Vandaag zullen we de essentie van de golfaard van licht onthullen en het fenomeen "mate van polarisatie" gerelateerd aan dit feit.
Het vermogen om te zien en te belichten
De aard van licht en het vermogen om te zien dat ermee samenhangt, baart de menselijke geest lange tijd zorgen. De oude Grieken, die visie probeerden te verklaren, gingen ervan uit: ofwel het oog zendt bepaalde "stralen" uit die de omringende objecten "voelen" en daardoor de persoon informeren over hun uiterlijk en vorm, of de dingen zelf zenden iets uit dat mensen vangen en beoordelen hoe alles werkt. Theorieën bleken verre van waar: levende wezens zien dankzij gereflecteerd licht. Van het realiseren van dit feit tot het kunnen berekenen wat de mate van polarisatie is, was er nog één stap over: begrijpen dat licht een golf is.
Licht is een golf
Bij een meer gedetailleerde studie van het licht bleek dat het zich bij afwezigheid van interferentie in een rechte lijn voortplant en nergens heen draait. Als een ondoorzichtig obstakel de straal in de weg staat, worden er schaduwen gevormd en waar het licht zelf gaat, waren mensen niet geïnteresseerd. Maar zodra de straling in botsing kwam met een transparant medium, gebeurden er verbazingwekkende dingen: de straal veranderde van richtingverspreid en gedimd. In 1678 suggereerde H. Huygens dat dit kan worden verklaard door een enkel feit: licht is een golf. De wetenschapper vormde het Huygens-principe, dat later werd aangevuld met Fresnel. Dankzij wat mensen tegenwoordig weten hoe ze de mate van polarisatie kunnen bepalen.
Huygens-Fresnel principe
Volgens dit principe is elk punt van het medium dat door het golffront wordt bereikt een secundaire bron van coherente straling, en de omhullende van alle fronten van deze punten fungeert op het volgende moment als het golffront. Dus als licht zich zonder interferentie voortplant, zal het golffront op elk volgend moment hetzelfde zijn als op het vorige. Maar zodra de straal een obstakel tegenkomt, speelt een andere factor een rol: in ongelijke media plant licht zich met verschillende snelheden voort. Het foton dat het eerst het andere medium heeft weten te bereiken, zal zich er dus sneller in voortplanten dan het laatste foton uit de bundel. Daarom zal het golffront kantelen. De mate van polarisatie heeft er nog niets mee te maken, maar het is gewoon noodzakelijk om dit fenomeen volledig te begrijpen.
Verwerkingstijd
Het moet apart gezegd worden dat al deze veranderingen ongelooflijk snel gaan. De lichtsnelheid in een vacuüm is driehonderdduizend kilometer per seconde. Elk medium vertraagt het licht, maar niet veel. De tijd waarin het golffront wordt vervormd bij het verplaatsen van het ene medium naar het andere (bijvoorbeeld van lucht naar water) is extreem kort. Het menselijk oog kan dit niet opmerken, en weinig apparaten zijn in staat om zulke korteprocessen. Het is dus de moeite waard om het fenomeen puur theoretisch te begrijpen. Nu, volledig bewust van wat straling is, zal de lezer willen begrijpen hoe de mate van polarisatie van licht kan worden gevonden? Laten we zijn verwachtingen niet bedriegen.
Polarisatie van licht
We hebben hierboven al vermeld dat lichtfotonen verschillende snelheden hebben in verschillende media. Aangezien licht een transversale elektromagnetische golf is (het is geen condensatie en verdunning van het medium), heeft het twee hoofdkenmerken:
- golfvector;
- amplitude (ook een vectorgrootheid).
Het eerste kenmerk geeft aan waar de lichtstraal naar toe wordt gericht, en de polarisatievector ontstaat, dat wil zeggen, in welke richting de elektrische veldsterktevector is gericht. Dit maakt het mogelijk om rond de golfvector te roteren. Natuurlijk licht, zoals dat door de zon wordt uitgestraald, heeft geen polarisatie. Oscillaties worden in alle richtingen met gelijke waarschijnlijkheid verdeeld, er is geen gekozen richting of patroon waarlangs het einde van de golfvector oscilleert.
Soorten gepolariseerd licht
Voordat je leert hoe je de formule voor de polarisatiegraad kunt berekenen en berekeningen kunt maken, moet je begrijpen wat voor soorten gepolariseerd licht zijn.
- Elliptische polarisatie. Het einde van de golfvector van dergelijk licht beschrijft een ellips.
- Lineaire polarisatie. Dit is een speciaal geval van de eerste optie. Zoals de naam al aangeeft, is de afbeelding één richting.
- Circulaire polarisatie. Op een andere manier wordt het ook circulair genoemd.
Elk natuurlijk licht kan worden weergegeven als de som van twee onderling loodrechte gepolariseerde elementen. Het is de moeite waard eraan te denken dat twee loodrecht gepolariseerde golven geen interactie hebben. Hun interferentie is onmogelijk, omdat ze vanuit het oogpunt van de interactie van amplituden niet voor elkaar lijken te bestaan. Als ze elkaar ontmoeten, gaan ze gewoon verder zonder te veranderen.
Gedeeltelijk gepolariseerd licht
De toepassing van het polarisatie-effect is enorm. Door natuurlijk licht op een object te richten en gedeeltelijk gepolariseerd licht te ontvangen, kunnen wetenschappers de eigenschappen van het oppervlak beoordelen. Maar hoe bepaal je de mate van polarisatie van gedeeltelijk gepolariseerd licht?
Er is een formule voor N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), waarbij Itrans de lichtintensiteit is in de richting loodrecht op het vlak van de polarisator of het reflecterende oppervlak, en I par- parallel. De P-waarde kan waarden aannemen van 0 (voor natuurlijk licht zonder enige polarisatie) tot 1 (voor vlakke gepolariseerde straling).
Kan natuurlijk licht worden gepolariseerd?
De vraag is op het eerste gezicht vreemd. Straling waarin geen onderscheiden richtingen zijn, wordt immers meestal natuurlijk genoemd. Voor de bewoners van het aardoppervlak is dit echter in zekere zin een benadering. De zon geeft een stroom van elektromagnetische golven van verschillende lengtes. Deze straling is niet gepolariseerd. Maar passerendoor een dikke laag van de atmosfeer krijgt de straling een lichte polarisatie. Dus de mate van polarisatie van natuurlijk licht is over het algemeen niet nul. Maar de waarde is zo klein dat deze vaak wordt verwaarloosd. Er wordt alleen rekening mee gehouden in het geval van nauwkeurige astronomische berekeningen, waarbij de kleinste fout jaren aan de ster of afstand tot ons systeem kan toevoegen.
Waarom polariseert licht?
We hebben hierboven vaak gezegd dat fotonen zich anders gedragen in ongelijksoortige media. Maar ze vertelden niet waarom. Het antwoord hangt af van het soort omgeving waar we het over hebben, met andere woorden, in welke geaggregeerde staat het zich bevindt.
- Het medium is een kristallijn lichaam met een strikt periodieke structuur. Meestal wordt de structuur van zo'n stof weergegeven als een rooster met vaste ballen - ionen. Maar over het algemeen klopt dit niet helemaal. Een dergelijke benadering is vaak gerechtvaardigd, maar niet in het geval van de interactie van een kristal en elektromagnetische straling. In feite oscilleert elk ion rond zijn evenwichtspositie, en niet willekeurig, maar in overeenstemming met welke buren het heeft, op welke afstanden en hoeveel van hen. Omdat al deze trillingen strikt worden geprogrammeerd door een star medium, kan dit ion alleen een geabsorbeerd foton in een strikt gedefinieerde vorm uitzenden. Dit feit geeft aanleiding tot een ander: wat de polarisatie van het uitgaande foton zal zijn, hangt af van de richting waarin het het kristal binnenkwam. Dit wordt eigenschapanisotropie genoemd.
- woensdag - vloeistof. Hier is het antwoord ingewikkelder, omdat er twee factoren aan het werk zijn - de complexiteit van de moleculen enfluctuaties (condensatie-rarefactie) van dichtheid. Op zichzelf hebben complexe lange organische moleculen een bepaalde structuur. Zelfs de eenvoudigste moleculen van zwavelzuur zijn geen chaotisch bolvormig stolsel, maar een zeer specifieke kruisvorm. Een ander ding is dat ze onder normale omstandigheden allemaal willekeurig zijn gerangschikt. De tweede factor (fluctuatie) kan echter omstandigheden creëren waaronder een klein aantal moleculen in een klein volume zoiets als een tijdelijke structuur vormt. In dit geval zullen ofwel alle moleculen samen worden gericht, of ze zullen zich onder bepaalde specifieke hoeken ten opzichte van elkaar bevinden. Als licht op dit moment door zo'n deel van de vloeistof gaat, zal het gedeeltelijke polarisatie krijgen. Dit leidt tot de conclusie dat de temperatuur de polarisatie van de vloeistof sterk beïnvloedt: hoe hoger de temperatuur, hoe ernstiger de turbulentie en hoe meer van dergelijke gebieden zullen worden gevormd. De laatste conclusie bestaat dankzij de theorie van zelforganisatie.
- woensdag - gas. Bij een homogeen gas treedt polarisatie op door fluctuaties. Daarom krijgt het natuurlijke licht van de zon, dat door de atmosfeer gaat, een kleine polarisatie. En daarom is de kleur van de lucht blauw: de gemiddelde grootte van de verdichte elementen is zodanig dat blauwe en violette elektromagnetische straling wordt verstrooid. Maar als we te maken hebben met een mengsel van gassen, dan is het veel moeilijker om de mate van polarisatie te berekenen. Deze problemen worden vaak opgelost door astronomen die het licht bestuderen van een ster die door een dichte moleculaire gaswolk is gegaan. Daarom is het zo moeilijk en interessant om verre sterrenstelsels en clusters te bestuderen. Maarastronomen gaan ermee om en geven geweldige foto's van de diepe ruimte aan mensen.
