Danas ćemo otkriti bit valne prirode svjetlosti i fenomen "stupanj polarizacije" povezan s tom činjenicom.
Sposobnost vidjeti i osvijetliti
Priroda svjetlosti i sposobnost vida povezana s njom dugo su zabrinjavali ljudske umove. Stari Grci, pokušavajući objasniti viziju, pretpostavljali su: ili oko emitira određene "zrake" koje "osjećaju" okolne predmete i time informiraju osobu o njihovom izgledu i obliku, ili same stvari emitiraju nešto što ljudi uhvate i prosuđuju kako sve djela. Pokazalo se da su teorije daleko od istine: živa bića vide zahvaljujući reflektiranoj svjetlosti. Od shvaćanja ove činjenice do mogućnosti izračunavanja stupnja polarizacije, preostao je jedan korak - razumjeti da je svjetlost val.
Svjetlo je val
Uz detaljnije proučavanje svjetlosti pokazalo se da se u nedostatku smetnji širi ravno i nikamo ne skreće. Ako se na putu snopa nađe neprozirna prepreka, tada nastaju sjene, a gdje ide sama svjetlost, ljude nije zanimalo. Ali čim se zračenje sudarilo s prozirnim medijem, dogodile su se nevjerojatne stvari: snop je promijenio smjerraširen i zatamnjen. H. Huygens je 1678. godine sugerirao da se to može objasniti jednom jedinom činjenicom: svjetlost je val. Znanstvenik je formirao Huygensov princip, koji je kasnije dopunio Fresnel. Zahvaljujući onome što ljudi danas znaju odrediti stupanj polarizacije.
Huygens-Fresnelov princip
Prema ovom principu, bilo koja točka medija do koje dođe valna fronta je sekundarni izvor koherentnog zračenja, a omotač svih fronti tih točaka djeluje kao valna fronta u sljedećem trenutku vremena. Dakle, ako se svjetlost širi bez smetnji, u svakom sljedećem trenutku fronta vala će biti ista kao u prethodnom. Ali čim snop naiđe na prepreku, još jedan faktor dolazi u obzir: u različitim medijima, svjetlost se širi različitim brzinama. Dakle, foton koji je prvi uspio doći do drugog medija širit će se u njemu brže od posljednjeg fotona iz snopa. Stoga će se fronta vala nagnuti. Stupanj polarizacije još nema nikakve veze s tim, ali jednostavno je potrebno u potpunosti razumjeti ovaj fenomen.
Vrijeme obrade
Zasebno treba reći da se sve ove promjene događaju nevjerojatno brzo. Brzina svjetlosti u vakuumu je tristo tisuća kilometara u sekundi. Bilo koji medij usporava svjetlost, ali ne mnogo. Vrijeme tijekom kojeg se fronta vala izobličuje pri prelasku iz jednog medija u drugi (na primjer, iz zraka u vodu) iznimno je kratko. Ljudsko oko to ne može primijetiti, a malo je uređaja sposobno popraviti tako kratkoprocesa. Stoga je vrijedno shvatiti fenomen čisto teoretski. Sada, potpuno svjestan što je zračenje, čitatelj će htjeti razumjeti kako pronaći stupanj polarizacije svjetlosti? Nemojmo varati njegova očekivanja.
Polarizacija svjetlosti
Već smo spomenuli da fotoni svjetlosti imaju različite brzine u različitim medijima. Budući da je svjetlost poprečni elektromagnetski val (nije kondenzacija i razrjeđivanje medija), ono ima dvije glavne karakteristike:
- valni vektor;
- amplituda (također vektorska količina).
Prva karakteristika pokazuje kamo je usmjeren snop svjetlosti i nastaje vektor polarizacije, odnosno u kojem smjeru je usmjeren vektor jakosti električnog polja. To omogućuje rotaciju oko valnog vektora. Prirodna svjetlost, poput one koju emitira sunce, nema polarizaciju. Oscilacije su raspoređene u svim smjerovima s jednakom vjerojatnošću, nema odabranog smjera ili uzorka duž kojeg oscilira kraj valnog vektora.
Vrste polariziranog svjetla
Prije nego naučite izračunati formulu za stupanj polarizacije i napraviti izračune, trebali biste razumjeti koje su vrste polarizirane svjetlosti.
- Eliptička polarizacija. Kraj valnog vektora takve svjetlosti opisuje elipsu.
- Linearna polarizacija. Ovo je poseban slučaj prve opcije. Kao što naziv govori, slika je u jednom smjeru.
- Kružna polarizacija. Na drugi način se naziva i kružnim.
Svako prirodno svjetlo može se predstaviti kao zbroj dva međusobno okomita polarizirana elementa. Vrijedno je zapamtiti da dva okomito polarizirana vala ne djeluju. Njihova interferencija je nemoguća, jer s gledišta interakcije amplituda, čini se da ne postoje jedno za drugo. Kad se sretnu, samo prolaze dalje bez promjene.
Djelomično polarizirano svjetlo
Primjena efekta polarizacije je ogromna. Usmjeravajući prirodnu svjetlost na objekt i primajući djelomično polariziranu svjetlost, znanstvenici mogu procijeniti svojstva površine. Ali kako odrediti stupanj polarizacije djelomično polarizirane svjetlosti?
Postoji formula za N. A. Umov:
P=(jalan-japar)/(jalan+I par), gdje je Itrans intenzitet svjetlosti u smjeru okomitom na ravninu polarizatora ili reflektirajuće površine, a I par- paralelno. Vrijednost P može imati vrijednosti od 0 (za prirodno svjetlo bez ikakve polarizacije) do 1 (za ravno polarizirano zračenje).
Može li se prirodno svjetlo polarizirati?
Pitanje je na prvi pogled čudno. Uostalom, zračenje u kojem nema istaknutih smjerova obično se naziva prirodnim. Međutim, za stanovnike Zemljine površine to je u nekom smislu aproksimacija. Sunce daje struju elektromagnetskih valova različitih duljina. Ovo zračenje nije polarizirano. Ali u prolazukroz debeli sloj atmosfere zračenje poprima blagu polarizaciju. Dakle, stupanj polarizacije prirodnog svjetla općenito nije nula. Ali vrijednost je toliko mala da se često zanemaruje. Uzima se u obzir samo u slučaju preciznih astronomskih izračuna, gdje i najmanja pogreška može dodati godine zvijezdi ili udaljenosti našem sustavu.
Zašto se svjetlost polarizira?
Često smo gore rekli da se fotoni ponašaju drugačije u različitim medijima. Ali nisu spomenuli zašto. Odgovor ovisi o kakvom je okruženju riječ, drugim riječima, u kakvom je agregatnom stanju.
- Medij je kristalno tijelo sa strogo periodičnom strukturom. Obično je struktura takve tvari predstavljena kao rešetka s fiksnim kuglicama - ionima. Ali općenito, ovo nije sasvim točno. Takva je aproksimacija često opravdana, ali ne u slučaju interakcije kristala i elektromagnetskog zračenja. Zapravo, svaki ion oscilira oko svog ravnotežnog položaja, i to ne nasumično, već u skladu s tim koje susjede ima, na kojim udaljenostima i koliko ih. Budući da su sve te vibracije strogo programirane od strane krutog medija, ovaj ion je sposoban emitirati apsorbirani foton samo u strogo definiranom obliku. Iz ove činjenice proizlazi još jedna: kakva će biti polarizacija odlazećeg fotona ovisi o smjeru u kojem je ušao u kristal. To se zove anizotropija svojstava.
- srijeda - tekućina. Ovdje je odgovor kompliciraniji, budući da su na djelu dva faktora - složenost molekula ifluktuacije (kondenzacija-razrjeđivanje) gustoće. Same po sebi složene duge organske molekule imaju određenu strukturu. Čak i najjednostavnije molekule sumporne kiseline nisu kaotični sferni ugrušak, već vrlo specifičan križni oblik. Druga stvar je da su u normalnim uvjetima svi raspoređeni nasumično. Međutim, drugi čimbenik (fluktuacija) može stvoriti uvjete pod kojima mali broj molekula formira u malom volumenu nešto poput privremene strukture. U tom slučaju, ili će sve molekule biti suusmjerene, ili će se nalaziti jedna u odnosu na drugu pod određenim kutovima. Ako svjetlost u tom trenutku prođe kroz takav dio tekućine, poprimit će djelomičnu polarizaciju. To dovodi do zaključka da temperatura snažno utječe na polarizaciju tekućine: što je temperatura viša, to je turbulencija ozbiljnija i više će se formirati takva područja. Posljednji zaključak postoji zahvaljujući teoriji samoorganizacije.
- Srijeda - plin. U slučaju homogenog plina dolazi do polarizacije zbog fluktuacija. Zato prirodna svjetlost Sunca, prolazeći kroz atmosferu, poprima malu polarizaciju. I zato je boja neba plava: prosječna veličina zbijenih elemenata je takva da se plavo i ljubičasto elektromagnetsko zračenje raspršuje. Ali ako imamo posla s mješavinom plinova, onda je puno teže izračunati stupanj polarizacije. Te probleme često rješavaju astronomi koji proučavaju svjetlost zvijezde koja je prošla kroz gusti molekularni oblak plina. Stoga je tako teško i zanimljivo proučavati udaljene galaksije i jata. Aliastronomi se snalaze i ljudima daju nevjerojatne fotografije dubokog svemira.
