Oggi riveleremo l'essenza della natura ondulatoria della luce e il fenomeno del "grado di polarizzazione" correlato a questo fatto.
La capacità di vedere e illuminare
La natura della luce e la capacità di vedere ad essa associata preoccupano le menti umane da molto tempo. Gli antichi greci, cercando di spiegare la visione, presumevano: o l'occhio emette certi "raggi" che "sentono" gli oggetti circostanti e quindi informano la persona del loro aspetto e della loro forma, oppure le cose stesse emettono qualcosa che le persone catturano e giudicano come tutto funziona. Le teorie si sono rivelate lontane dalla verità: gli esseri viventi vedono grazie alla luce riflessa. Dalla realizzazione di questo fatto all'essere in grado di calcolare qual è il grado di polarizzazione, mancava un passo per capire che la luce è un'onda.
La luce è un'onda
Con uno studio più dettagliato della luce, si è scoperto che in assenza di interferenza, si propaga in linea retta e non gira da nessuna parte. Se un ostacolo opaco ostacola il raggio, si formano delle ombre e dove va la luce stessa, le persone non erano interessate. Ma non appena la radiazione si è scontrata con un mezzo trasparente, sono accadute cose incredibili: il raggio ha cambiato direzionediffuso e oscurato. Nel 1678, H. Huygens suggerì che ciò potesse essere spiegato da un unico fatto: la luce è un'onda. Lo scienziato formò il principio di Huygens, che fu successivamente integrato da Fresnel. Grazie a ciò che le persone oggi sanno come determinare il grado di polarizzazione.
Principio di Huygens-Fresnel
Secondo questo principio, qualsiasi punto del mezzo raggiunto dal fronte d'onda è una sorgente secondaria di radiazione coerente, e l'inviluppo di tutti i fronti di questi punti funge da fronte d'onda al momento successivo. Pertanto, se la luce si propaga senza interferenza, in ogni momento successivo il fronte d'onda sarà lo stesso del precedente. Ma non appena il raggio incontra un ostacolo, entra in gioco un altro fattore: in mezzi dissimili, la luce si propaga a velocità diverse. Pertanto, il fotone che è riuscito a raggiungere per primo l' altro mezzo si propagherà in esso più velocemente dell'ultimo fotone del raggio. Pertanto, il fronte d'onda si inclinerà. Il grado di polarizzazione non c'entra ancora nulla, ma è semplicemente necessario comprendere appieno questo fenomeno.
Tempo di elaborazione
Va detto separatamente che tutti questi cambiamenti stanno avvenendo in modo incredibilmente veloce. La velocità della luce nel vuoto è di trecentomila chilometri al secondo. Qualsiasi mezzo rallenta la luce, ma non di molto. Il tempo durante il quale il fronte d'onda viene distorto quando ci si sposta da un mezzo all' altro (ad esempio, dall'aria all'acqua) è estremamente breve. L'occhio umano non può notarlo e pochi dispositivi sono in grado di riparare così cortoprocessi. Quindi vale la pena comprendere il fenomeno in modo puramente teorico. Ora, pienamente consapevole di cosa sia la radiazione, il lettore vorrà capire come trovare il grado di polarizzazione della luce? Non inganniamo le sue aspettative.
Polarizzazione della luce
Abbiamo già menzionato sopra che i fotoni di luce hanno velocità diverse in diversi mezzi. Poiché la luce è un'onda elettromagnetica trasversale (non è una condensazione e rarefazione del mezzo), ha due caratteristiche principali:
- vettore d'onda;
- ampiezza (anche una quantità vettoriale).
La prima caratteristica indica dove è diretto il raggio di luce, e sorge il vettore di polarizzazione, cioè in quale direzione è diretto il vettore dell'intensità del campo elettrico. Ciò consente di ruotare attorno al vettore d'onda. La luce naturale, come quella emessa dal sole, non ha polarizzazione. Le oscillazioni sono distribuite in tutte le direzioni con uguale probabilità, non esiste una direzione o uno schema prescelto lungo il quale oscilla l'estremità del vettore d'onda.
Tipi di luce polarizzata
Prima di imparare a calcolare la formula per il grado di polarizzazione e fare calcoli, dovresti capire quali sono i tipi di luce polarizzata.
- Polarizzazione ellittica. La fine del vettore d'onda di tale luce descrive un'ellisse.
- Polarizzazione lineare. Questo è un caso speciale della prima opzione. Come suggerisce il nome, l'immagine è una direzione.
- Polarizzazione circolare. In un altro modo, è anche chiamato circolare.
Qualsiasi luce naturale può essere rappresentata come la somma di due elementi polarizzati reciprocamente perpendicolari. Vale la pena ricordare che due onde polarizzate perpendicolarmente non interagiscono. La loro interferenza è impossibile, poiché dal punto di vista dell'interazione delle ampiezze, sembrano non esistere l'una per l' altra. Quando si incontrano, muoiono senza cambiare.
Luce parzialmente polarizzata
L'applicazione dell'effetto di polarizzazione è enorme. Dirigendo la luce naturale verso un oggetto e ricevendo luce parzialmente polarizzata, gli scienziati possono giudicare le proprietà della superficie. Ma come si determina il grado di polarizzazione della luce parzialmente polarizzata?
C'è una formula per N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), dove Itrans è l'intensità della luce nella direzione perpendicolare al piano del polarizzatore o della superficie riflettente, e I par- parallelo. Il valore P può assumere valori da 0 (per luce naturale priva di polarizzazione) a 1 (per radiazione polarizzata piana).
La luce naturale può essere polarizzata?
La domanda è strana a prima vista. Dopotutto, la radiazione in cui non ci sono direzioni distinte è solitamente chiamata naturale. Tuttavia, per gli abitanti della superficie terrestre, questa è in un certo senso un'approssimazione. Il sole emette un flusso di onde elettromagnetiche di varia lunghezza. Questa radiazione non è polarizzata. Ma di passaggioattraverso uno spesso strato di atmosfera, la radiazione acquisisce una leggera polarizzazione. Quindi il grado di polarizzazione della luce naturale generalmente non è zero. Ma il valore è così piccolo che spesso viene trascurato. Viene preso in considerazione solo nel caso di calcoli astronomici precisi, dove il minimo errore può aggiungere anni alla stella o distanza al nostro sistema.
Perché la luce si polarizza?
Abbiamo spesso detto sopra che i fotoni si comportano diversamente in mezzi dissimili. Ma non hanno menzionato il perché. La risposta dipende dal tipo di ambiente di cui stiamo parlando, in altre parole, in quale stato aggregato si trova.
- Il mezzo è un corpo cristallino con una struttura rigorosamente periodica. Di solito la struttura di una tale sostanza è rappresentata come un reticolo con sfere fisse - ioni. Ma in generale, questo non è del tutto esatto. Tale approssimazione è spesso giustificata, ma non nel caso dell'interazione di un cristallo e di una radiazione elettromagnetica. Ogni ione infatti oscilla attorno alla sua posizione di equilibrio, e non in modo casuale, ma in base a quali vicini ha, a quali distanze e quanti di essi. Poiché tutte queste vibrazioni sono rigorosamente programmate da un mezzo rigido, questo ione è in grado di emettere un fotone assorbito solo in una forma rigorosamente definita. Questo fatto ne dà origine ad un altro: quale sarà la polarizzazione del fotone in uscita dipende dalla direzione in cui è entrato nel cristallo. Questo si chiama anisotropia della proprietà.
- Mercoledì - liquido. Qui la risposta è più complicata, poiché due fattori sono all'opera: la complessità delle molecole efluttuazioni (condensazione-rarefazione) di densità. Di per sé, le molecole organiche lunghe complesse hanno una certa struttura. Anche le molecole più semplici di acido solforico non sono un coagulo sferico caotico, ma una forma cruciforme molto specifica. Un' altra cosa è che in condizioni normali sono tutti disposti in modo casuale. Tuttavia, il secondo fattore (fluttuazione) è in grado di creare condizioni in cui un piccolo numero di molecole forma in un piccolo volume qualcosa come una struttura temporanea. In questo caso, tutte le molecole saranno co-dirette o saranno posizionate l'una rispetto all' altra ad angoli specifici. Se la luce in questo momento passa attraverso una tale sezione del liquido, acquisirà una polarizzazione parziale. Ciò porta alla conclusione che la temperatura influisce fortemente sulla polarizzazione del liquido: maggiore è la temperatura, più grave è la turbolenza e più si formeranno tali aree. L'ultima conclusione esiste grazie alla teoria dell'auto-organizzazione.
- Mercoledì - gas. Nel caso di un gas omogeneo, la polarizzazione si verifica a causa delle fluttuazioni. Ecco perché la luce naturale del Sole, passando attraverso l'atmosfera, acquisisce una piccola polarizzazione. Ed è per questo che il colore del cielo è blu: la dimensione media degli elementi compattati è tale da disperdere la radiazione elettromagnetica blu e viola. Ma se abbiamo a che fare con una miscela di gas, è molto più difficile calcolare il grado di polarizzazione. Questi problemi sono spesso risolti dagli astronomi che studiano la luce di una stella che è passata attraverso una densa nube molecolare di gas. Pertanto, è così difficile e interessante studiare galassie e ammassi distanti. Magli astronomi stanno affrontando e regalando foto straordinarie dello spazio profondo alle persone.
