Täna paljastame valguse lainelise olemuse ja sellega seotud nähtuse "polarisatsiooniaste".
Võimalus näha ja valgust
Valguse olemus ja sellega seotud nägemisvõime on inimmõistusid juba pikka aega murelikuks teinud. Vanad kreeklased, püüdes nägemist seletada, eeldasid: kas silm kiirgab teatud "kiiri", mis "tunnetavad" ümbritsevaid objekte ja teavitavad seeläbi inimest nende välimusest ja kujust, või kiirgavad asjad ise midagi, mida inimesed püüavad ja hindavad, kuidas kõike. töötab. Teooriad osutusid tõest kaugel: elusolendid näevad tänu peegeldunud valgusele. Selle fakti mõistmisest kuni polarisatsiooniastme arvutamiseni oli jäänud üks samm – mõistmaks, et valgus on laine.
Valgus on laine
Valguse põhjalikumal uurimisel selgus, et häirete puudumisel levib see sirgjooneliselt ega pöördu kuhugi. Kui valgusvihu teele satub läbipaistmatu takistus, siis tekivad varjud ja kuhu valgus ise läheb, see inimesi ei huvitanud. Kuid niipea, kui kiirgus põrkas kokku läbipaistva keskkonnaga, juhtus hämmastavaid asju: kiir muutis suundalaiali ja tuhmunud. 1678. aastal pakkus H. Huygens, et seda saab seletada ühe faktiga: valgus on laine. Teadlane kujundas Huygensi printsiibi, mida hiljem täiendas Fresnel. Tänu sellele, mida inimesed tänapäeval teavad, kuidas polarisatsiooniastet määrata.
Huygensi-Fresneli põhimõte
Selle põhimõtte kohaselt on iga lainefrondi poolt saavutatud keskkonna punkt koherentse kiirguse sekundaarne allikas ja nende punktide kõigi frontide mähis toimib järgmisel ajahetkel lainefrondina. Seega, kui valgus levib häireteta, on igal järgmisel hetkel lainefront sama, mis eelmisel. Kuid niipea, kui kiir kohtab takistust, hakkab mängu veel üks tegur: erinevas keskkonnas levib valgus erineva kiirusega. Seega levib footon, millel õnnestus esimesena teise keskkonnani jõuda, selles kiiremini kui viimane kiirte footon. Seetõttu kaldub lainefront. Polarisatsiooniastmel pole sellega veel midagi pistmist, kuid selle nähtuse täielikuks mõistmiseks on lihts alt vaja.
Protsessi aeg
Eraldi tuleks öelda, et kõik need muutused toimuvad uskumatult kiiresti. Valguse kiirus vaakumis on kolmsada tuhat kilomeetrit sekundis. Igasugune meedium aeglustab valgust, kuid mitte palju. Aeg, mille jooksul lainefront moondub ühest keskkonnast teise liikudes (näiteks õhust vette), on äärmiselt lühike. Inimsilm ei suuda seda märgata ja vähesed seadmed suudavad nii lühikesi fikseeridaprotsessid. Seega tasub nähtust mõista puht alt teoreetiliselt. Nüüd, olles täiesti teadlik sellest, mis on kiirgus, soovib lugeja mõista, kuidas leida valguse polarisatsiooniastet? Ärgem petkem tema ootusi.
Valguse polarisatsioon
Oleme juba eespool maininud, et valguse footonitel on erinevates meediumites erinev kiirus. Kuna valgus on ristsuunaline elektromagnetlaine (see ei ole keskkonna kondenseerumine ja harvendamine), on sellel kaks peamist omadust:
- lainevektor;
- amplituud (ka vektorkogus).
Esimene karakteristik näitab, kuhu valguskiir on suunatud ja tekib polarisatsioonivektor ehk mis suunas elektrivälja tugevuse vektor on suunatud. See võimaldab lainevektori ümber pöörata. Looduslikul valgusel, nagu näiteks päikesevalgusel, pole polarisatsiooni. Võnkumised jaotuvad kõikides suundades võrdse tõenäosusega, ei ole valitud suunda ega mustrit, mida mööda lainevektori ots võngub.
Polariseeritud valguse tüübid
Enne kui õpite arvutama polarisatsiooniastme valemit ja tegema arvutusi, peaksite mõistma, mis tüüpi polariseeritud valgus on.
- Elliptiline polarisatsioon. Sellise valguse lainevektori lõpp kirjeldab ellipsi.
- Lineaarne polarisatsioon. See on esimese variandi erijuhtum. Nagu nimigi ütleb, on pilt ühes suunas.
- Ringpolarisatsioon. Teisel viisil nimetatakse seda ka ringikujuliseks.
Iga loomulikku valgust saab esitada kahe vastastikku risti asetseva polariseeritud elemendi summana. Tasub meeles pidada, et kaks risti polariseeritud lainet ei interakteeru. Nende sekkumine on võimatu, kuna amplituudide vastasmõju seisukoh alt ei paista neid üksteise jaoks eksisteerivat. Kui nad kohtuvad, lähevad nad lihts alt edasi, muutumata.
Osaliselt polariseeritud valgus
Polarisatsiooniefekti rakendamine on tohutu. Looduslikku valgust objektile suunates ja osaliselt polariseeritud valgust vastu võttes saavad teadlased hinnata pinna omadusi. Kuidas aga määrata osaliselt polariseeritud valguse polarisatsiooniastet?
N. A jaoks on valem. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), kus Itrans on valguse intensiivsus suunas, mis on risti polarisaatori või peegeldava pinna tasapinnaga, ja I par- paralleelne. P väärtus võib olla vahemikus 0 (polaarsuseta loomuliku valguse korral) kuni 1-ni (tasapinnalise polariseeritud kiirguse korral).
Kas loomulikku valgust saab polariseerida?
Küsimus on esmapilgul kummaline. Tavaliselt nimetatakse loomulikuks kiirgust, millel puuduvad eristatavad suunad. Maapinna elanike jaoks on see aga mõnes mõttes ligikaudne. Päike annab erineva pikkusega elektromagnetlainete voogu. See kiirgus ei ole polariseeritud. Aga möödaminnesläbi paksu atmosfäärikihi omandab kiirgus kerge polarisatsiooni. Seega ei ole loomuliku valguse polarisatsiooniaste üldiselt null. Kuid väärtus on nii väike, et see jäetakse sageli tähelepanuta. Seda võetakse arvesse ainult täpsete astronoomiliste arvutuste korral, kus väikseimgi viga võib lisada tähele aastaid või meie süsteemi kaugust.
Miks valgus polariseerub?
Oleme eespool sageli öelnud, et footonid käituvad erinevas keskkonnas erinev alt. Kuid nad ei maininud, miks. Vastus oleneb sellest, millisest keskkonnast me räägime ehk millises koondseisundis see on.
- Sööde on rangelt perioodilise struktuuriga kristalne keha. Tavaliselt on sellise aine struktuur kujutatud võre kujul, millel on fikseeritud kuulid - ioonid. Kuid üldiselt pole see täiesti täpne. Selline lähendamine on sageli õigustatud, kuid mitte kristalli ja elektromagnetilise kiirguse vastasmõju korral. Tegelikult võngub iga ioon oma tasakaaluasendi ümber ja mitte juhuslikult, vaid vastav alt sellele, millised naabrid tal on, millistel vahemaadel ja kui palju neid. Kuna kõik need vibratsioonid on rangelt programmeeritud jäiga keskkonna poolt, on see ioon võimeline kiirgama neeldunud footoni ainult rangelt määratletud kujul. See asjaolu toob kaasa teise: milline saab olema väljuva footoni polarisatsioon, sõltub sellest, millises suunas see kristalli sisenes. Seda nimetatakse omaduste anisotroopiaks.
- Kolmapäev – vedel. Siin on vastus keerulisem, kuna toimivad kaks tegurit - molekulide keerukus jatiheduse kõikumised (kondensatsioon-haruldamine). Iseenesest on keerukatel pikkadel orgaanilistel molekulidel teatud struktuur. Isegi kõige lihtsamad väävelhappe molekulid ei ole kaootiline sfääriline tromb, vaid väga spetsiifiline ristikujuline kuju. Teine asi on see, et tavatingimustes on need kõik juhuslikult paigutatud. Teine tegur (kõikumine) on aga võimeline looma tingimused, mille korral väike hulk molekule moodustab väikeses mahus midagi ajutise struktuuri taolist. Sel juhul suunatakse kõik molekulid koos või paiknevad nad üksteise suhtes teatud kindla nurga all. Kui valgus sel ajal läbib sellise vedelikuosa, omandab see osalise polarisatsiooni. See viib järeldusele, et temperatuur mõjutab tugev alt vedeliku polarisatsiooni: mida kõrgem on temperatuur, seda tõsisem on turbulents ja seda rohkem selliseid alasid tekib. Viimane järeldus on olemas tänu iseorganiseerumise teooriale.
- Kolmapäev – gaas. Homogeense gaasi puhul toimub polarisatsioon kõikumiste tõttu. Seetõttu omandab atmosfääri läbiv Päikese loomulik valgus väikese polarisatsiooni. Ja seepärast on taeva värvus sinine: tihendatud elementide keskmine suurus on selline, et sinine ja violetne elektromagnetkiirgus hajub. Aga kui tegemist on gaaside seguga, siis on polarisatsiooniastme arvutamine palju keerulisem. Neid probleeme lahendavad sageli astronoomid, kes uurivad tähe valgust, mis on läbinud tiheda molekulaarse gaasipilve. Seetõttu on nii raske ja huvitav uurida kaugeid galaktikaid ja parvesid. Agaastronoomid tulevad toime ja annavad inimestele hämmastavaid fotosid sügavast kosmosest.
