Днес ще разкрием същността на вълновата природа на светлината и явлението "степен на поляризация", свързано с този факт.
Способността да виждате и осветявате
Природата на светлината и способността да се вижда, свързана с нея, тревожи човешките умове от дълго време. Древните гърци, опитвайки се да обяснят зрението, предполагат: или окото излъчва определени „лъчи“, които „усещат“околните предмети и по този начин информират човека за външния им вид и форма, или самите неща излъчват нещо, което хората улавят и преценяват как всичко работи. Теориите се оказаха далеч от истината: живите същества виждат благодарение на отразената светлина. От осъзнаването на този факт до възможността да се изчисли каква е степента на поляризация, оставаше една стъпка - да разберем, че светлината е вълна.
Светлината е вълна
При по-подробно изследване на светлината се оказа, че при липса на смущения тя се разпространява по права линия и не се обръща никъде. Ако непрозрачно препятствие попречи на лъча, тогава се образуват сенки, а къде отива самата светлина, хората не се интересуват. Но веднага щом радиацията се сблъска с прозрачна среда, се случиха невероятни неща: лъчът промени посокатаразпръснати и затъмнени. През 1678 г. Х. Хюйгенс предполага, че това може да се обясни с един-единствен факт: светлината е вълна. Ученият формира принципа на Хюйгенс, който по-късно е допълнен от Френел. Благодарение на това, което хората днес знаят как да определят степента на поляризация.
принцип на Хюйгенс-Френел
Съгласно този принцип всяка точка от средата, достигната от фронта на вълната, е вторичен източник на кохерентно излъчване и обвивката на всички фронтове на тези точки действа като фронт на вълната в следващия момент от време. По този начин, ако светлината се разпространява без смущения, във всеки следващ момент фронтът на вълната ще бъде същият като в предишния. Но веднага щом лъчът срещне препятствие, друг фактор влиза в игра: в различни среди, светлината се разпространява с различни скорости. По този начин фотонът, който пръв е успял да достигне до другата среда, ще се разпространява в нея по-бързо от последния фотон от лъча. Следователно фронтът на вълната ще се наклони. Степента на поляризация все още няма нищо общо с това, но просто е необходимо да се разбере напълно този феномен.
Време за обработка
Трябва да се каже отделно, че всички тези промени се случват невероятно бързо. Скоростта на светлината във вакуум е триста хиляди километра в секунда. Всяка среда забавя светлината, но не много. Времето, през което фронтът на вълната се изкривява при преминаване от една среда в друга (например от въздух към вода), е изключително кратко. Човешкото око не може да забележи това и малко устройства са способни да фиксират толкова краткопроцеси. Така че си струва да разберем явлението чисто теоретично. Сега, напълно наясно какво е радиация, читателят ще иска да разбере как да намери степента на поляризация на светлината? Нека не заблуждаваме очакванията му.
Поляризация на светлината
Вече споменахме по-горе, че фотоните на светлината имат различни скорости в различни среди. Тъй като светлината е напречна електромагнитна вълна (това не е кондензация и разреждане на средата), тя има две основни характеристики:
- вълнов вектор;
- амплитуда (също векторно количество).
Първата характеристика показва къде е насочен светлинният лъч и възниква поляризационният вектор, тоест в коя посока е насочен векторът на силата на електрическото поле. Това прави възможно въртенето около вълновия вектор. Естествената светлина, като тази, излъчвана от слънцето, няма поляризация. Трептенията се разпределят във всички посоки с еднаква вероятност, няма избрана посока или модел, по който да осцилира краят на вълновия вектор.
Видове поляризирана светлина
Преди да научите как да изчислите формулата за степента на поляризация и да направите изчисления, трябва да разберете какви са видовете поляризирана светлина.
- Елиптична поляризация. Краят на вълновия вектор на такава светлина описва елипса.
- Линейна поляризация. Това е специален случай на първия вариант. Както подсказва името, картината е в една посока.
- Кръгова поляризация. По друг начин се нарича още кръгов.
Всяка естествена светлина може да бъде представена като сбор от два взаимно перпендикулярни поляризирани елемента. Струва си да се помни, че две перпендикулярно поляризирани вълни не взаимодействат. Тяхната намеса е невъзможна, тъй като от гледна точка на взаимодействието на амплитудите те изглежда не съществуват един за друг. Когато се срещнат, те просто си минават, без да се променят.
Частично поляризирана светлина
Прилагането на поляризационния ефект е огромно. Чрез насочване на естествена светлина към обект и получаване на частично поляризирана светлина, учените могат да преценят свойствата на повърхността. Но как да определите степента на поляризация на частично поляризирана светлина?
Има формула за N. A. Умов:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), където Itrans е интензитетът на светлината в посока, перпендикулярна на равнината на поляризатора или отразяващата повърхност, и I пар- паралелно. Стойността P може да приеме стойности от 0 (за естествена светлина, лишена от поляризация) до 1 (за равнинно поляризирана радиация).
Може ли естествената светлина да бъде поляризирана?
Въпросът е странен на пръв поглед. В крайна сметка излъчването, в което няма разграничени посоки, обикновено се нарича естествено. За жителите на земната повърхност обаче това в известен смисъл е приблизително. Слънцето дава поток от електромагнитни вълни с различна дължина. Това излъчване не е поляризирано. Но преминаванепрез дебел слой от атмосферата излъчването придобива лека поляризация. Така че степента на поляризация на естествената светлина обикновено не е нула. Но стойността е толкова малка, че често се пренебрегва. Той се взема предвид само в случай на точни астрономически изчисления, където и най-малката грешка може да добави години към звездата или разстояние до нашата система.
Защо светлината се поляризира?
Често сме казвали по-горе, че фотоните се държат различно в различни среди. Но не споменаха защо. Отговорът зависи от това за каква среда говорим, с други думи, в какво агрегатно състояние е.
- Средата е кристално тяло със строго периодична структура. Обикновено структурата на такова вещество е представена като решетка с фиксирани топки - йони. Но като цяло това не е съвсем точно. Такова приближение често е оправдано, но не и в случай на взаимодействие на кристал и електромагнитно излъчване. Всъщност всеки йон осцилира около своето равновесно положение и то не произволно, а в съответствие с това какви съседи има, на какви разстояния и колко от тях. Тъй като всички тези вибрации са строго програмирани от твърда среда, този йон е способен да излъчва погълнат фотон само в строго определена форма. Този факт поражда още един: каква ще бъде поляризацията на изходящия фотон зависи от посоката, в която той е влязъл в кристала. Това се нарича анизотропия на свойствата.
- сряда - течност. Тук отговорът е по-сложен, тъй като действат два фактора - сложността на молекулите ифлуктуации (кондензация-разреждане) на плътността. Сложните дълги органични молекули сами по себе си имат определена структура. Дори най-простите молекули на сярната киселина не са хаотичен сферичен съсирек, а много специфична кръстовидна форма. Друго нещо е, че при нормални условия всички те са подредени на случаен принцип. Вторият фактор (флуктуацията) обаче е в състояние да създаде условия, при които малък брой молекули образуват в малък обем нещо като временна структура. В този случай или всички молекули ще бъдат съвместно насочени, или ще бъдат разположени една спрямо друга под определени ъгли. Ако светлината в този момент премине през такъв участък от течността, тя ще придобие частична поляризация. Това води до заключението, че температурата силно влияе върху поляризацията на течността: колкото по-висока е температурата, толкова по-сериозна е турбуленцията и толкова повече такива области ще се образуват. Последният извод съществува благодарение на теорията за самоорганизацията.
- сряда - газ. В случай на хомогенен газ се получава поляризация поради флуктуации. Ето защо естествената светлина на Слънцето, преминавайки през атмосферата, придобива малка поляризация. И затова цветът на небето е син: средният размер на уплътнените елементи е такъв, че се разпръсква синьо и виолетово електромагнитно излъчване. Но ако имаме работа със смес от газове, тогава е много по-трудно да се изчисли степента на поляризация. Тези проблеми често се решават от астрономи, които изучават светлината на звезда, която е преминала през плътен молекулен облак от газ. Следователно е толкова трудно и интересно да се изучават далечни галактики и купове. Ноастрономите се справят и дават невероятни снимки от дълбокия космос на хората.
