Polarizirano i prirodno svjetlo: pojam, razlike, zakoni

Danas ćemo govoriti o polariziranom i prirodnom svjetlu. Koje su njihove razlike i kako se polarizacija stvara kada prolazi kroz tvar?

Svjetlo je val

Prije nego što krenemo u složenije koncepte, prvo moramo objasniti što je svjetlo.

Već dugo vremena eksperimenti s refleksijom i lomom uvjerili su znanstvenike: svjetlost ima prirodu vala, to jest, ona je oscilacija nekog polja. Na primjer, Huygens je izveden, a Fresnel je dopunio princip. Prema potonjem, svaka točka medija, kojoj je fronta vala dostigla, postaje sekundarni izvor svjetla. Ali polarizirano i prirodno svjetlo je različito, ne samo zato što su valovi. Newton je vjerovao: zrake su sastavljene od najmanjih čestica - krvnih zrnaca. Stoga je predvidio kvantnu teoriju najmanjih elemenata našeg svijeta, a to su fotoni.

Dualizam korpuskularnog vala

Eksperimenti Lebedev je uvjerio znanstveni svijet: svjetlo je u stanju vršiti pritisak na okolne stvari. Prije istraživača bilo je mnogo tehničkih poteškoća. Unatoč tome, dokazao je da fotoni svjetla prenose ne-nulti zamah na površine kada naiđu na prepreku. Ovaj fenomen zbunio je znanstvenike. Kako je moguće povezati valna svojstva i materijalnost mase?

Kao rezultat toga, istraživači su morali priznati: svaka elementarna čestica je i val i materijalni objekt. Fotoni imaju slične znakove oscilatora (Valna duljina, frekvencija i amplituda) i karakteristike materijalne tvari (masa, moment i energija). To je princip dualnosti valova i čestica. Također je trebalo točno shvatiti kako naizgled beskonačni val s konačnom masom postoji i kreće se u prostoru. Koncept "kvanta" došao je u pomoć - to je najmanji paket određene zajedničke cjeline koja se kreće i komunicira sa supstancom. Na primjer, polarizirana i prirodna svjetlost su kvanti elektromagnetskog polja. Ali takvo okruženje nije jedino predmet kvantizacije. Postoje i kvanti:

• gravitacijsko polje (gravitoni se predviđaju samo teoretski, znanstvenici su se vrlo približili dokazivanju svog postojanja);
• gluonsko polje (gluoni, za razliku od gravitona, pronađeno);
• kolektivna interakcija čvorova kristalna rešetka krute tvari (fononi, na primjer, odgovorni su za pretvaranje elektromagnetskog zračenja u kristalima u zvuk).

Međutim, zamisliti zašto je svjetlo polarizirano, gore opisano znanje nije dovoljno. Potrebno je naprezati prostornu imaginaciju.

Kako je svjetlost polarizirana?

Kao što smo gore objasnili, svjetlo je val. Ali elektromagnetska oscilacija, za razliku od mora, ne samo da pomiču polje gore i dolje. Smjer širenja valova pokazuje val vektor. vektor amplituda koja se može okretati oko vala. Može postojati mnogo vrsta ove rotacije. Vektor amplitude razumijeva se kao smjer u kojem se pomiče amplituda vala u danom vremenu.

Svaki produženi izvor, poput žarulje sa žarnom niti ili Sunce, generira fotone svih mogućih tipova. Vektor amplitude je kaotično usmjeren na takvo zračenje. Sada zamislite šešir. Ona se kreće naprijed duž glavne osi, ali se istovremeno okreće oko njega. Točka na bočnoj strani cilindra pokazat će oblik kretanja vektora amplitude kružno polariziranog vala. Drugi koncept povezan je s prostornim konstrukcijama - "svjetlosnim vektorom". Označava smjer gustoće toka. Ova vrijednost određuje intenzitet i smjer prijenosa svjetlosne energije. Ovaj izraz se rijetko koristi, u pravilu, u primijenjenim tehničkim tekstovima, u kojima se rješava problem osvjetljavanja određenih mjesta svjetiljkama ili reflektorima. Knjige o fizici, primjerice, udžbenici i priručnici koštaju jednostavne i temeljne pojmove.

Zašto je svjetlost polarizirana?

Fotoni se emitiraju kada se elektroni u atomima kreću iz višeg u niži položaj. Razmotrimo jedan foton koji emitira neki atom. Karakteristika takvog kvanta je sasvim konkretna. Taj će se foton oscilirati u određenom smjeru, a njegov vektor amplitude će ležati u jednoj ravnini. Tako je jedan foton uvijek linearno polariziran. Prema tome, jedna od metoda za proizvodnju polariziranog svjetla je koherentna stimulirana emisija iz mnogih identičnih atoma. Ali ova metoda nije uvijek primjenjiva, a odgovarajući uređaji (laseri) nisu dostupni svima. Međutim, svjetlost sunca ili obična žarulja sa žarnom niti vrlo je jednostavna. Da bi ih se polariziralo, potrebno je postaviti takvu prepreku na put zračenja, koji prolazi samo jednu vrstu oscilacija i odgađa sve ostale. Dakle, drugi načini proizvodnje polariziranog svjetla povezani su sa stvaranjem filtera za prirodno zračenje.

U pravilu su za to sposobni kristali s danom strukturom ili polimerne membrane, u kojima se vlakna nalaze u određenom smjeru. Prvi prirodni polarizator koji su otkrili znanstvenici bio je kristalni kvarc s Islanda, tzv. Islandski spar. I prvi umjetni polarizator bio je organska membrana s dodatkom jodnih iona. Sada se komercijalno koriste polaroidni filmovi, spojeni između dva ravna naočala.

Vrste polariziranog svjetla

Nešto više smo već dali kružnu polarizaciju i njezinu raspodjelu oscilacija u prostoru. Ali postoje i drugi tipovi polarizacije. Kao što je čitatelj vjerojatno već razumio, polarizirana i prirodna svjetlost međusobno se međusobno prožimaju: prvo se lako dobiva iz drugog.

polarizacija elektromagnetski valovi događa se u obliku:

• kružni (kružni);
• linearan;
• eliptičan.

Također, prema stupnju promjene polarizacije je:

• dovršiti;
• djelomična.

Polarizacija, osim linearnog, je kolektivna, a ne pojedinačna. Drugim riječima, jedan foton ne može biti eliptički polariziran, zahtijeva određenu količinu kvanta svjetlosti. Zato je u matematičkim manipulacijama eliptično i kružno polarizirano svjetlo postavljeno u dvije okomite komponente.

Primjeri djelomične polarizacije

Primjer djelomične polarizacije je svjetlo Sunca koje je prošlo kroz atmosferu Zemlje. Debeli sloj mješavine plinova je uvijek u pokretu, neka područja su zbijena, druga su razrijeđena.

Te brtve raspršuju dio elektromagnetskih oscilacija, tako da svjetlost doseže djelomično polariziranu površinu planeta. No, stupanj tih promjena je mali: zakoni polariziranog svjetla primjenjuju se samo u vrlo preciznim astronomskim izračunima. U drugim slučajevima, zračenje Sunca na površini Zemlje smatra se prirodnim.

Rotacija polarizatora

Na putu prirodnog svjetla, potrebno je staviti odgovarajući filtar za polarizaciju. Nakon filtra, vektor amplitude elektromagnetskog zračenja će oscilirati samo na jedan način, na primjer linearno. Ali što se događa ako stavite još jedan polarizator na put već izmijenjenog toka svjetlosti?

Postoje dvije opcije:

1. Os prijenosa drugog polarizatora poravnana je s osi prvog polarizatora. U ovom slučaju, svjetlo će jednostavno proći drugi filtar, kao da ga "ne primjećuje".
2. Os prijenosa drugog filtra nalazi se pod kutom prema osi prvog. Za dobivanje rezultata potrebno je primijeniti Malusov zakon za polarizirano svjetlo.

Formule i njihovo tumačenje dat će se u nastavku.

Malusov zakon

Ako čitatelju izgleda da su ta dva polarizatora takva igra, nešto poput vježbe za um, onda je to pogrešno. Pomoću drugog filtra možete odrediti smjer i stupanj polarizacije struje svjetla. Ovi se podaci koriste izravno, na primjer, u procjeni svojstava udaljenih galaksija i maglina, i posredno, za procjenu kvalitete površina.

Zakon Malusa za polarizirano svjetlo izražava se formulom:

• I = k x I x x cos ² φ, gdje
  Ja je intenzitet posljednje struje svjetlosti,
  I ₀ - primarno,
  k je propuštanje polarizatora,
  between je kut između polarizacijskih ravnina upadne svjetlosti i polarizatora.

Za relativistički slučaj dodaju se cikličke frekvencije polariziranih valova. No ove se komponente uzimaju u obzir samo ako se izvor svjetlosti kreće brzinom koja je blizu brzinu svjetlosti. Da bi se koristila proširena formula Malusa, nije potrebno prevladati tristo tisuća kilometara u sekundi. Relativistička brzina je jedan posto brzine svjetlosti u vakuumu.

Međutim, pažljivi čitatelj će pitati: "Ali što je s kružnom i eliptičnom polarizacijom?" Kao što smo već spomenuli, odgovor je jednostavan. Potrebno je prikazati ovu vrstu polarizacije kao zbroj dvaju linearno polariziranih valova.

Složenost opažanja polarizacije kao koncepta

Nadamo se da smo čitateljima pojasnili koncept prirodnog i polariziranog svjetla. Međutim, izbjegavanje poteškoća u prostornoj percepciji ovih pojmova je nemoguće. Što treba učiniti kako bi se shvatilo kako se rotira amplitudni vektor?

Prva prepreka može biti pogrešno razumijevanje onoga što je vektor. Prije svega, to je smjer kretanja. Kada osoba vozi automobil, vektor njegovog kretanja je mjesto gdje je usmjeren nos automobila i u kojem smjeru se gume okreću, a ne tamo gdje gledaju oči osobe. Ako bi svi vozači to shvatili, možda bi bilo manje nesreća na našim cestama. Kao što smo već spomenuli, u slučaju vala, vektor amplitude je smjer u kojem val "oscilira" u određenoj vremenskoj točki.

Druga prepreka može biti nedostatak razumijevanja procesa zračenja. Da bi se popunile praznine, vrijedi se sjetiti koje su elektronske razine u atomima i zašto je tranzicija između njih popraćena ili zračenjem ili apsorpcijom energije. Shvaćajući odakle dolaze fotoni, čitatelj će vjerojatno bolje razumjeti polarizaciju svjetla.

Prirodno i polarizirano svjetlo neznatno se razlikuju. Ako za osobu nije jasno zašto, ponavljamo još jednom: vrlo je teško dobiti polarizirano svjetlo odmah nakon zračenja. No, da bi se izabrale sve moguće nasumično usmjerene oscilacije prirodnog svjetla samo neke specifične, mnogo je jednostavnije. To se može učiniti pomoću posebnih kristalnih ili polimernih tvari.