Danes bomo razkrili bistvo valovne narave svetlobe in pojav "stopnje polarizacije", ki je povezan s tem dejstvom.
Zmožnost videti in osvetliti
Narava svetlobe in z njo povezana sposobnost videnja že dolgo skrbita človeške ume. Stari Grki, ki so poskušali razložiti vid, so domnevali: bodisi oko oddaja določene "žarke", ki "čutijo" okoliške predmete in s tem obvestijo osebo o njihovem videzu in obliki, ali pa stvari same oddajajo nekaj, kar ljudje ujamejo in presodijo, kako vse deluje. Izkazalo se je, da so teorije daleč od resnice: živa bitja vidijo zahvaljujoč odsevni svetlobi. Od spoznanja tega dejstva do tega, da smo lahko izračunali, kakšna je stopnja polarizacije, je ostal en korak - razumeti, da je svetloba val.
Svetloba je val
Pri podrobnejši študiji svetlobe se je izkazalo, da se brez motenj širi v ravni črti in se ne obrača nikamor. Če snopu na poti pride nepregledna ovira, nastanejo sence in kam gre sama svetloba, ljudi ni zanimalo. Toda takoj, ko je sevanje trčilo v prosojni medij, so se zgodile neverjetne stvari: žarek je spremenil smerrazširjena in zatemnjena. Leta 1678 je H. Huygens predlagal, da je to mogoče razložiti z enim samim dejstvom: svetloba je val. Znanstvenik je oblikoval Huygensov princip, ki ga je kasneje dopolnil Fresnel. Zahvaljujoč temu, kar ljudje danes vedo, kako določiti stopnjo polarizacije.
Huygens-Fresnelov princip
Po tem principu je katera koli točka medija, ki jo doseže valovna fronta, sekundarni vir koherentnega sevanja, ovojnica vseh front teh točk pa deluje kot valovna fronta v naslednjem trenutku. Torej, če se svetloba širi brez motenj, bo v vsakem naslednjem trenutku valovna fronta enaka kot v prejšnjem. Toda takoj, ko žarek sreča oviro, pride v poštev še en dejavnik: v različnih medijih se svetloba širi z različnimi hitrostmi. Tako se bo foton, ki mu je uspelo prvi priti do drugega medija, v njem širil hitreje kot zadnji foton iz žarka. Zato se bo valovna fronta nagnila. Stopnja polarizacije še nima nič opraviti s tem, vendar je preprosto potrebno ta pojav v celoti razumeti.
čas postopka
Ločeno je treba povedati, da se vse te spremembe dogajajo neverjetno hitro. Hitrost svetlobe v vakuumu je tristo tisoč kilometrov na sekundo. Vsak medij upočasni svetlobo, vendar ne veliko. Čas, v katerem se valovna fronta popači pri premikanju iz enega medija v drugega (na primer iz zraka v vodo), je izjemno kratek. Človeško oko tega ne opazi in le malo naprav je sposobno popraviti tako kratkoprocesov. Zato je vredno razumeti pojav zgolj teoretično. Zdaj, ko se popolnoma zaveda, kaj je sevanje, bo bralec želel razumeti, kako najti stopnjo polarizacije svetlobe? Ne zavajajmo njegovih pričakovanj.
Polarizacija svetlobe
Zgoraj smo že omenili, da imajo fotoni svetlobe različne hitrosti v različnih medijih. Ker je svetloba prečno elektromagnetno valovanje (ne gre za kondenzacijo in redčenje medija), ima dve glavni značilnosti:
- valovni vektor;
- amplituda (tudi vektorska količina).
Prva značilnost označuje, kam je usmerjen svetlobni žarek in nastane polarizacijski vektor, to je, v katero smer je usmerjen vektor jakosti električnega polja. To omogoča vrtenje okoli valovnega vektorja. Naravna svetloba, kot je tista, ki jo oddaja sonce, nima polarizacije. Nihanja so razporejena v vse smeri z enako verjetnostjo, ni izbrane smeri ali vzorca, vzdolž katerega bi nihal konec valovnega vektorja.
Vrste polarizirane svetlobe
Preden se naučite izračunati formulo za stopnjo polarizacije in narediti izračune, morate razumeti, katere vrste polarizirane svetlobe so.
- Eliptična polarizacija. Konec valovnega vektorja takšne svetlobe opisuje elipso.
- Linearna polarizacija. To je poseben primer prve možnosti. Kot že ime pove, je slika enosmerna.
- Krožna polarizacija. Na drug način se imenuje tudi krožna.
Vsako naravno svetlobo lahko predstavimo kot vsoto dveh medsebojno pravokotnih polariziranih elementov. Ne smemo pozabiti, da dva pravokotno polarizirana vala ne delujeta. Njihovo vmešavanje je nemogoče, saj se z vidika interakcije amplitud zdi, da ne obstajata drug za drugega. Ko se srečata, gresta naprej, ne da bi se spremenila.
delno polarizirana svetloba
Učinek polarizacije je velik. Z usmerjanjem naravne svetlobe na predmet in prejemanjem delno polarizirane svetlobe lahko znanstveniki presojajo lastnosti površine. Toda kako določite stopnjo polarizacije delno polarizirane svetlobe?
Obstaja formula za N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(jalan+I par), kjer je Itrans jakost svetlobe v smeri, pravokotni na ravnino polarizatorja ali odsevne površine, in I par- vzporedno. Vrednost P ima lahko vrednosti od 0 (za naravno svetlobo brez kakršne koli polarizacije) do 1 (za ravno polarizirano sevanje).
Ali je mogoče naravno svetlobo polarizirati?
Vprašanje je na prvi pogled čudno. Navsezadnje se sevanje, v katerem ni razločenih smeri, običajno imenujemo naravno. Vendar je za prebivalce zemeljskega površja to v nekem smislu približek. Sonce daje tok elektromagnetnih valov različnih dolžin. To sevanje ni polarizirano. Ampak mimoskozi debelo plast atmosfere sevanje pridobi rahlo polarizacijo. Torej stopnja polarizacije naravne svetlobe na splošno ni nič. Toda vrednost je tako majhna, da je pogosto zanemarjena. Upošteva se le v primeru natančnih astronomskih izračunov, kjer lahko že najmanjša napaka zvezdi doda leta ali razdaljo do našega sistema.
Zakaj se svetloba polarizira?
Zgoraj smo pogosto rekli, da se fotoni v različnih medijih obnašajo drugače. Niso pa omenili zakaj. Odgovor je odvisen od tega, o kakšnem okolju govorimo, z drugimi besedami, v kakšnem agregatnem stanju je.
- Medij je kristalno telo s strogo periodično strukturo. Običajno je struktura takšne snovi predstavljena kot mreža s fiksnimi kroglicami - ioni. Toda na splošno to ni povsem točno. Takšen približek je pogosto upravičen, vendar ne v primeru interakcije kristala in elektromagnetnega sevanja. Pravzaprav vsak ion niha okoli svojega ravnotežnega položaja, in to ne naključno, ampak v skladu s tem, kakšne sosede ima, na kakšnih razdaljah in koliko jih. Ker so vse te vibracije strogo programirane s togim medijem, je ta ion sposoben oddajati absorbirani foton le v strogo določeni obliki. To dejstvo povzroča drugo: kakšna bo polarizacija odhajajočega fotona, je odvisno od smeri, v kateri je vstopil v kristal. To se imenuje anizotropija lastnosti.
- sreda - tekoča. Tukaj je odgovor bolj zapleten, saj delujeta dva dejavnika - kompleksnost molekul innihanja (kondenzacija-redčenje) gostote. Same po sebi imajo kompleksne dolge organske molekule določeno strukturo. Tudi najpreprostejše molekule žveplove kisline niso kaotičen sferični strdek, ampak zelo specifična križna oblika. Druga stvar je, da so v normalnih pogojih vsi razporejeni naključno. Vendar pa lahko drugi dejavnik (fluktuacija) ustvari pogoje, pod katerimi majhno število molekul tvori v majhnem volumnu nekaj podobnega začasni strukturi. V tem primeru bodo bodisi vse molekule sousmerjene ali pa bodo nameščene druga glede na drugo pod določenimi koti. Če svetloba v tem trenutku prehaja skozi tak del tekočine, bo pridobila delno polarizacijo. To vodi do zaključka, da temperatura močno vpliva na polarizacijo tekočine: višja kot je temperatura, resnejša je turbulenca in več takšnih območij bo nastalo. Zadnji zaključek obstaja zahvaljujoč teoriji samoorganizacije.
- sreda - plin. V primeru homogenega plina pride do polarizacije zaradi nihanj. Zato naravna svetloba Sonca, ki prehaja skozi atmosfero, pridobi majhno polarizacijo. In zato je barva neba modra: povprečna velikost zgoščenih elementov je taka, da se modro in vijolično elektromagnetno sevanje razprši. Če pa imamo opravka z mešanico plinov, potem je veliko težje izračunati stopnjo polarizacije. Te težave pogosto rešujejo astronomi, ki preučujejo svetlobo zvezde, ki je prešla skozi gost molekularni oblak plina. Zato je tako težko in zanimivo preučevati oddaljene galaksije in kopice. Ampakastronomi se spopadajo in ljudem dajejo neverjetne fotografije globokega vesolja.
