Idag kommer vi att avslöja essensen av ljusets vågnatur och fenomenet "grad av polarisering" relaterat till detta faktum.
Förmågan att se och ljus
Ljusets natur och förmågan att se i samband med det har oroat mänskliga sinnen under lång tid. De gamla grekerna, som försökte förklara synen, antog: antingen sänder ögat ut vissa "strålar" som "känner" de omgivande föremålen och därigenom informerar personen om deras utseende och form, eller så avger sakerna själva något som människor fångar och bedömer hur allting fungerar. Teorier visade sig vara långt ifrån sanningen: levande varelser ser tack vare reflekterat ljus. Från att inse detta faktum till att kunna beräkna vilken grad av polarisation är, var det ett steg kvar - att förstå att ljus är en våg.
Ljus är en våg
Med en mer detaljerad studie av ljuset visade det sig att i frånvaro av störningar så fortplantar det sig i en rak linje och vänder sig inte någonstans. Om ett ogenomskinligt hinder kommer i vägen för strålen, så bildas skuggor, och där själva ljuset går var folk inte intresserade. Men så fort strålningen kolliderade med ett transparent medium hände fantastiska saker: strålen ändrade riktningspreds och dämpas. År 1678 föreslog H. Huygens att detta kan förklaras av ett enda faktum: ljus är en våg. Forskaren bildade Huygens-principen, som senare kompletterades av Fresnel. Tack vare vad människor idag vet hur man bestämmer graden av polarisering.
Huygens-Fresnel-principen
I enlighet med denna princip är varje punkt i mediet som nås av vågfronten en sekundär källa för koherent strålning, och enveloppen för alla fronter av dessa punkter fungerar som vågfronten vid nästa tidpunkt. Således, om ljus utbreder sig utan störningar, kommer vågfronten vid varje nästa ögonblick att vara densamma som vid den föregående. Men så fort strålen möter ett hinder spelar en annan faktor in: i olika medier fortplantar ljus sig med olika hastigheter. Således kommer fotonen som lyckades nå det andra mediet först att fortplanta sig i det snabbare än den sista fotonen från strålen. Därför kommer vågfronten att luta. Graden av polarisering har inget med det att göra ännu, men det är helt enkelt nödvändigt att helt förstå detta fenomen.
Processtid
Det ska sägas separat att alla dessa förändringar sker otroligt snabbt. Ljusets hastighet i vakuum är trehundratusen kilometer per sekund. Vilket medium som helst saktar ner ljuset, men inte mycket. Den tid under vilken vågfronten förvrängs när den flyttas från ett medium till ett annat (till exempel från luft till vatten) är extremt kort. Det mänskliga ögat kan inte märka detta, och få enheter kan fixa så kortaprocesser. Så det är värt att förstå fenomenet rent teoretiskt. Nu, helt medveten om vad strålning är, kommer läsaren att vilja förstå hur man hittar graden av polarisering av ljus? Låt oss inte lura hans förväntningar.
Polarisering av ljus
Vi har redan nämnt ovan att fotoner av ljus har olika hastigheter i olika medier. Eftersom ljus är en tvärgående elektromagnetisk våg (det är inte en kondensation och försämring av mediet), har det två huvudegenskaper:
- vågvektor;
- amplitud (även en vektorkvantitet).
Den första egenskapen indikerar vart ljusstrålen är riktad, och polarisationsvektorn uppstår, det vill säga i vilken riktning vektorn för elektrisk fältstyrka är riktad. Detta gör det möjligt att rotera runt vågvektorn. Naturligt ljus, som det som sänds ut av solen, har ingen polarisering. Oscillationer är fördelade i alla riktningar med lika sannolikhet, det finns ingen vald riktning eller mönster längs vilken änden av vågvektorn svänger.
Typer av polariserat ljus
Innan du lär dig hur du beräknar formeln för polarisationsgraden och gör beräkningar bör du förstå vilka typer av polariserat ljus som är.
- Elliptisk polarisering. Änden av vågvektorn för sådant ljus beskriver en ellips.
- Linjär polarisering. Detta är ett specialfall av det första alternativet. Som namnet antyder är bilden en riktning.
- Cirkulär polarisering. På ett annat sätt kallas det också cirkulärt.
Allt naturligt ljus kan representeras som summan av två ömsesidigt vinkelräta polariserade element. Det är värt att komma ihåg att två vinkelrätt polariserade vågor inte interagerar. Deras interferens är omöjligt, eftersom ur synvinkeln av interaktionen av amplituder verkar de inte existera för varandra. När de träffas går de bara vidare utan att ändra sig.
Delvis polariserat ljus
Tillämpningen av polarisationseffekten är enorm. Genom att rikta naturligt ljus mot ett föremål och ta emot delvis polariserat ljus kan forskare bedöma ytans egenskaper. Men hur bestämmer man graden av polarisering av delvis polariserat ljus?
Det finns en formel för N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), där Itrans är ljusintensiteten i riktningen vinkelrät mot polarisatorns eller den reflekterande ytans plan, och I par- parallell. P-värdet kan ta värden från 0 (för naturligt ljus utan någon polarisation) till 1 (för plan polariserad strålning).
Kan naturligt ljus polariseras?
Frågan är märklig vid första anblicken. När allt kommer omkring kallas strålning där det inte finns några särskiljande riktningar för naturlig. Men för invånarna på jordens yta är detta i någon mening en approximation. Solen ger en ström av elektromagnetiska vågor av olika längd. Denna strålning är inte polariserad. Men förbigåendegenom ett tjockt lager av atmosfären får strålningen en liten polarisering. Så graden av polarisering av naturligt ljus är i allmänhet inte noll. Men värdet är så litet att det ofta försummas. Det beaktas endast vid exakta astronomiska beräkningar, där det minsta felet kan lägga till år till stjärnan eller avstånd till vårt system.
Varför polariseras ljus?
Vi har ofta sagt ovan att fotoner beter sig olika i olika medier. Men de nämnde inte varför. Svaret beror på vilken typ av miljö vi pratar om, med andra ord i vilket aggregerat tillstånd det är.
- Mediet är en kristallin kropp med en strikt periodisk struktur. Vanligtvis representeras strukturen av ett sådant ämne som ett gitter med fasta kulor - joner. Men i allmänhet är detta inte helt korrekt. En sådan approximation är ofta motiverad, men inte i fallet med växelverkan mellan en kristall och elektromagnetisk strålning. Faktum är att varje jon svänger runt sin jämviktsposition, och inte slumpmässigt, utan i enlighet med vilka grannar den har, på vilka avstånd och hur många av dem. Eftersom alla dessa vibrationer är strikt programmerade av ett styvt medium, är denna jon kapabel att sända ut en absorberad foton endast i en strikt definierad form. Detta faktum ger upphov till ett annat: vad som blir polariseringen av den utgående fotonen beror på i vilken riktning den kom in i kristallen. Detta kallas egenskapsanisotropi.
- Onsdag - flytande. Här är svaret mer komplicerat, eftersom två faktorer spelar in - molekylernas komplexitet ochfluktuationer (kondensation-rarefaktion) av densitet. I sig har komplexa långa organiska molekyler en viss struktur. Även de enklaste molekylerna av svavelsyra är inte en kaotisk sfärisk koagel, utan en mycket specifik korsform. En annan sak är att under normala förhållanden är de alla ordnade slumpmässigt. Den andra faktorn (fluktuation) kan dock skapa förhållanden under vilka ett litet antal molekyler bildar i en liten volym något som liknar en tillfällig struktur. I det här fallet kommer antingen alla molekyler att vara samriktade, eller så kommer de att vara placerade i förhållande till varandra i vissa specifika vinklar. Om ljus vid denna tidpunkt passerar genom en sådan del av vätskan kommer det att få partiell polarisering. Detta leder till slutsatsen att temperaturen starkt påverkar vätskans polarisering: ju högre temperatur, desto allvarligare turbulens, och desto fler sådana områden kommer att bildas. Den sista slutsatsen finns tack vare teorin om självorganisering.
- onsdag - gas. I fallet med en homogen gas uppstår polarisering på grund av fluktuationer. Det är därför solens naturliga ljus, som passerar genom atmosfären, får en liten polarisering. Och det är därför himlens färg är blå: medelstorleken på de komprimerade elementen är sådan att blå och violett elektromagnetisk strålning sprids. Men om vi har att göra med en blandning av gaser, så är det mycket svårare att beräkna graden av polarisering. Dessa problem löses ofta av astronomer som studerar ljuset från en stjärna som har passerat genom ett tätt molekylärt moln av gas. Därför är det så svårt och intressant att studera avlägsna galaxer och kluster. Menastronomer klarar sig och ger fantastiska bilder av rymden till människor.
