность рассеянных пучков зависит от их поля­ ризации и может служить методом ее обнаружения. Эта задача, однако, на практике оказывается очень сложной. Физики считают, что значительно легче создать поляри­ зацию электронов, чем придумать опыт для ее обнаруже­ ния.

При двукратном последовательном рассеянии (или ка­ ком-нибудь ином поляризующем пучок электронов процес­ се) вся система опыта подобна совокупности поляризато­ ра и анализатора в обычной оптике.

особенности. Напрпмер, рассеяние на тяжелых атомных ядрах является средством создания и обнаружения поля­ ризации как электронов, так п позитронов, однако эффект для позитронов значительно меньше, чем для электронов. Это объясняется тем, что в основном поляризационные яв­ ления разыгрываются вблизи ядер, а в эту область атомов

163

ОГЛАВЛЕНИЕ

Впедеппе....................................................................

Глава I. Поляризация света..................................................

Природа света .......................................................

Поляризованный свет..............................................

Впды поляризации...................................................

Глава II. Анизотропия излучения атомов, молекул и кри­

сталлов .........................................................................

Поляризованная люминесценция.......................

Эффект Зеемана.......................................................

Свечение Вавилова — Черенкова...........................

Поляризация излучения лазеров...........................

Глава III. Анизотропия взаимодействия света со средой . .

Поляризация при отражении и преломлении

света ......................................................................

Двойное преломление света в кристаллах . . .

Искусственное двойное преломление..................

Дихроизм и вращение плоскости поляризации .

Поляризация при рассеянии света.......................

Глава IV. Анизотропия молекул, кристаллов и биологиче­

ских объектов ...........................................................

Экспериментальные методы измерения степени

поляризации и поворота плоскости поляризации

Поляризация люминесценции и дихроизм . .

Оптическая активность....................................

Двойное преломление ..............................................

Глава V. Оптическая анизотропия в природе.......................

Оптическая анизотропия атмосферы и гидро­

сферы ..........................................................................

Анизотропия органов зрения................................

Анизотропия астрономических объектов . . . .

166