Światło spolaryzowane i naturalne: pojęcie, różnice, prawa

Dziś porozmawiamy o świetle spolaryzowanym i naturalnym. Jakie są ich różnice i jak powstaje polaryzacja podczas przechodzenia przez substancję?

Światło jest falą

Przed podjęciem bardziej złożonych koncepcji, musimy najpierw wyjaśnić, czym jest światło.

Przez bardzo długi czas eksperymenty z odbiciem i refrakcją przekonały naukowców: światło ma naturę fali, to znaczy jest oscylacją jakiegoś pola. Na przykład, Huygens pochodzi, a Fresnel uzupełnił tę zasadę. Zgodnie z tym ostatnim, każdy punkt ośrodka, do którego dociera front fali, staje się wtórnym źródłem światła. Ale spolaryzowane i naturalne światło jest inne, nie tylko dlatego, że są to fale. Newton wierzył: promienie składają się z kilku najmniejszych cząsteczek - ciałek. Tak więc przewidział teorię kwantową najmniejszych elementów naszego świata, w tym fotonów.

Dualizm z falą korpuskularną

Eksperymenty Lebiediew przekonał świat nauki: światło jest w stanie wywrzeć nacisk na otaczające rzeczy. Przed badaczem było wiele trudności technicznych. Mimo to udowodnił, że fotony światła przenoszą niezerowy pęd na powierzchnie, gdy napotkają przeszkodę. Zjawisko to zaintrygowało naukowców. Jak można było połączyć właściwości falowe i materialność masy?

W rezultacie naukowcy musieli przyznać: każda cząstka elementarna jest zarówno obiektem falowym, jak i materialnym. Fotony mają podobne znaki oscylatora (długość fali, częstotliwość i amplituda) oraz charakterystyki substancji materialnej (masa, pęd i energia). Jest to zasada dualności falowo-cząsteczkowej. Musiało również dokładnie zrozumieć, jak istnieje pozornie nieskończona fala o skończonej masie i porusza się w przestrzeni. Na ratunek przyszła koncepcja "kwantu" - to najmniejszy pakiet pewnej wspólnej całości, która porusza się i wchodzi w interakcję z substancją. Na przykład światło spolaryzowane i naturalne są kwantami pola elektromagnetycznego. Ale takie środowisko nie jest jedynym obiektem kwantyzacji. Istnieją również kwanty:

• pole grawitacyjne (grawitony są przewidziane tylko teoretycznie, naukowcy bardzo blisko udowodnili swoje istnienie);
• pole gluonowe (gluony, w przeciwieństwie do grawitonów, znalezione);
• kolektywna interakcja węzłów sieć krystaliczna ciał stałych (na przykład fonony są odpowiedzialne za przekształcenie promieniowania elektromagnetycznego w kryształach w dźwięk).

Jednak, aby wyobrazić sobie, dlaczego światło jest spolaryzowane, wiedza opisana powyżej nie wystarcza. Wymagane jest odciążenie wyobraźni przestrzennej.

Jak światło jest spolaryzowane?

Jak wyjaśniliśmy powyżej, światło jest falą. Ale oscylacje elektromagnetyczne, w przeciwieństwie do morza, nie tylko przesuwają pole w górę i w dół. Kierunek propagacji fali pokazuje falę wektor. Wektor amplituda zdolna do obracania się wokół fali. Może być wiele rodzajów tego obrotu. Wektor amplitudy jest rozumiany jako kierunek, w którym przemieszcza się amplituda fali w danym czasie.

Każde rozszerzone źródło, takie jak lampa żarowa lub Słońce, generuje fotony wszystkich możliwych typów. Wektor amplitudy jest skierowany na takie promieniowanie chaotycznie. Teraz wyobraź sobie cylinder. Porusza się do przodu wzdłuż głównej osi, ale jednocześnie obraca się wokół niej. A punkt po stronie cylindra pokaże kształt ruchu wektora amplitudy kołowo spolaryzowanej fali. Kolejna koncepcja związana jest z konstrukcjami przestrzennymi - "wektor świetlny". Wskazuje kierunek gęstości strumienia. Ta wartość określa intensywność i kierunek transferu energii światła. Termin ten jest stosowany nierzadko w stosowanych tekstach technicznych, w których rozwiązano problem oświetlania określonych miejsc lampami lub reflektorami. Książki na temat fizyki, na przykład podręczniki i podręczniki, kosztują proste i podstawowe pojęcia.

Dlaczego światło jest spolaryzowane?

Fotony są emitowane, gdy elektrony w atomach przemieszczają się z wyższej do niższej pozycji. Rozważmy pojedynczy foton emitowany przez jakiś atom. Charakterystyka takiego kwantu jest dość konkretna. Ten foton będzie oscylował w określonym kierunku, a jego wektor amplitudy będzie leżał w jednej płaszczyźnie. Zatem pojedynczy foton jest zawsze spolaryzowany liniowo. W konsekwencji jedną z metod wytwarzania spolaryzowanego światła jest koherentna emisja stymulowana z wielu identycznych atomów. Ale ta metoda nie zawsze ma zastosowanie, a odpowiednie urządzenia (lasery) nie są dostępne dla wszystkich. Jednak światło słoneczne lub zwykła żarówka jest dość prosta do zdobycia. Aby je spolaryzować, należy umieścić taką przeszkodę na ścieżce promieniowania, która przechodzi tylko jeden typ oscylacji i opóźnia wszystkie inne. Tak więc inne sposoby wytwarzania spolaryzowanego światła są związane z tworzeniem filtrów dla promieniowania naturalnego.

Z reguły kryją się w nim kryształy o danej strukturze lub membrany polimerowe, w których włókna znajdują się w określonym kierunku. Pierwszym odkrytym przez naukowców naturalnym polaryzatorem był krystaliczny kwarc pochodzący z Islandii, tzw. Dźwigar islandzki. Pierwszym sztucznym polaryzatorem była membrana organiczna z dodatkiem jonów jodowych. Teraz komercyjnie używane folie polaroidalne, umieszczone pomiędzy dwoma płaskimi szkłami.

Rodzaje światła spolaryzowanego

Nieco wyżej, mamy już polaryzację kołową i jej rozkład oscylacji w przestrzeni. Ale są też inne rodzaje polaryzacji. Jak czytelnik zapewne już zrozumiał, światło spolaryzowane i naturalne przenikają się nawzajem: pierwszy łatwo uzyskać od drugiego.

Polaryzacja fale elektromagnetyczne dzieje się w formie:

• okrągły (okrągły);
• liniowy;
• eliptyczny.

Ponadto, zgodnie ze stopniem zmiany polaryzacji jest:

• kompletny;
• częściowe.

Polaryzacja, inna niż linearna, jest własnością zbiorową, a nie indywidualną. Innymi słowy, pojedynczy foton nie może być spolaryzowany eliptycznie, wymaga pewnej ilości kwantów światła. Dlatego w operacjach matematycznych światło spolaryzowane eliptycznie i kołowo jest rozłożone na dwa prostopadłe komponenty.

Przykłady częściowej polaryzacji

Przykładem częściowej polaryzacji jest światło słońca, które przeszło przez atmosferę ziemi. Gruba warstwa mieszaniny gazów jest zawsze w ruchu, niektóre obszary są zagęszczane, inne są rozrzedzone.

Uszczelnienia te rozpraszają część oscylacji elektromagnetycznych, tak że światło dociera do powierzchni planety częściowo spolaryzowanej. Ale stopień tych zmian jest niewielki: prawa światła spolaryzowanego są stosowane tylko w bardzo dokładnych obliczeniach astronomicznych. W innych przypadkach promieniowanie Słońca na powierzchni Ziemi jest uważane za naturalne.

Rotacja polaryzatora

Na ścieżce naturalnego światła należy umieścić odpowiedni filtr, aby uzyskać polaryzację. Po filtrze wektor amplitudy promieniowania elektromagnetycznego będzie oscylował tylko w jeden sposób, na przykład liniowo. Ale co się stanie, jeśli położysz kolejny polaryzator na ścieżce już zmienionego strumienia światła?

Dostępne są dwie opcje:

1. Oś nadawania drugiego polaryzatora jest wyrównana z osią pierwszego. W takim przypadku światło po prostu przejdzie przez drugi filtr, jakby go "nie zauważyło".
2. Oś transmisji drugiego filtra znajduje się pod kątem względem osi pierwszego. Aby uzyskać wynik, należy zastosować prawo Malusa dla światła spolaryzowanego.

Formuły i ich interpretacja zostaną podane poniżej.

Malus Law

Jeśli wydaje się czytelnikowi, że dwa polaryzatory są taką grą, czymś w rodzaju ćwiczenia dla umysłu, to się myli. Za pomocą drugiego filtra można określić kierunek i stopień polaryzacji strumienia światła. Dane te są wykorzystywane zarówno bezpośrednio, na przykład do oceny właściwości odległych galaktyk i mgławic, jak i pośrednio do oceny jakości powierzchni.

Prawo Malusa dla światła spolaryzowanego wyraża się wzorem:

• I = k x I ₀ x cos ² φ, gdzie
  Ja jest natężeniem końcowego strumienia światła,
  I ₀ - primary,
  k jest przepuszczalnością polaryzatora,
  φ jest kątem między polaryzacją światła padającego a polaryzatorem.

Dla przypadku relatywistycznego dodaje się cykliczne częstotliwości fal spolaryzowanych. Ale te elementy są brane pod uwagę tylko wtedy, gdy źródło światła porusza się z prędkością bliską prędkość światła. Aby skorzystać z rozszerzonej formuły Malusa, nie trzeba pokonywać trzystu tysięcy kilometrów na sekundę. Relatywistyczna prędkość to jeden procent prędkości światła w próżni.

Jednak skrupulatny czytelnik zapyta: "A co z polaryzacją kołową i eliptyczną?" Jak wspomniano powyżej, odpowiedź jest prosta. Konieczne jest przedstawienie tego rodzaju polaryzacji jako sumy dwóch liniowo spolaryzowanych fal.

Złożoność postrzegania polaryzacji jako koncepcji

Mamy nadzieję, że wyjaśniliśmy koncepcję naturalnego i spolaryzowanego światła dla czytelników. Jednak uniknięcie trudności w postrzeganiu przestrzennym tych koncepcji jest niemożliwe. Co należy zrobić, aby uświadomić sobie, jak obraca się wektor amplitudowy?

Pierwszą barierą może być niezrozumienie tego, czym jest wektor. Przede wszystkim jest to kierunek ruchu. Kiedy człowiek jeździ samochodem, wektor jego ruchu jest tam, gdzie kierowany jest nos samochodu iw którym kierunku opony się obracają, a nie tam, gdzie patrzą na niego oczy danej osoby. Jeśli wszyscy kierowcy to zrozumieją, być może na naszych drogach będzie mniej wypadków. Jak już wspomniano, w przypadku fali wektor amplitudowy jest kierunkiem, w którym fala "oscyluje" w określonym punkcie czasu.

Drugą barierą może być brak zrozumienia procesów promieniowania. Aby wypełnić luki, warto pamiętać, jakie są poziomy elektronowe w atomach i dlaczego przejściu pomiędzy nimi towarzyszy promieniowanie lub absorpcja energii. Po zrozumieniu, skąd pochodzą fotony, czytelnik prawdopodobnie lepiej zrozumie polaryzację światła.

Naturalne i spolaryzowane światło różni się nieznacznie. Jeśli nie jest jasne dla człowieka, dlaczego, powtarzamy raz jeszcze: dość trudno uzyskać światło spolaryzowane bezpośrednio po napromieniowaniu. Ale aby wybrać spośród wszystkich możliwych losowo kierowanych oscylacji światła naturalnego, tylko niektóre z nich są znacznie prostsze. Można to zrobić za pomocą specjalnych substancji krystalicznych lub polimerowych.