科學(xué)百科75期丨什么是偏振光？

本期為大家?guī)?lái)：

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問(wèn)題》

本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語(yǔ)言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對(duì)這些問(wèn)題的來(lái)龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒(méi)有希望得到解決等問(wèn)題均作了回答。

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第七十五個(gè)問(wèn)題：

什么是偏振光？

光可以看作是由一些微小的波構(gòu)成的。這些波可以在任何一個(gè)平面上振動(dòng)。在一個(gè)特定的光束中，有些波可以上下振動(dòng)，有些波左右振動(dòng)，有些波則沿對(duì)角方向振動(dòng)。它們的振動(dòng)方向可能均勻地分布在所有各個(gè)方向上，沒(méi)有一個(gè)振動(dòng)平面占優(yōu)勢(shì)或者在光波中比其他平面占有更大的份額——普通的太陽(yáng)光或電燈泡的光都是這樣。

可是，現(xiàn)在讓我們?cè)O(shè)想光穿過(guò)一塊透明的晶體。晶體是由排成規(guī)整的行列和平面的原子或原子團(tuán)構(gòu)成的。因此，光波會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它的振動(dòng)平面恰巧能塞進(jìn)兩個(gè)原子平面之間時(shí)，它就很容易通過(guò)這塊晶體。要是它的振動(dòng)平面與原子的平面成一個(gè)角度，它就會(huì)撞在原子上，因此，光波就要消耗很多能量方能繼續(xù)振動(dòng)下去。這樣的光會(huì)局部或全部被吸收掉。

你可以用下面的辦法想到這是一種什么景象：試想像你把一根繩子的一頭拴在鄰居院子里的樹(shù)上，另一頭拿在你手里。再假定繩子是從籬笆的兩根竹子的正當(dāng)中穿過(guò)去的。好了，如果你現(xiàn)在拿繩子上下波動(dòng)，這些波就會(huì)從兩根竹子之間通過(guò)，并從你的手傳到那棵樹(shù)上。這時(shí)，那座籬笆對(duì)你的波來(lái)說(shuō)是“透明的”。但是，要是你讓繩子左右波動(dòng)，繩子就會(huì)撞在兩根竹子上，波就不會(huì)通過(guò)籬笆了。

有些晶體能夠強(qiáng)迫光波把所有能量分成兩束分離的光線。這時(shí)振動(dòng)平面就不再均勻分布了。在其中的一個(gè)光束中，所有的波都在一個(gè)特定的平面上振動(dòng)；而在另一個(gè)光束中，所有的波都在與第一束光的平面成直角的平面上振動(dòng)：不可能出現(xiàn)任何對(duì)角方向的振動(dòng)。

當(dāng)光波被迫在某一特定的平面上振動(dòng)時(shí)，我們就說(shuō)這樣的光是“面偏振光”，或簡(jiǎn)單地稱它為“偏振光”。而朝著所有各個(gè)方向振動(dòng)的普通光都是“非偏振光”。西方國(guó)家把偏振光稱為“極化光”。

為什么叫做“極化光”呢？當(dāng)這種現(xiàn)象在1908年第一次定名時(shí)，那個(gè)發(fā)明這個(gè)名稱的法國(guó)工程師馬呂斯關(guān)于光的本性有一個(gè)錯(cuò)誤的理論。他認(rèn)為，光是由一些像磁鐵那樣有南北極的粒子組成的。他想，那種從晶體中穿過(guò)的光，可能是南北極的方向全部相同。這種想法后來(lái)被證明是錯(cuò)的，但那個(gè)名稱卻已被人們牢牢地記住，無(wú)法再改變了。

當(dāng)一塊晶體產(chǎn)生偏振平面各不相同的兩束光時(shí)，這兩束光具有稍稍不同的性質(zhì)。它們?cè)谕ㄟ^(guò)晶體時(shí)所受到的偏折的大小可能不一樣。因此，我們可以想法設(shè)計(jì)出一塊晶體，讓它把一束光完全反射掉，而只讓另一束光全部通過(guò)它。

在利用某些晶體時(shí)只有一束光能通過(guò)，是因?yàn)榱硪皇獗晃盏舳D(zhuǎn)化為熱。偏振眼鏡片（它是在塑料中嵌入許多細(xì)小的這類晶體）就是以上述方式吸收掉許多光，由于這種鏡片著色，吸收掉的光就更多了。這種鏡片就是這樣消除眩目的強(qiáng)光的。

當(dāng)偏振光通過(guò)含有某種不對(duì)稱分子的溶液時(shí)，它的振動(dòng)平面會(huì)被扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度?；瘜W(xué)家根據(jù)這種扭轉(zhuǎn)的方向和角度的大小，就能夠?qū)@種分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)做出許多推斷，特別是對(duì)于有機(jī)化合物的分子更是如此。正因?yàn)檫@樣，偏振光對(duì)于化學(xué)理論來(lái)說(shuō)，一直是極其重要的。