I dag vil vi afsløre essensen af lysets bølgenatur og fænomenet "grad af polarisering" relateret til dette faktum.
Evnen til at se og lyse
Lysets natur og evnen til at se forbundet med det har bekymret menneskets sind i lang tid. De gamle grækere, der forsøgte at forklare syn, antog: enten udsender øjet visse "stråler", der "føler" de omgivende genstande og derved informerer personen om deres udseende og form, eller tingene i sig selv udsender noget, som folk fanger og bedømmer, hvordan alting virker. Teorier viste sig at være langt fra sandheden: levende væsener ser takket være reflekteret lys. Fra at indse dette faktum til at kunne beregne, hvad graden af polarisering er, var der et skridt tilbage - at forstå, at lys er en bølge.
Lys er en bølge
Med en mere detaljeret undersøgelse af lyset viste det sig, at i fravær af interferens forplanter det sig i en lige linje og drejer ingen steder. Hvis en uigennemsigtig forhindring kommer i vejen for strålen, så dannes der skygger, og hvor selve lyset går, var folk ikke interesserede. Men så snart strålingen kolliderede med et gennemsigtigt medium, skete der fantastiske ting: strålen ændrede retningspredt og dæmpet. I 1678 foreslog H. Huygens, at dette kan forklares med et enkelt faktum: lys er en bølge. Videnskabsmanden dannede Huygens-princippet, som senere blev suppleret af Fresnel. Takket være, hvad folk i dag ved, hvordan man bestemmer graden af polarisering.
Huygens-Fresnel-princippet
Ifølge dette princip er ethvert punkt på mediet, der nås af bølgefronten, en sekundær kilde til kohærent stråling, og hylsteret af alle fronterne af disse punkter fungerer som bølgefronten i det næste tidspunkt. Så hvis lys forplanter sig uden interferens, vil bølgefronten i hvert næste øjeblik være den samme som ved det foregående. Men så snart strålen møder en forhindring, spiller en anden faktor ind: I forskellige medier udbreder lyset sig med forskellige hastigheder. Således vil den foton, der nåede det andet medium først, forplante sig hurtigere i det end den sidste foton fra strålen. Derfor vil bølgefronten vippe. Graden af polarisering har intet med det at gøre endnu, men det er simpelthen nødvendigt at forstå dette fænomen fuldt ud.
Behandlingstid
Det skal siges separat, at alle disse ændringer sker utrolig hurtigt. Lysets hastighed i et vakuum er tre hundrede tusinde kilometer i sekundet. Ethvert medium sænker lyset, men ikke meget. Den tid, hvor bølgefronten forvrænges, når den bevæger sig fra et medium til et andet (for eksempel fra luft til vand), er ekstremt kort. Det menneskelige øje kan ikke bemærke dette, og få enheder er i stand til at rette så kortprocesser. Så det er værd at forstå fænomenet rent teoretisk. Nu, fuldt ud klar over, hvad stråling er, vil læseren gerne forstå, hvordan man finder graden af polarisering af lys? Lad os ikke snyde hans forventninger.
Polarisering af lys
Vi har allerede nævnt ovenfor, at fotoner af lys har forskellige hastigheder i forskellige medier. Da lys er en tværgående elektromagnetisk bølge (det er ikke en kondensering og udskæring af mediet), har det to hovedkarakteristika:
- bølgevektor;
- amplitude (også en vektormængde).
Den første karakteristik angiver, hvor lysstrålen er rettet, og polarisationsvektoren opstår, det vil sige i hvilken retning vektoren for elektrisk feltstyrke er rettet. Dette gør det muligt at rotere rundt om bølgevektoren. Naturligt lys, som det, der udsendes af solen, har ingen polarisering. Oscillationer er fordelt i alle retninger med lige stor sandsynlighed, der er ingen valgt retning eller mønster, som enden af bølgevektoren oscillerer langs.
Typer af polariseret lys
Før du lærer at beregne formlen for polariseringsgraden og foretage beregninger, bør du forstå, hvilke typer polariseret lys der er.
- Elliptisk polarisering. Enden af bølgevektoren for et sådant lys beskriver en ellipse.
- Lineær polarisering. Dette er et særligt tilfælde af den første mulighed. Som navnet antyder, er billedet én retning.
- Cirkulær polarisering. På en anden måde kaldes det også cirkulært.
Ethvert naturligt lys kan repræsenteres som summen af to indbyrdes vinkelrette polariserede elementer. Det er værd at huske på, at to vinkelret polariserede bølger ikke interagerer. Deres interferens er umulig, da fra synspunktet om interaktionen af amplituder, ser de ikke ud til at eksistere for hinanden. Når de mødes, går de bare videre uden at ændre sig.
Delvis polariseret lys
Anvendelsen af polarisationseffekten er enorm. Ved at rette naturligt lys mod et objekt og modtage delvist polariseret lys, kan forskerne bedømme overfladens egenskaber. Men hvordan bestemmer man graden af polarisering af delvist polariseret lys?
Der er en formel for N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), hvor Itrans er lysintensiteten i retningen vinkelret på polarisatorens eller den reflekterende overflades plan, og I par- parallel. P-værdien kan tage værdier fra 0 (for naturligt lys uden polarisering) til 1 (for plan polariseret stråling).
Kan naturligt lys polariseres?
Spørgsmålet er mærkeligt ved første øjekast. Når alt kommer til alt, kaldes stråling, hvor der ikke er nogen adskilte retninger, norm alt naturlig. Men for indbyggerne på Jordens overflade er dette i en vis forstand en tilnærmelse. Solen giver en strøm af elektromagnetiske bølger af forskellig længde. Denne stråling er ikke polariseret. Men beståetgennem et tykt lag af atmosfæren får strålingen en let polarisering. Så graden af polarisering af naturligt lys er generelt ikke nul. Men værdien er så lille, at den ofte negligeres. Det tages kun i betragtning i tilfælde af præcise astronomiske beregninger, hvor den mindste fejl kan tilføje år til stjernen eller afstand til vores system.
Hvorfor polariserer lyset?
Vi har ofte sagt ovenfor, at fotoner opfører sig forskelligt i forskellige medier. Men de nævnte ikke hvorfor. Svaret afhænger af, hvilken slags miljø vi taler om, med andre ord i hvilken aggregeret tilstand det er.
- Mediet er et krystallinsk legeme med en strengt periodisk struktur. Norm alt er strukturen af et sådant stof repræsenteret som et gitter med faste kugler - ioner. Men generelt er dette ikke helt præcist. En sådan tilnærmelse er ofte berettiget, men ikke i tilfælde af interaktion mellem en krystal og elektromagnetisk stråling. Faktisk svinger hver ion rundt i sin ligevægtsposition og ikke tilfældigt, men i overensstemmelse med hvilke naboer den har, i hvilke afstande og hvor mange af dem. Da alle disse vibrationer er strengt programmeret af et stift medium, er denne ion kun i stand til at udsende en absorberet foton i en strengt defineret form. Denne kendsgerning giver anledning til en anden: hvad der vil være polariseringen af den udgående foton afhænger af den retning, hvori den kom ind i krystallen. Dette kaldes ejendomsanisotropi.
- Onsdag - flydende. Her er svaret mere kompliceret, da to faktorer spiller ind - kompleksiteten af molekylerne ogfluktuationer (kondensation-sjældenhed) af tæthed. I sig selv har komplekse lange organiske molekyler en vis struktur. Selv de simpleste molekyler af svovlsyre er ikke en kaotisk sfærisk koagel, men en meget specifik korsformet form. En anden ting er, at under normale forhold er de alle arrangeret tilfældigt. Den anden faktor (fluktuation) er imidlertid i stand til at skabe betingelser, hvorunder et lille antal molekyler danner i et lille volumen noget som en midlertidig struktur. I dette tilfælde vil enten alle molekyler være co-dirigeret, eller også vil de være placeret i forhold til hinanden i nogle bestemte vinkler. Hvis lys på dette tidspunkt passerer gennem en sådan sektion af væsken, vil det opnå delvis polarisering. Dette fører til den konklusion, at temperaturen i høj grad påvirker væskens polarisering: Jo højere temperatur, jo mere alvorlig er turbulensen, og jo flere sådanne områder vil blive dannet. Den sidste konklusion eksisterer takket være teorien om selvorganisering.
- onsdag - gas. I tilfælde af en homogen gas opstår polarisering på grund af fluktuationer. Det er grunden til, at Solens naturlige lys, der passerer gennem atmosfæren, får en lille polarisering. Og det er grunden til, at himlens farve er blå: den gennemsnitlige størrelse af de komprimerede elementer er sådan, at blå og violet elektromagnetisk stråling spredes. Men hvis vi har at gøre med en blanding af gasser, så er det meget sværere at beregne graden af polarisering. Disse problemer løses ofte af astronomer, der studerer lyset fra en stjerne, der har passeret gennem en tæt molekylær gassky. Derfor er det så svært og interessant at studere fjerne galakser og hobe. Menastronomer klarer sig og giver fantastiske billeder af det dybe rum til mennesker.
