Astăzi vom dezvălui esența naturii ondulatorii a luminii și fenomenul „grad de polarizare” legat de acest fapt.
Abilitatea de a vedea și lumina
Natura luminii și capacitatea de a vedea asociată cu aceasta a îngrijorat mintea umană de mult timp. Grecii antici, încercând să explice viziunea, au presupus: fie ochiul emite anumite „raze” care „simt” obiectele din jur și, prin urmare, informează persoana despre aspectul și forma lor, fie lucrurile în sine emit ceva pe care oamenii îl prind și judecă cum totul. lucrari. Teoriile s-au dovedit a fi departe de adevăr: ființele vii văd datorită luminii reflectate. De la realizarea acestui fapt și până la a putea calcula care este gradul de polarizare, a mai rămas un pas - să înțelegem că lumina este o undă.
Lumina este un val
Cu un studiu mai detaliat al luminii, s-a dovedit că, în absența interferenței, aceasta se propagă în linie dreaptă și nu se întoarce nicăieri. Dacă un obstacol opac intervine în calea fasciculului, atunci se formează umbre și acolo unde se duce lumina însăși, oamenii nu au fost interesați. Dar, de îndată ce radiația s-a ciocnit cu un mediu transparent, s-au întâmplat lucruri uimitoare: fasciculul și-a schimbat direcțiarăspândit și estompat. În 1678, H. Huygens a sugerat că acest lucru poate fi explicat printr-un singur fapt: lumina este o undă. Omul de știință a format principiul Huygens, care a fost completat ulterior de Fresnel. Datorită a ceea ce oamenii de astăzi știu să determine gradul de polarizare.
Principiul Huygens-Fresnel
Conform acestui principiu, orice punct al mediului atins de frontul de undă este o sursă secundară de radiație coerentă, iar învelișul tuturor fronturilor acestor puncte acționează ca front de undă în următorul moment de timp. Astfel, dacă lumina se propagă fără interferență, în fiecare moment următor frontul de undă va fi același ca în cel precedent. Dar de îndată ce fasciculul întâlnește un obstacol, un alt factor intră în joc: în medii diferite, lumina se propagă la viteze diferite. Astfel, fotonul care a reușit să ajungă primul în celăl alt mediu se va propaga în el mai repede decât ultimul foton din fascicul. Prin urmare, frontul de undă se va înclina. Gradul de polarizare nu are încă nimic de-a face cu el, dar este pur și simplu necesar să înțelegem pe deplin acest fenomen.
Timp proces
Ar trebui spus separat că toate aceste schimbări au loc incredibil de rapid. Viteza luminii în vid este de trei sute de mii de kilometri pe secundă. Orice mediu încetinește lumina, dar nu cu mult. Timpul în care frontul de undă este distorsionat la trecerea de la un mediu la altul (de exemplu, de la aer la apă) este extrem de scurt. Ochiul uman nu poate observa acest lucru și puține dispozitive sunt capabile să repare așa scurteproceselor. Deci, merită să înțelegem fenomenul pur teoretic. Acum, pe deplin conștient de ce este radiația, cititorul va dori să înțeleagă cum să găsească gradul de polarizare a luminii? Să nu-i înșelam așteptările.
Polarizarea luminii
Am menționat deja mai sus că fotonii luminii au viteze diferite în medii diferite. Deoarece lumina este o undă electromagnetică transversală (nu este o condensare și rarefacție a mediului), ea are două caracteristici principale:
- vector val;
- amplitudine (de asemenea o cantitate vectorială).
Prima caracteristică indică unde este îndreptat fasciculul de lumină și apare vectorul de polarizare, adică în ce direcție este îndreptat vectorul intensității câmpului electric. Acest lucru face posibilă rotirea în jurul vectorului de undă. Lumina naturală, cum ar fi cea emisă de soare, nu are polarizare. Oscilațiile sunt distribuite în toate direcțiile cu probabilitate egală, nu există o direcție sau un model ales de-a lungul căruia oscilează capătul vectorului de undă.
Tipuri de lumină polarizată
Înainte de a învăța cum să calculați formula pentru gradul de polarizare și să faceți calcule, ar trebui să înțelegeți ce tipuri de lumină polarizată sunt.
- Polarizare eliptică. Sfârșitul vectorului de undă al unei astfel de lumini descrie o elipsă.
- Polarizare liniară. Acesta este un caz special al primei opțiuni. După cum sugerează și numele, imaginea are o singură direcție.
- Polarizare circulară. Într-un alt mod, este numit și circular.
Orice lumină naturală poate fi reprezentată ca suma a două elemente polarizate reciproc perpendiculare. Merită să ne amintim că două unde polarizate perpendicular nu interacționează. Interferența lor este imposibilă, deoarece din punctul de vedere al interacțiunii amplitudinilor, ele nu par să existe unul pentru celăl alt. Când se întâlnesc, pur și simplu trec fără să se schimbe.
Lumină parțial polarizată
Aplicarea efectului de polarizare este uriașă. Prin direcționarea luminii naturale către un obiect și primirea luminii parțial polarizate, oamenii de știință pot judeca proprietățile suprafeței. Dar cum se determină gradul de polarizare a luminii parțial polarizate?
Există o formulă pentru N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), unde Itrans este intensitatea luminii în direcția perpendiculară pe planul polarizatorului sau al suprafeței reflectorizante și I par- paralel. Valoarea P poate lua valori de la 0 (pentru lumina naturală lipsită de orice polarizare) la 1 (pentru radiația polarizată plană).
Lumina naturală poate fi polarizată?
Întrebarea este ciudată la prima vedere. La urma urmei, radiația în care nu există direcții distinse este de obicei numită naturală. Cu toate acestea, pentru locuitorii de pe suprafața Pământului, aceasta este într-un anumit sens o aproximare. Soarele dă un flux de unde electromagnetice de diferite lungimi. Această radiație nu este polarizată. Dar trecândprintr-un strat gros al atmosferei, radiatia capata o usoara polarizare. Deci, gradul de polarizare a luminii naturale nu este în general zero. Dar valoarea este atât de mică încât este adesea neglijată. Se ia în considerare doar în cazul calculelor astronomice precise, unde cea mai mică eroare poate adăuga ani stelei sau distanța la sistemul nostru.
De ce se polarizează lumina?
Am spus adesea mai sus că fotonii se comportă diferit în medii diferite. Dar nu au menționat de ce. Răspunsul depinde de ce fel de mediu vorbim, cu alte cuvinte, în ce stare agregată se află.
- Mediul este un corp cristalin cu o structură strict periodică. De obicei, structura unei astfel de substanțe este reprezentată ca o rețea cu bile fixe - ioni. Dar, în general, acest lucru nu este complet corect. O astfel de aproximare este adesea justificată, dar nu și în cazul interacțiunii dintre un cristal și radiația electromagnetică. De fapt, fiecare ion oscilează în jurul poziției sale de echilibru, și nu întâmplător, ci în funcție de ce vecini are, la ce distanțe și câți dintre ei. Deoarece toate aceste vibrații sunt strict programate de un mediu rigid, acest ion este capabil să emită un foton absorbit doar într-o formă strict definită. Acest fapt dă naștere la altul: care va fi polarizarea fotonului de ieșire depinde de direcția în care acesta a intrat în cristal. Aceasta se numește anizotropie de proprietate.
- Miercuri - lichid. Aici răspunsul este mai complicat, deoarece doi factori sunt la lucru - complexitatea moleculelor șifluctuaţii (condensare-rarefacţie) de densitate. În sine, moleculele organice lungi complexe au o anumită structură. Chiar și cele mai simple molecule de acid sulfuric nu sunt un cheag sferic haotic, ci o formă cruciformă foarte specifică. Un alt lucru este că în condiții normale sunt toate aranjate aleatoriu. Cu toate acestea, al doilea factor (fluctuația) este capabil să creeze condiții în care un număr mic de molecule formează într-un volum mic ceva ca o structură temporară. În acest caz, fie toate moleculele vor fi co-direcționate, fie vor fi localizate una față de alta la anumite unghiuri specifice. Dacă lumina trece în acest moment printr-o astfel de secțiune a lichidului, va dobândi polarizare parțială. Aceasta duce la concluzia că temperatura afectează puternic polarizarea lichidului: cu cât temperatura este mai mare, cu atât turbulențele sunt mai grave și cu atât se vor forma mai multe astfel de zone. Ultima concluzie există datorită teoriei auto-organizării.
- Miercuri - benzină. În cazul unui gaz omogen, polarizarea are loc din cauza fluctuațiilor. De aceea, lumina naturală a Soarelui, trecând prin atmosferă, capătă o mică polarizare. Și de aceea culoarea cerului este albastră: dimensiunea medie a elementelor compactate este astfel încât radiația electromagnetică albastră și violetă este împrăștiată. Dar dacă avem de-a face cu un amestec de gaze, atunci este mult mai dificil de calculat gradul de polarizare. Aceste probleme sunt adesea rezolvate de astronomii care studiază lumina unei stele care a trecut printr-un nor molecular dens de gaz. Prin urmare, este atât de dificil și interesant să studiezi galaxiile și clusterele îndepărtate. Darastronomii fac față și oferă oamenilor fotografii uimitoare ale spațiului adânc.
