Šiandien atskleisime šviesos banginės prigimties esmę ir su šiuo faktu susijusį reiškinį „poliarizacijos laipsnis“.
Gebėjimas matyti ir šviesti
Šviesos prigimtis ir su ja susijęs gebėjimas matyti žmonių protus jau seniai nerimavo. Senovės graikai, bandydami paaiškinti regėjimą, manė: arba akis skleidžia tam tikrus „spindulius“, kurie „jaučia“aplinkinius objektus ir taip informuoja žmogų apie jų išvaizdą ir formą, arba patys daiktai skleidžia kažką, ką žmonės pagauna ir įvertina, kaip viskas yra. veikia. Teorijos pasirodė toli nuo tiesos: gyvos būtybės mato atsispindėjusios šviesos dėka. Nuo šio fakto suvokimo iki sugebėjimo apskaičiuoti, koks yra poliarizacijos laipsnis, liko vienas žingsnis – suprasti, kad šviesa yra banga.
Šviesa yra banga
Išsamiau ištyrus šviesą, paaiškėjo, kad nesant trukdžių ji sklinda tiesia linija ir niekur nesisuka. Jei spinduliui kliudo nepermatoma kliūtis, tada susidaro šešėliai, o kur eina pati šviesa, žmonėms nebuvo įdomu. Tačiau kai tik spinduliuotė susidūrė su skaidria terpe, įvyko nuostabūs dalykai: spindulys pakeitė kryptįskleisti ir pritemdyti. 1678 metais H. Huygensas pasiūlė, kad tai galima paaiškinti vienu faktu: šviesa yra banga. Mokslininkas suformavo Huygenso principą, kurį vėliau papildė Fresnelis. Dėl to, ką šiandien žmonės žino, kaip nustatyti poliarizacijos laipsnį.
Huygenso-Fresnelio principas
Pagal šį principą bet kuris terpės taškas, kurį pasiekia bangos frontas, yra antrinis koherentinės spinduliuotės š altinis, o visų šių taškų frontų gaubtas kitą laiko momentą veikia kaip bangos frontas. Taigi, jei šviesa sklinda be trukdžių, kiekvieną kitą akimirką bangos frontas bus toks pat kaip ir ankstesniame. Tačiau kai tik spindulys susiduria su kliūtimi, pradeda veikti kitas veiksnys: skirtingose terpėse šviesa sklinda skirtingu greičiu. Taigi fotonas, kuriam pavyko pirmas pasiekti kitą terpę, joje sklis greičiau nei paskutinis fotonas iš pluošto. Todėl bangos frontas pasvirs. Poliarizacijos laipsnis dar neturi nieko bendro su tuo, bet tiesiog būtina iki galo suprasti šį reiškinį.
Apdorojimo laikas
Atskirai reikėtų pasakyti, kad visi šie pokyčiai vyksta neįtikėtinai greitai. Šviesos greitis vakuume yra trys šimtai tūkstančių kilometrų per sekundę. Bet kokia terpė sulėtina šviesą, bet ne per daug. Laikas, per kurį bangos frontas iškraipomas judant iš vienos terpės į kitą (pavyzdžiui, iš oro į vandenį), yra itin trumpas. Žmogaus akis to nepastebi, ir nedaugelis prietaisų gali užfiksuoti tokius trumpusprocesus. Taigi reiškinį verta suprasti grynai teoriškai. Dabar, visiškai suprasdamas, kas yra spinduliuotė, skaitytojas norės suprasti, kaip rasti šviesos poliarizacijos laipsnį? Neapgaukime jo lūkesčių.
Šviesos poliarizacija
Aukščiau jau minėjome, kad skirtingose terpėse šviesos fotonai turi skirtingą greitį. Kadangi šviesa yra skersinė elektromagnetinė banga (tai nėra terpės kondensacija ir retėjimas), ji turi dvi pagrindines charakteristikas:
- bangos vektorius;
- amplitudė (taip pat vektorinis dydis).
Pirmoji charakteristika rodo, kur nukreiptas šviesos spindulys, ir atsiranda poliarizacijos vektorius, tai yra, kuria kryptimi nukreiptas elektrinio lauko stiprumo vektorius. Tai leidžia suktis aplink bangos vektorių. Natūrali šviesa, pavyzdžiui, saulės spinduliuojama, neturi poliarizacijos. Virpesiai pasiskirsto visomis kryptimis vienoda tikimybe, nėra pasirinktos krypties ar modelio, pagal kurį svyruotų bangos vektoriaus galas.
Poliarizuotos šviesos tipai
Prieš išmokdami apskaičiuoti poliarizacijos laipsnio formulę ir atlikdami skaičiavimus, turėtumėte suprasti, kokie yra poliarizuotos šviesos tipai.
- Eliptinė poliarizacija. Tokios šviesos bangos vektoriaus pabaiga apibūdina elipsę.
- Tiesinė poliarizacija. Tai ypatingas pirmojo varianto atvejis. Kaip rodo pavadinimas, vaizdas yra viena kryptimi.
- Apskritoji poliarizacija. Kitu būdu jis taip pat vadinamas apskritimu.
Bet kokia natūrali šviesa gali būti pavaizduota kaip dviejų viena kitai statmenų poliarizuotų elementų suma. Verta prisiminti, kad dvi statmenai poliarizuotos bangos nesąveikauja. Jų trukdymas yra neįmanomas, nes amplitudių sąveikos požiūriu atrodo, kad jie vienas kitam neegzistuoja. Susitikę jie tiesiog praeina nepasikeisdami.
Iš dalies poliarizuota šviesa
Poliarizacijos efekto taikymas yra didžiulis. Nukreipdami natūralią šviesą į objektą ir gaudami iš dalies poliarizuotą šviesą, mokslininkai gali spręsti apie paviršiaus savybes. Bet kaip nustatyti iš dalies poliarizuotos šviesos poliarizacijos laipsnį?
Yra N. A formulė. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), kur Itrans yra šviesos intensyvumas statmena poliarizatoriaus arba atspindinčio paviršiaus plokštumai, o I par– lygiagrečiai. P reikšmė gali būti nuo 0 (natūraliai šviesai be jokios poliarizacijos) iki 1 (plokštumos poliarizuotai spinduliuotei).
Ar galima natūralią šviesą poliarizuoti?
Klausimas iš pirmo žvilgsnio keistas. Juk spinduliuotė, kurioje nėra išskirtų krypčių, dažniausiai vadinama natūralia. Tačiau Žemės paviršiaus gyventojams tai tam tikra prasme yra apytikslis. Saulė skleidžia įvairaus ilgio elektromagnetinių bangų srautą. Ši spinduliuotė nėra poliarizuota. Bet praeinaper storą atmosferos sluoksnį spinduliuotė įgauna nedidelę poliarizaciją. Taigi natūralios šviesos poliarizacijos laipsnis paprastai nėra lygus nuliui. Tačiau vertė tokia maža, kad dažnai jos nepaisoma. Į tai atsižvelgiama tik atliekant tikslius astronominius skaičiavimus, kai dėl menkiausios paklaidos žvaigždė gali prailginti metus arba atstumas iki mūsų sistemos.
Kodėl šviesa poliarizuojasi?
Dažnai anksčiau minėjome, kad fotonai skirtingose terpėse elgiasi skirtingai. Bet jie nepaminėjo kodėl. Atsakymas priklauso nuo to, apie kokią aplinką kalbame, kitaip tariant, kokia ji yra.
- Terpė yra kristalinis kūnas su griežtai periodine struktūra. Paprastai tokios medžiagos struktūra vaizduojama kaip grotelės su fiksuotais rutuliais - jonais. Tačiau apskritai tai nėra visiškai tikslu. Toks aproksimavimas dažnai pateisinamas, bet ne kristalo ir elektromagnetinės spinduliuotės sąveikos atveju. Tiesą sakant, kiekvienas jonas svyruoja aplink savo pusiausvyros padėtį, ir ne atsitiktinai, o pagal tai, kokius kaimynus jis turi, kokiais atstumais ir kiek jų. Kadangi visos šios vibracijos yra griežtai užprogramuotos standžios terpės, šis jonas sugeba išspinduliuoti sugertą fotoną tik griežtai apibrėžta forma. Šis faktas sukelia kitą: kokia bus išeinančio fotono poliarizacija, priklauso nuo krypties, kuria jis pateko į kristalą. Tai vadinama savybių anizotropija.
- Trečiadienis – skystas. Čia atsakymas yra sudėtingesnis, nes veikia du veiksniai - molekulių sudėtingumas irtankio svyravimai (kondensacija-retėjimas). Pačios sudėtingos ilgos organinės molekulės turi tam tikrą struktūrą. Net ir paprasčiausios sieros rūgšties molekulės yra ne chaotiškas sferinis krešulys, o labai specifinė kryžiaus formos forma. Kitas dalykas, kad normaliomis sąlygomis jie visi yra išdėstyti atsitiktinai. Tačiau antrasis veiksnys (svyravimai) gali sukurti sąlygas, kurioms esant nedidelis kiekis molekulių mažame tūryje susidaro kažkas panašaus į laikiną struktūrą. Šiuo atveju arba visos molekulės bus nukreiptos kartu, arba jos bus viena kitos atžvilgiu tam tikrais konkrečiais kampais. Jei šviesa šiuo metu praeis per tokią skysčio dalį, ji įgaus dalinę poliarizaciją. Tai leidžia daryti išvadą, kad temperatūra stipriai veikia skysčio poliarizaciją: kuo aukštesnė temperatūra, tuo rimtesnė turbulencija ir tuo daugiau tokių sričių susidarys. Paskutinė išvada yra saviorganizacijos teorijos dėka.
- Trečiadienis – dujos. Vienalyčių dujų atveju poliarizacija atsiranda dėl svyravimų. Štai kodėl natūrali Saulės šviesa, eidama per atmosferą, įgauna nedidelę poliarizaciją. Štai kodėl dangaus spalva yra mėlyna: vidutinis sutankintų elementų dydis yra toks, kad mėlyna ir violetinė elektromagnetinė spinduliuotė yra išsklaidyta. Bet jei kalbame apie dujų mišinį, tada daug sunkiau apskaičiuoti poliarizacijos laipsnį. Šias problemas dažnai išsprendžia astronomai, tyrinėjantys žvaigždės šviesą, kuri praėjo per tankų molekulinį dujų debesį. Todėl taip sunku ir įdomu tyrinėti tolimas galaktikas ir spiečius. Betastronomai susidoroja ir žmonėms pateikia nuostabias gilios erdvės nuotraukas.
