Dzisiaj ujawnimy istotę falowej natury światła i związane z tym zjawisko „stopień polaryzacji”.
Zdolność widzenia i światła
Natura światła i związana z nią zdolność widzenia od dawna niepokoi ludzkie umysły. Starożytni Grecy, próbując wyjaśnić widzenie, założyli: albo oko emituje pewne „promienie”, które „wyczuwa” otaczające przedmioty i tym samym informuje człowieka o ich wyglądzie i kształcie, albo same rzeczy emitują coś, co ludzie łapią i oceniają, jak wszystko działa. Teorie okazały się dalekie od prawdy: żywe istoty widzą dzięki odbitemu światłu. Od uświadomienia sobie tego faktu do umiejętności obliczenia stopnia polaryzacji pozostał tylko jeden krok - zrozumienie, że światło jest falą.
Światło jest falą
Przy dokładniejszym badaniu światła okazało się, że przy braku zakłóceń rozchodzi się ono w linii prostej i nigdzie się nie obraca. Jeśli nieprzezroczysta przeszkoda staje na drodze wiązki, powstają cienie, a tam, gdzie pada samo światło, ludzie nie są zainteresowani. Ale gdy tylko promieniowanie zderzyło się z przezroczystym ośrodkiem, wydarzyły się niesamowite rzeczy: wiązka zmieniła kierunekrozłożone i przyciemnione. W 1678 roku H. Huygens zasugerował, że można to wytłumaczyć jednym faktem: światło jest falą. Naukowiec stworzył zasadę Huygensa, którą później uzupełnił Fresnel. Dzięki temu, co dziś ludzie wiedzą, jak określić stopień polaryzacji.
Zasada Huygensa-Fresnela
Zgodnie z tą zasadą, każdy punkt ośrodka, do którego dociera czoło fali, jest wtórnym źródłem spójnego promieniowania, a obwiednia wszystkich czoła tych punktów działa jak czoło fali w następnej chwili. Jeśli więc światło rozchodzi się bez zakłóceń, w każdej następnej chwili czoło fali będzie takie samo jak w poprzednim. Ale gdy tylko promień napotka przeszkodę, do gry wchodzi inny czynnik: w różnych mediach światło rozchodzi się z różnymi prędkościami. W ten sposób foton, który jako pierwszy zdołał dotrzeć do drugiego ośrodka, będzie się w nim rozchodził szybciej niż ostatni foton z wiązki. Dlatego czoło fali będzie się przechylać. Stopień polaryzacji nie ma jeszcze z tym nic wspólnego, ale po prostu konieczne jest pełne zrozumienie tego zjawiska.
Czas procesu
Należy powiedzieć osobno, że wszystkie te zmiany zachodzą niezwykle szybko. Prędkość światła w próżni wynosi trzysta tysięcy kilometrów na sekundę. Każde medium spowalnia światło, ale nie za bardzo. Czas, w którym czoło fali ulega zniekształceniu podczas przemieszczania się z jednego ośrodka do drugiego (na przykład z powietrza do wody) jest niezwykle krótki. Ludzkie oko tego nie zauważa, a niewiele urządzeń jest w stanie naprawić tak krótkiprocesy. Warto więc zrozumieć to zjawisko czysto teoretycznie. Teraz, w pełni świadomy czym jest promieniowanie, czytelnik będzie chciał zrozumieć, jak znaleźć stopień polaryzacji światła? Nie oszukujmy jego oczekiwań.
Polaryzacja światła
Wspomnieliśmy już powyżej, że fotony światła mają różne prędkości w różnych mediach. Ponieważ światło jest poprzeczną falą elektromagnetyczną (nie jest kondensacją i rozrzedzeniem ośrodka), ma dwie główne cechy:
- wektor falowy;
- amplituda (również wielkość wektorowa).
Pierwsza charakterystyka wskazuje, w którą stronę skierowana jest wiązka światła i powstaje wektor polaryzacji, czyli w którą stronę skierowany jest wektor natężenia pola elektrycznego. Umożliwia to obracanie się wokół wektora falowego. Światło naturalne, np. emitowane przez słońce, nie ma polaryzacji. Oscylacje są rozłożone we wszystkich kierunkach z równym prawdopodobieństwem, nie ma wybranego kierunku ani wzoru, wzdłuż którego oscyluje koniec wektora falowego.
Rodzaje światła spolaryzowanego
Zanim nauczysz się obliczać wzór na stopień polaryzacji i wykonać obliczenia, powinieneś zrozumieć, jakie są rodzaje światła spolaryzowanego.
- Polaryzacja eliptyczna. Koniec wektora falowego takiego światła opisuje elipsę.
- Polaryzacja liniowa. To szczególny przypadek pierwszej opcji. Jak sama nazwa wskazuje, obraz jest w jednym kierunku.
- Polaryzacja kołowa. W inny sposób nazywa się to również okrągłym.
Każde naturalne światło można przedstawić jako sumę dwóch wzajemnie prostopadłych elementów spolaryzowanych. Warto pamiętać, że dwie prostopadle spolaryzowane fale nie oddziałują na siebie. Ich ingerencja jest niemożliwa, ponieważ z punktu widzenia interakcji amplitud wydają się one dla siebie nie istnieć. Kiedy się spotykają, po prostu odchodzą bez zmiany.
Światło częściowo spolaryzowane
Zastosowanie efektu polaryzacji jest ogromne. Kierując naturalne światło na obiekt i otrzymując częściowo spolaryzowane światło, naukowcy mogą ocenić właściwości powierzchni. Ale jak określić stopień polaryzacji częściowo spolaryzowanego światła?
Istnieje wzór na N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), gdzie Itrans to natężenie światła w kierunku prostopadłym do płaszczyzny polaryzatora lub powierzchni odbijającej, a I par- równoległy. Wartość P może przyjmować wartości od 0 (dla naturalnego światła pozbawionego jakiejkolwiek polaryzacji) do 1 (dla promieniowania spolaryzowanego na płaszczyźnie).
Czy światło naturalne może być spolaryzowane?
Pytanie jest dziwne na pierwszy rzut oka. W końcu promieniowanie, w którym nie ma wyróżnionych kierunków, nazywa się zwykle naturalnym. Jednak dla mieszkańców powierzchni Ziemi jest to w pewnym sensie przybliżenie. Słońce daje strumień fal elektromagnetycznych o różnej długości. To promieniowanie nie jest spolaryzowane. Ale przemijanieprzez grubą warstwę atmosfery promieniowanie uzyskuje lekką polaryzację. Tak więc stopień polaryzacji światła naturalnego generalnie nie jest zerowy. Ale wartość jest tak mała, że często jest zaniedbywana. Jest brana pod uwagę tylko w przypadku precyzyjnych obliczeń astronomicznych, gdzie najmniejszy błąd może dodać lata do gwiazdy lub odległość do naszego układu.
Dlaczego światło polaryzuje?
Często mówiliśmy powyżej, że fotony zachowują się inaczej w różnych mediach. Ale nie wspomnieli dlaczego. Odpowiedź zależy od tego, o jakim środowisku mówimy, innymi słowy, w jakim jest stanie zagregowanym.
- Środek jest ciałem krystalicznym o strukturze ściśle okresowej. Zwykle struktura takiej substancji jest reprezentowana jako siatka ze stałymi kulkami - jonami. Ale generalnie nie jest to do końca dokładne. Takie przybliżenie jest często uzasadnione, ale nie w przypadku oddziaływania kryształu i promieniowania elektromagnetycznego. W rzeczywistości każdy jon oscyluje wokół swojej pozycji równowagi, a nie losowo, ale zgodnie z tym, jakimi sąsiadami ma, w jakich odległościach i w ilu. Ponieważ wszystkie te drgania są ściśle zaprogramowane przez sztywny ośrodek, jon ten może emitować pochłonięty foton tylko w ściśle określonej postaci. Z tego faktu wynika kolejny: jaka będzie polaryzacja wychodzącego fotonu zależy od kierunku, w którym wszedł on do kryształu. Nazywa się to anizotropią właściwości.
- Środa - płyn. Tutaj odpowiedź jest bardziej skomplikowana, ponieważ działają dwa czynniki - złożoność cząsteczek ifluktuacje (kondensacja-rozrzedzenie) gęstości. Same w sobie złożone długie cząsteczki organiczne mają określoną strukturę. Nawet najprostsze cząsteczki kwasu siarkowego nie są chaotycznym kulistym skrzepem, ale bardzo specyficznym kształtem krzyża. Inną rzeczą jest to, że w normalnych warunkach wszystkie są ułożone losowo. Jednak drugi czynnik (fluktuacja) jest w stanie stworzyć warunki, w których niewielka liczba cząsteczek tworzy w małej objętości coś w rodzaju tymczasowej struktury. W takim przypadku albo wszystkie cząsteczki będą współkierowane, albo zostaną umieszczone względem siebie pod pewnymi określonymi kątami. Jeśli światło w tym czasie przejdzie przez taki odcinek cieczy, nabierze częściowej polaryzacji. Prowadzi to do wniosku, że temperatura silnie wpływa na polaryzację cieczy: im wyższa temperatura, tym poważniejsze turbulencje i tym więcej takich obszarów będzie powstawać. Ostatni wniosek istnieje dzięki teorii samoorganizacji.
- Środa – gaz. W przypadku gazu jednorodnego polaryzacja następuje na skutek fluktuacji. Dlatego naturalne światło Słońca, przechodząc przez atmosferę, nabiera małej polaryzacji. I dlatego niebo ma kolor niebieski: średnia wielkość zagęszczonych elementów jest taka, że rozpraszane jest niebieskie i fioletowe promieniowanie elektromagnetyczne. Ale jeśli mamy do czynienia z mieszaniną gazów, to znacznie trudniej jest obliczyć stopień polaryzacji. Problemy te są często rozwiązywane przez astronomów, którzy badają światło gwiazdy, która przeszła przez gęsty molekularny obłok gazu. Dlatego tak trudne i interesujące jest badanie odległych galaktyk i gromad. Aleastronomowie radzą sobie i dają ludziom niesamowite zdjęcia przestrzeni kosmicznej.
