Dnes odhalíme podstatu vlnovej podstaty svetla as tým súvisiaci fenomén „stupeň polarizácie“.
Schopnosť vidieť a svietiť
Povaha svetla a s ním spojená schopnosť vidieť znepokojuje ľudské mysle už dlhú dobu. Starí Gréci, ktorí sa pokúšali vysvetliť videnie, predpokladali: buď oko vyžaruje určité „lúče“, ktoré „cítia“okolité predmety, a tým informujú osobu o ich vzhľade a tvare, alebo samotné veci vyžarujú niečo, čo ľudia zachytia a posúdia, ako všetko funguje. Ukázalo sa, že teórie sú ďaleko od pravdy: živé bytosti vidia vďaka odrazenému svetlu. Od uvedomenia si tejto skutočnosti k schopnosti vypočítať, aký je stupeň polarizácie, zostával jeden krok – pochopiť, že svetlo je vlna.
Svetlo je vlna
Pri podrobnejšom štúdiu svetla sa ukázalo, že bez rušenia sa šíri priamočiaro a nikam sa neotáča. Ak sa lúču dostane do cesty nepriehľadná prekážka, tak vznikajú tiene a kam ide samotné svetlo, ľudí to nezaujímalo. Ale len čo sa žiarenie zrazilo s priehľadným médiom, stali sa úžasné veci: lúč zmenil smerrozprestreté a stlmené. V roku 1678 H. Huygens navrhol, že to možno vysvetliť jediným faktom: svetlo je vlna. Vedec vytvoril Huygensov princíp, ktorý neskôr doplnil Fresnel. Vďaka tomu, čo dnes ľudia vedia určiť stupeň polarizácie.
Huygensov-Fresnelov princíp
Podľa tohto princípu je akýkoľvek bod média dosiahnutý čelom vlny sekundárnym zdrojom koherentného žiarenia a obálka všetkých čiel týchto bodov pôsobí v nasledujúcom časovom okamihu ako čelo vlny. Ak sa teda svetlo šíri bez rušenia, v každom ďalšom okamihu bude čelo vlny rovnaké ako v predchádzajúcom. Ale akonáhle lúč narazí na prekážku, do hry vstupuje ďalší faktor: v odlišných médiách sa svetlo šíri rôznymi rýchlosťami. Fotón, ktorému sa podarilo dostať do druhého média ako prvému, sa v ňom teda bude šíriť rýchlejšie ako posledný fotón z lúča. Preto sa čelo vlny nakloní. Stupeň polarizácie s tým zatiaľ nemá nič spoločné, ale je jednoducho potrebné tento jav plne pochopiť.
Čas procesu
Treba osobitne povedať, že všetky tieto zmeny prebiehajú neuveriteľne rýchlo. Rýchlosť svetla vo vákuu je tristotisíc kilometrov za sekundu. Akékoľvek médium spomaľuje svetlo, ale nie príliš. Čas, počas ktorého je čelo vlny skreslené pri prechode z jedného média do druhého (napríklad zo vzduchu do vody), je extrémne krátky. Ľudské oko si to nevšimne a len málo zariadení je schopných tak krátko opraviťprocesy. Takže stojí za to pochopiť tento jav čisto teoreticky. Teraz, keď si čitateľ plne uvedomuje, čo je žiarenie, bude chcieť pochopiť, ako nájsť stupeň polarizácie svetla? Neklamme jeho očakávania.
Polarizácia svetla
Vyššie sme už spomenuli, že fotóny svetla majú v rôznych médiách rôznu rýchlosť. Keďže svetlo je priečna elektromagnetická vlna (nejde o kondenzáciu a riedenie média), má dve hlavné charakteristiky:
- vlnový vektor;
- amplitúda (tiež vektorová veličina).
Prvá charakteristika udáva, kam smeruje svetelný lúč a vzniká polarizačný vektor, teda akým smerom smeruje vektor intenzity elektrického poľa. To umožňuje rotáciu okolo vlnového vektora. Prirodzené svetlo, aké vyžaruje slnko, nemá žiadnu polarizáciu. Oscilácie sú distribuované vo všetkých smeroch s rovnakou pravdepodobnosťou, neexistuje žiadny zvolený smer alebo vzor, pozdĺž ktorého osciluje koniec vlnového vektora.
Typy polarizovaného svetla
Skôr ako sa naučíte vypočítať vzorec pre stupeň polarizácie a urobiť výpočty, mali by ste pochopiť, aké typy polarizovaného svetla sú.
- Eliptická polarizácia. Koniec vlnového vektora takéhoto svetla opisuje elipsu.
- Lineárna polarizácia. Toto je špeciálny prípad prvej možnosti. Ako už názov napovedá, obrázok je jednosmerný.
- Kruhová polarizácia. Iným spôsobom sa nazýva aj kruhový.
Akékoľvek prirodzené svetlo môže byť vyjadrené ako súčet dvoch navzájom kolmých polarizovaných prvkov. Je potrebné pripomenúť, že dve kolmo polarizované vlny neinteragujú. Ich rušenie je nemožné, pretože z hľadiska interakcie amplitúd sa zdá, že navzájom neexistujú. Keď sa stretnú, jednoducho prejdú ďalej bez toho, aby sa zmenili.
Čiastočne polarizované svetlo
Použitie polarizačného efektu je obrovské. Nasmerovaním prirodzeného svetla na objekt a prijatím čiastočne polarizovaného svetla môžu vedci posúdiť vlastnosti povrchu. Ako však určíte stupeň polarizácie čiastočne polarizovaného svetla?
Existuje vzorec pre N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), kde Itrans je intenzita svetla v smere kolmom na rovinu polarizátora alebo reflexného povrchu a I par- paralelné. Hodnota P môže nadobúdať hodnoty od 0 (pre prirodzené svetlo bez akejkoľvek polarizácie) do 1 (pre rovinne polarizované žiarenie).
Dá sa prirodzené svetlo polarizovať?
Otázka je na prvý pohľad zvláštna. Koniec koncov, žiarenie, v ktorom neexistujú žiadne rozlíšené smery, sa zvyčajne nazýva prirodzené. Pre obyvateľov zemského povrchu je to však v určitom zmysle aproximácia. Slnko dáva prúd elektromagnetických vĺn rôznych dĺžok. Toto žiarenie nie je polarizované. Ale míňaniecez hrubú vrstvu atmosféry získava žiarenie miernu polarizáciu. Takže stupeň polarizácie prirodzeného svetla vo všeobecnosti nie je nulový. Ale hodnota je taká malá, že sa často zanedbáva. Berie sa do úvahy iba v prípade presných astronomických výpočtov, kde najmenšia chyba môže pridať roky hviezde alebo vzdialenosť do našej sústavy.
Prečo sa svetlo polarizuje?
Vyššie sme často hovorili, že fotóny sa v odlišných médiách správajú odlišne. Ale nespomenuli prečo. Odpoveď závisí od toho, o akom prostredí hovoríme, inými slovami, v akom súhrnnom stave sa nachádza.
- Médium je kryštalické telo s prísne periodickou štruktúrou. Zvyčajne je štruktúra takejto látky reprezentovaná ako mriežka s pevnými guľôčkami - iónmi. Vo všeobecnosti to však nie je úplne presné. Takáto aproximácia je často opodstatnená, ale nie v prípade interakcie kryštálu a elektromagnetického žiarenia. V skutočnosti každý ión osciluje okolo svojej rovnovážnej polohy a nie náhodne, ale podľa toho, akých susedov má, v akých vzdialenostiach a koľko ich je. Pretože všetky tieto vibrácie sú prísne naprogramované tuhým médiom, tento ión je schopný emitovať absorbovaný fotón iba v presne definovanej forme. Z tejto skutočnosti vyplýva ďalšia: aká bude polarizácia odchádzajúceho fotónu závisí od smeru, ktorým vstúpil do kryštálu. Toto sa nazýva anizotropia vlastností.
- Streda – tekutá. Tu je odpoveď komplikovanejšia, pretože pôsobia dva faktory - zložitosť molekúl akolísanie (kondenzácia-zriedkavosť) hustoty. Samotné zložité dlhé organické molekuly majú určitú štruktúru. Ani tie najjednoduchšie molekuly kyseliny sírovej nie sú chaotickou guľovou zrazeninou, ale veľmi špecifickým krížovým tvarom. Ďalšia vec je, že za normálnych podmienok sú všetky usporiadané náhodne. Druhý faktor (fluktuácia) je však schopný vytvárať podmienky, za ktorých malý počet molekúl tvorí v malom objeme niečo ako dočasná štruktúra. V tomto prípade budú buď všetky molekuly smerované spoločne, alebo budú umiestnené voči sebe v určitých špecifických uhloch. Ak svetlo v tomto čase prechádza takýmto úsekom kvapaliny, získa čiastočnú polarizáciu. To vedie k záveru, že teplota silne ovplyvňuje polarizáciu kvapaliny: čím vyššia je teplota, tým vážnejšie sú turbulencie a tým viac takýchto oblastí sa vytvorí. Posledný záver existuje vďaka teórii samoorganizácie.
- Streda – plyn. V prípade homogénneho plynu dochádza v dôsledku kolísania k polarizácii. Preto prirodzené svetlo Slnka prechádzajúce atmosférou získava malú polarizáciu. A preto je farba oblohy modrá: priemerná veľkosť zhutnených prvkov je taká, že modré a fialové elektromagnetické žiarenie je rozptýlené. Ale ak máme čo do činenia so zmesou plynov, potom je oveľa ťažšie vypočítať stupeň polarizácie. Tieto problémy často riešia astronómovia, ktorí študujú svetlo hviezdy, ktorá prešla hustým molekulárnym oblakom plynu. Preto je také ťažké a zaujímavé študovať vzdialené galaxie a zhluky. aleastronómovia sa s tým vyrovnávajú a dávajú ľuďom úžasné fotografie hlbokého vesmíru.
