Danas ćemo otkriti suštinu talasne prirode svetlosti i fenomen „stepen polarizacije” koji se odnosi na ovu činjenicu.
Mogućnost vidjeti i osvijetliti
Priroda svjetlosti i sposobnost vida povezana s njom dugo su zabrinjavali ljudske umove. Stari Grci, pokušavajući da objasne viziju, pretpostavljali su: ili oko emituje određene "zrake" koje "osjećaju" okolne predmete i na taj način informiraju osobu o njihovom izgledu i obliku, ili same stvari emituju nešto što ljudi uhvate i prosuđuju kako sve radi. Pokazalo se da su teorije daleko od istine: živa bića vide zahvaljujući reflektiranoj svjetlosti. Od spoznaje ove činjenice do mogućnosti izračunavanja stepena polarizacije, preostao je jedan korak - da se shvati da je svjetlost talas.
Svjetlost je val
Detaljnijim proučavanjem svjetlosti pokazalo se da se u odsustvu smetnji širi pravolinijski i ne skreće nikuda. Ako snopu stane na put neprozirna prepreka, tada se stvaraju sjene, a gdje ide sama svjetlost, ljude nije zanimalo. Ali čim se zračenje sudarilo sa providnim medijem, dogodile su se nevjerovatne stvari: snop je promijenio smjerrašireno i zatamnjeno. H. Hajgens je 1678. godine sugerisao da se ovo može objasniti jednom činjenicom: svetlost je talas. Naučnik je formirao Huygensov princip, koji je kasnije dopunio Fresnel. Zahvaljujući onome što ljudi danas znaju kako odrediti stepen polarizacije.
Huygens-Fresnel princip
Prema ovom principu, svaka tačka medija do koje dolazi talasni front je sekundarni izvor koherentnog zračenja, a omotač svih frontova ovih tačaka deluje kao talasni front u sledećem trenutku vremena. Dakle, ako se svjetlost širi bez smetnji, u svakom sljedećem trenutku front talasa će biti isti 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 uspio prvi doprijeti do drugog medija će se u njemu širiti brže od posljednjeg fotona iz zraka. Zbog toga će se front talasa nagnuti. Stepen polarizacije još nema nikakve veze s tim, ali je jednostavno potrebno u potpunosti razumjeti ovaj fenomen.
Vrijeme procesa
Treba posebno reći da se sve ove promjene dešavaju nevjerovatno brzo. Brzina svjetlosti u vakuumu je tri stotine hiljada kilometara u sekundi. Bilo koji medij usporava svjetlost, ali ne mnogo. Vrijeme tokom kojeg se front talasa izobličuje pri kretanju iz jednog medija u drugi (na primjer, iz zraka u vodu) je izuzetno kratko. Ljudsko oko to ne može primijetiti, a malo je uređaja sposobno popraviti tako kratkoprocesi. Stoga je vrijedno shvatiti fenomen čisto teoretski. Sada, potpuno svestan šta je zračenje, čitalac će želeti da razume kako da pronađe stepen polarizacije svetlosti? Nemojmo varati njegova očekivanja.
Polarizacija svjetlosti
Već smo spomenuli da fotoni svjetlosti imaju različite brzine u različitim medijima. Budući da je svjetlost poprečni elektromagnetski talas (nije kondenzacija i razrjeđivanje medija), ono ima dvije glavne karakteristike:
- talasni vektor;
- amplituda (takođe vektorska količina).
Prva karakteristika pokazuje kuda je usmjeren svjetlosni snop i nastaje vektor polarizacije, odnosno u kojem smjeru je usmjeren vektor jačine električnog polja. Ovo omogućava rotaciju oko valnog vektora. Prirodna svjetlost, poput one koju emituje sunce, nema polarizaciju. Oscilacije su raspoređene u svim smjerovima sa jednakom vjerovatnoćom, ne postoji odabrani smjer ili obrazac duž kojeg oscilira kraj valnog vektora.
Vrste polarizovane svetlosti
Pre nego što naučite kako da izračunate formulu za stepen polarizacije i napravite proračune, trebalo bi da razumete koje su vrste polarizovane svetlosti.
- Eliptička polarizacija. Kraj valnog vektora takve svjetlosti opisuje elipsu.
- Linearna polarizacija. Ovo je poseban slučaj prve opcije. Kao što naziv govori, slika je jednosmjerna.
- Kružna polarizacija. Na drugi način se naziva i kružnim.
Svako prirodno svjetlo može se predstaviti kao zbir dva međusobno okomita polarizirana elementa. Vrijedi zapamtiti da dva okomito polarizirana vala ne djeluju. Njihova interferencija je nemoguća, jer sa stanovišta interakcije amplituda, izgleda da ne postoje jedno za drugo. Kada se sretnu, samo prođu bez promjene.
Djelomično polarizirano svjetlo
Primjena efekta polarizacije je ogromna. Usmjeravajući prirodnu svjetlost na objekt i primajući djelomično polariziranu svjetlost, naučnici mogu ocijeniti svojstva površine. Ali kako odrediti stepen polarizacije djelomično polarizirane svjetlosti?
Postoji formula za N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(jalan+I par), gdje je Itrans intenzitet svjetlosti u smjeru okomitom na ravninu polarizatora ili reflektirajuće površine, a I par- paralelno. P vrijednost 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 ovo je u nekom smislu aproksimacija. Sunce daje struju elektromagnetnih talasa različitih dužina. Ovo zračenje nije polarizovano. Ali u prolazukroz debeli sloj atmosfere, zračenje poprima blagu polarizaciju. Dakle, stepen polarizacije prirodnog svetla generalno nije nula. Ali vrijednost je toliko mala da se često zanemaruje. Uzima se u obzir samo u slučaju preciznih astronomskih proračuna, gdje i najmanja greška može dodati godine zvijezdi ili udaljenosti do našeg sistema.
Zašto se svjetlost polarizira?
Često smo gore rekli da se fotoni ponašaju različito u različitim medijima. Ali nisu spomenuli zašto. Odgovor zavisi od toga o kakvom okruženju je reč, drugim rečima, u kakvom je agregatnom stanju.
- Medijum je kristalno telo sa striktno periodičnom strukturom. Obično je struktura takve tvari predstavljena kao rešetka s fiksnim kuglicama - ionima. Ali generalno, ovo nije sasvim tačno. Takva aproksimacija je često opravdana, ali ne u slučaju interakcije kristala i elektromagnetnog zračenja. U stvari, svaki ion oscilira oko svog ravnotežnog položaja, i to ne nasumično, već u skladu sa susjedima koje ima, na kojim udaljenostima i koliko ih. Pošto su sve ove vibracije strogo programirane od strane krutog medija, ovaj ion je sposoban da emituje apsorbovani foton samo u strogo definisanom obliku. Iz ove činjenice proizlazi još jedna: kakva će biti polarizacija odlazećeg fotona ovisi o smjeru u kojem je ušao u kristal. Ovo se zove anizotropija svojstva.
- srijeda - tekućina. Ovdje je odgovor komplikovaniji, jer su na djelu dva faktora - složenost molekula ifluktuacije (kondenzacija-razrjeđivanje) gustine. Sami po sebi složeni dugi organski molekuli imaju određenu strukturu. Čak i najjednostavniji molekuli sumporne kiseline nisu haotični sferni ugrušak, već vrlo specifičan kruciformni oblik. Druga stvar je da su u normalnim uslovima svi raspoređeni nasumično. Međutim, drugi faktor (fluktuacija) je u stanju da stvori uslove pod kojima mali broj molekula formira u maloj zapremini nešto poput privremene strukture. U ovom slučaju, ili će svi molekuli biti kousmjereni, ili će se nalaziti jedan u odnosu na drugi pod određenim uglovima. Ako svjetlost u ovom trenutku prođe kroz takav dio tečnosti, poprimiće delimičnu polarizaciju. To dovodi do zaključka da temperatura snažno utiče na polarizaciju tečnosti: što je temperatura viša, to je turbulencija ozbiljnija i više takvih područja će se formirati. Posljednji zaključak postoji zahvaljujući teoriji samoorganizacije.
- Srijeda - plin. U slučaju homogenog gasa dolazi do polarizacije zbog fluktuacija. Zbog toga 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 elektromagnetno zračenje raspršuje. Ali ako imamo posla sa mješavinom plinova, onda je mnogo teže izračunati stupanj polarizacije. Ove 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 neverovatne fotografije dubokog svemira.
