من الصعب تحديد من اكتشف الاستقطاب لأول مرةضوء. ربما لاحظ الناس القدامى بقعة غريبة ، ينظرون إلى السماء في اتجاهات معينة. الاستقطاب لديه العديد من المراوغات ، ويتجلى في مجالات مختلفة من الحياة ، واليوم هو موضوع البحث والتطبيق الشامل ، والسبب للجميع - قانون Malus.
اكتشاف الضوء المستقطب
ربما استخدم الفايكنج الاستقطابسماء للملاحة. حتى لو لم يفعلوا ، اكتشفوا بالتأكيد أيسلندا وحجر الكالسيت الرائع. كان يعرف الصاري الآيسلندي (الكالسيت) حتى في عصرهم ، فمن سكان أيسلندا التي تدين باسمها. تم استخدام المعدن مرة واحدة في الملاحة بسبب خصائصه الضوئية الفريدة. لعب دورًا رئيسيًا في الاكتشاف الحديث للاستقطاب ولا يزال المادة المفضلة لفصل المكونات المستقطبة للضوء.
في عام 1669 ، عالم الرياضيات الدنماركي من كوبنهاغنلم تشاهد جامعة إراسموس بارثولينوس ضوءًا مزدوجًا فحسب ، بل أجرت أيضًا بعض التجارب ، حيث كتبت مذكرات من 60 صفحة. كان هذا هو أول وصف علمي لتأثير الاستقطاب ، ويمكن اعتبار المؤلف مكتشف هذه الخاصية المدهشة للضوء.
طور كريستيان هيغنز موجة نبضيةنظرية الضوء التي نشرها في عام 1690 في كتابه الشهير Traite de la Lumiere. في الوقت نفسه ، قدم إسحاق نيوتن نظرية الجسيمات الخفيفة في كتابه Opticks (1704). نتيجة لذلك ، كان كلاهما صحيحًا وخاطئًا ، لأن للضوء طبيعة مزدوجة (موجة وجسيم). ومع ذلك ، كانت هيغنز أقرب إلى النظرة الحديثة للعملية.
В 1801 году Томас Юнг сделал знаменитый تجربة التداخل بين الفجوتين. لقد أثبت أن الضوء يتصرف مثل الموجات ، ويمكن أن يؤدي تراكب الأمواج إلى الظلام (التدخل المدمر). استخدم نظريته لشرح أشياء مثل حلقات نيوتن وأقواس قوس قزح الخارقة. حدث اختراق في العلم بعد بضع سنوات ، عندما أظهر يونغ أن الاستقطاب يرجع إلى طبيعة الموجة المستعرضة للضوء.
Молодой Этьен Луис Малюс жил в бурную эпоху - во زمن الثورة الفرنسية وعهد الإرهاب. شارك مع جيش نابليون خلال غزو مصر ، وكذلك في فلسطين وسوريا ، حيث أصيب بالطاعون الذي قتله بعد عدة سنوات. لكنه تمكن من تقديم مساهمة مهمة في فهم الاستقطاب. أصبح قانون مالوس ، الذي تنبأ بكثافة الضوء المنقول من خلال المستقطب ، أحد أكثر القوانين شيوعًا في القرن الحادي والعشرين عند إنشاء شاشات كريستالية سائلة.
السير ديفيد بروستر ، كاتب علمي شهير ،موضوعات تمت دراستها للفيزياء البصرية ، مثل ازدواجية اللون وأطياف الامتصاص ، بالإضافة إلى الموضوعات الأكثر شيوعًا ، مثل التصوير الفوتوغرافي المجسم. عبارة بروستر الشهيرة معروفة: "كل شيء شفاف باستثناء الزجاج".
كما قدم مساهمة لا تقدر بثمن في دراسة الضوء:
- قانون يصف "زاوية الاستقطاب".
- اختراع مشكال.
كرر بروستر تجارب Malus للكثيريناكتشف الأحجار الكريمة وغيرها من المواد ، واكتشف شذوذ الزجاج ، واكتشف القانون - "زاوية بروستر". ووفقا له ، "... عندما تكون الحزمة مستقطبة ، تشكل الحزمة المنعكسة زاوية قائمة مع الشعاع المنكسر."
قانون استقطاب مالوس
قبل الحديث عن الاستقطاب ، يجب عليك أولاًتذكر الضوء. الضوء هو موجة ، على الرغم من أنه في بعض الأحيان هو جسيم. ولكن على أي حال ، يكون الاستقطاب منطقيًا إذا قدمنا الضوء كموجة ، كخط عندما يتحرك من المصباح إلى العينين. معظم الضوء هو فوضى مختلطة من موجات الضوء التي تتأرجح في جميع الاتجاهات. يسمى اتجاه التذبذب هذا باستقطاب الضوء. المستقطب هو جهاز ينظف هذه الفوضى. يقبل كل شيء يمزج الضوء ، وينقل الضوء الذي يتأرجح في اتجاه واحد فقط.
فيما يلي صياغة قانون مالوس:عندما يقع ضوء مستقطب تمامًا على المحلل ، تكون شدة الضوء الذي يرسله المحلل متناسبًا بشكل مباشر مع مربع جيب التمام للزاوية بين محاور الإرسال للمحلل والمستقطب.
تحتوي الموجة الكهرومغناطيسية المستعرضة علىمجال كهربائي ومغناطيسي ، ومجال كهربائي في موجة ضوئية عمودي على اتجاه انتشار الموجة الضوئية. اتجاه اهتزاز الضوء هو ناقل كهربائي E.
للحصول على شعاع تقليدي غير مستقطبيستمر ناقل التيار الكهربائي في تغيير اتجاهه بطريقة عشوائية ، عندما ينتقل الضوء من خلال بولارويد ، يكون الضوء الناتج مستقطبًا بالسطح مع اهتزاز ناقله الكهربائي في اتجاه معين. يعتمد اتجاه متجه الحزمة الناشئة على اتجاه بولارويد ، وتم تصميم مستوى الاستقطاب كمستوى يحتوي على المتجه الإلكتروني وحزمة الضوء.
يوضح الشكل أدناه ضوءًا مستقطبًا مسطحًا بسبب EI العمودي و EII الأفقي.
يمر الضوء غير المستقطب عبر بولارويد ف1 ، ثم من خلال Polaroid P 2 ، لتشكيل زاوية θ مع y ax-s. بعد أن يمر الضوء المنتقل على طول اتجاه x عبر Polaroid P 1 ، سوف يهتز المتجه الكهربائي المرتبط بالضوء المستقطب فقط على طول المحور y.
الآن ، إذا سمحنا بهذا الاستقطابتمر الحزمة مرة أخرى من خلال P 2 المستقطبة ، وتشكل زاوية θ مع المحور y ، ثم إذا كانت E 0 هي اتساع المجال الكهربائي الساقط على P 2 ، فإن اتساع الموجة الخارجة من P 2 سيكون مساوياً لـ E 0 cosθ ، وبالتالي ، كثافة الحزمة الناشئة سيكون وفقًا لقانون مالوس (الصيغة) I = I 0 cos 2 θ
حيث I 0 هي شدة الحزمة الخارجة من P 2 عندما تكون θ = 0 θ هي الزاوية بين مستويات إرسال المحلل والمستقطب.
مثال على حساب شدة الضوء
قانون مالوس: I 1 = I o cos 2 (q) ؛
حيث q هي الزاوية بين اتجاه استقطاب الضوء ومحور انتقال المستقطب.
ضوء غير مستقطب بكثافة I o = 16يقع W / m 2 على زوج من المستقطبات. يحتوي المستقطب الأول على محور إرسال محاذاة 50 درجة من العمودي. يحتوي المستقطب الثاني على محور إرسال محاذاة على مسافة 20 درجة من الرأسي.
يمكن إجراء اختبار لقانون Malus عن طريق حساب شدة الضوء عندما يخرج من المستقطب الأول:
4 واط / م 2
16 cos 2 50 درجة
8 واط / م 2
12 واط / م 2
الضوء غير مستقطب ، لذلك أنا 1 = 1/2 أنا o = 8 واط / م 2.
شدة الضوء من المستقطب الثاني:
أنا 2 = 4 واط / م 2
أنا 2 = 8 كوس 2 20 س
أنا 2 = 6 واط / م 2
يتبع ذلك قانون مالوس ، الصياغةمما يؤكد أنه عندما يخرج الضوء من المستقطب الأول ، فإنه يكون مستقطبًا خطيًا عند 50 درجة. الزاوية بين هذا ومحور الإرسال للمستقطب الثاني هي 30 درجة. بالتالي:
أنا 2 = أنا 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 واط / م 2.
الآن يقع الاستقطاب الخطي لحزمة ضوئية بكثافة 16 وات / م 2 على نفس زوج المستقطبات. اتجاه استقطاب الضوء الساقط هو 20 درجة من العمودي.
شدة الضوء الخارج من الأول ومنالمستقطبات الثانية. بالمرور عبر كل مستقطب ، تنخفض الشدة بمقدار 3/4 مرة. بعد ترك المستقطب الأول ، تكون الكثافة 16 * 3/4 = 12 واط / م 2 وتنخفض إلى 12 * 3/4 = 9 واط / م 2 بعد المرور بالثاني.
ينص استقطاب قانون مالوس على أنه لتحويل الضوء من اتجاه واحد للاستقطاب إلى اتجاه آخر ، يتم تقليل فقدان الكثافة باستخدام المزيد من المستقطبات.
افترض أنك تريد تدوير اتجاه الاستقطاب 90حول.
| N ، عدد المستقطبات | الزاوية بين المستقطبات المتتالية | و 1 / و حول |
| 1 | 90 حول | 0 |
| 2 | 45 حول | 1/2 × 1/2 = 1/4 |
| 3 | 30 حول | 3/4 × 3/4 × 3/4 = 27/64 |
| H | 90 / ن | [كوس 2 (90 حول / ن)] H |
حساب زاوية انعكاس بروستر
عندما يصطدم الضوء بسطح ما ، بعض الضوءينعكس ، ويخترق الجزء (ينكسر). يعتمد المقدار النسبي لهذا الانعكاس والانكسار على المواد التي تمر عبر الضوء وكذلك على الزاوية التي يضرب بها الضوء السطح. هناك زاوية مثالية ، اعتمادًا على المواد ، تسمح للضوء بالكسر (اختراق) قدر الإمكان. تُعرف هذه الزاوية المثلى بزاوية الفيزيائي الاسكتلندي ديفيد بروستر.
يتم حساب زاوية بروستر للضوء الأبيض المستقطب العادي باستخدام الصيغة:
ثيتا = arctan (n1 / n2) ،
حيث ثيتا هي زاوية بروستر و n1 و n2 هي مؤشرات الانكسار للوسيطتين.
لحساب أفضل زاوية للحد الأقصىتغلغل الضوء عبر الزجاج - من جدول مؤشرات الانكسار ، نجد أن معامل الانكسار للهواء هو 1.00 ، وأن معامل الانكسار للزجاج هو 1.50.
ستكون زاوية بروستر هي الأركتان (1.50 / 1.00) = أركتان (1.50) = 56 درجة (تقريبًا).
حساب أفضل زاوية ضوء لاختراق الماء الأقصى. يتضح من جدول مؤشرات الانكسار أن مؤشر الهواء هو 1.00 ، وأن معامل الانكسار للماء هو 1.33.
ستكون زاوية بروستر هي أركتان (1.33 / 1.00) = أركتان (1.33) = 53 درجة (تقريبًا).
تطبيق الضوء المستقطب
الرجل العادي في الشارع لا يتخيل حتىمدى كثافة استخدام المستقطبات في العالم. الاستقطاب في ضوء قانون مالوس يحيط بنا في كل مكان. على سبيل المثال ، العناصر الشائعة مثل النظارات الشمسية Polaroid واستخدام مرشحات الاستقطاب الخاصة لعدسات الكاميرا. تستخدم الأدوات العلمية المختلفة الضوء المستقطب المنبعث من الليزر أو عن طريق استقطاب المصابيح المتوهجة ومصادر الفلورسنت.
تستخدم المستقطبات أحيانًا للإضاءةغرف ومشاهد لتقليل الوهج وتوفير إضاءة أكثر اتساقًا وكنظارات لإعطاء إحساس واضح بالعمق للأفلام ثلاثية الأبعاد. حتى أن المستقطبات المتقاطعة تستخدم في بدلات الفضاء لتقليل كمية الضوء من الشمس التي تدخل إلى عيون رائد الفضاء بشكل كبير أثناء النوم.
أسرار البصريات في الطبيعة
لماذا السماء الزرقاء ، الغروب الأحمر والأبيضسحاب؟ الجميع يعرف هذه الأسئلة منذ الطفولة. تشرح قوانين Malus و Brewster هذه التأثيرات الطبيعية. سماءنا ملونة حقًا بفضل الشمس. يحتوي ضوءها الأبيض الساطع على جميع ألوان قوس قزح المضمنة بالداخل: الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والنيلي والأرجواني. في ظل ظروف معينة ، يواجه الشخص إما قوس قزح أو غروب الشمس أو مساء رمادي متأخر. السماء زرقاء بسبب "تشتت" ضوء الشمس. اللون الأزرق له طول موجي أقصر وطاقة أكثر من الألوان الأخرى.
نتيجة لذلك ، يتم امتصاص اللون الأزرق بشكل انتقائيجزيئات الهواء ، ثم تنطلق مرة أخرى في كل الاتجاهات. الألوان الأخرى أقل تشتتًا وبالتالي فهي غير مرئية عادةً. شمس الظهيرة صفراء تمتص لونها الأزرق. عند شروق الشمس أو غروبها ، يخترق ضوء الشمس بزاوية منخفضة ويجب أن يمر عبر سماكة كبيرة من الغلاف الجوي. نتيجة لذلك ، يتم تناثر اللون الأزرق بعناية ، بحيث يمتص الهواء معظمه تمامًا ، ويفقد الألوان الأخرى وتبعثرها ، خاصة البرتقالي والأحمر ، مما يخلق أفقًا رائعًا من الألوان.
ألوان ضوء الشمس مسؤولة أيضًا عن كل شيءالظلال التي نحبها على الأرض ، سواء كانت عشبًا أخضر أو محيطًا فيروزيًا. يحدد سطح كل كائن ألوانًا معينة تنعكس من أجل تمييز نفسه. غالبًا ما تكون الغيوم بيضاء لامعة لأنها عاكسات أو ناشرات رائعة من أي لون. تتم إضافة جميع الألوان التي تم إرجاعها معًا إلى اللون الأبيض المحايد. تعكس بعض المواد جميع الألوان بالتساوي ، مثل الحليب والطباشير والسكر.
قيمة حساسية الاستقطاب في علم الفلك
دراسة طويلة الأمد لتأثير قانون مالوستم تجاهل الاستقطاب في علم الفلك. إن Starlight غير مستقطب بالكامل تقريبًا ويمكن استخدامه كمعيار. يمكن أن يخبرنا وجود الضوء المستقطب في علم الفلك عن كيفية نشوء الضوء. في بعض المستعرات الأعظمية ، لا يكون الضوء المنبعث غير مستقطب. اعتمادًا على جزء النجم الذي يتم التفكير فيه ، يمكن رؤية استقطاب آخر.
هذه المعلومات حول استقطاب الضوء من مناطق مختلفة من السديم يمكن أن توفر للباحثين فكرة عن موقع النجم المظلل.
في حالات أخرى ، بسبب وجود ضوء مستقطبمن الممكن الكشف عن معلومات حول الجزء الكامل من المجرة غير المرئية. استخدام آخر للقياسات الحساسة للاستقطاب في علم الفلك هو اكتشاف وجود المجالات المغناطيسية. من خلال دراسة الاستقطاب الدائري لألوان محددة جدًا من الضوء المنبعث من هالة الشمس ، توصل العلماء إلى معلومات حول قوة المجال المغناطيسي في هذه الأماكن.
المجهر الضوئي
تم تصميم مجهر الضوء المستقطب من أجللرصد وتصوير العينات المرئية بسبب طبيعتها متباينة الخواص. المواد متباينة الخواص لها خصائص بصرية تتغير مع اتجاه انتشار الضوء الذي يمر عبرها. لإنجاز هذه المهمة ، يجب أن يكون المجهر مجهزًا بكل من المستقطب الموجود في مسار الضوء في مكان ما أمام العينة ومحلل (مستقطب ثان) يوضع في المسار البصري بين الفتحة الخلفية الموضوعية وأنابيب المشاهدة أو منفذ الكاميرا.
تطبيقات الاستقطاب في الطب الحيوي
هذا الاتجاه الشعبي اليوم قائمعلى حقيقة أن هناك العديد من المركبات في أجسامنا نشطة بصريًا ، أي يمكنها تدوير استقطاب الضوء المار من خلالها. يمكن للمركبات النشطة بصريًا المختلفة أن تدور استقطاب الضوء بكميات مختلفة وفي اتجاهات مختلفة.
بعض المواد الكيميائية النشطة بصريًاتوجد بتركيزات أعلى في المراحل المبكرة من مرض العين. يمكن للأطباء استخدام هذه المعرفة لتشخيص أمراض العيون في المستقبل. يمكن للمرء أن يتخيل أن الطبيب يسلط مصدر ضوء مستقطب في عين المريض ويقيس استقطاب الضوء المنعكس من شبكية العين. يتم استخدامه كطريقة غير جراحية لاختبار أمراض العيون.
هدية عصرنا - شاشة LCD
إذا نظرت عن كثب إلى شاشة LCD ، يمكنك ذلكلاحظ أن الصورة عبارة عن مجموعة كبيرة من المربعات الملونة مرتبة في شبكة. في نفوسهم ، تم تطبيق قانون Malus ، حيث خلقت فيزياء العملية ظروفًا لكل مربع أو بكسل ليكون له لونه الخاص. هذا اللون هو مزيج من الضوء الأحمر والأخضر والأزرق في كل شدة. يمكن لهذه الألوان الأساسية إعادة إنتاج أي لون يمكن للعين البشرية رؤيته لأن عيوننا ثلاثية الألوان.
بعبارة أخرى ، فهم يقتربون من أطوال موجية محددة للضوء من خلال تحليل شدة كل من قنوات الألوان الثلاثة.
يعرض استغلال هذا الخلل فقطعرض ثلاثة أطوال موجية تستهدف بشكل انتقائي كل نوع من المستقبلات. توجد المرحلة البلورية السائلة في الحالة الأرضية ، حيث يتم توجيه الجزيئات في الطبقات ، وكل طبقة لاحقة تتجعد قليلاً لتشكيل نمط حلزوني.
شاشة LCD مع سبعة أجزاء من الكريستال السائل:
- القطب الموجب.
- القطب السالب.
- المستقطب 2.
- عرض.
- المستقطب 1.
- الكريستال السائل.
هنا شاشة LCD بين لوحين زجاجيين ،وهي مجهزة بأقطاب كهربائية. LC هي مركبات كيميائية شفافة ذات "جزيئات ملتوية" تسمى البلورات السائلة. ترجع ظاهرة النشاط البصري في بعض المواد الكيميائية إلى قدرتها على تدوير مستوى الضوء المستقطب.
أفلام 3D Stereopsis
يسمح الاستقطاب للدماغ البشري3D وهمية من خلال تحليل الاختلافات بين صورتين. لا يستطيع البشر أن يروا في ثلاثة أبعاد ، ولا تستطيع أعيننا أن ترى إلا في صور ثنائية الأبعاد. ومع ذلك ، يمكن لأدمغتنا معرفة مدى بعد الأشياء من خلال تحليل الاختلافات في ما تراه كل عين. تُعرف هذه العملية باسم Stereopsis.
نظرًا لأن دماغنا يمكنه رؤية الصور الزائفة ثلاثية الأبعاديمكن لصانعي الأفلام استخدام هذه العملية لخلق وهم ثلاثي الأبعاد دون اللجوء إلى الصور المجسمة. تعمل جميع الأفلام ثلاثية الأبعاد من خلال تقديم صورتين ، واحدة لكل عين. بحلول الخمسينيات من القرن الماضي ، أصبح الاستقطاب هو الطريقة السائدة لفصل الصور. بدأت المسارح في تشغيل جهازي عرض في وقت واحد ، مع وجود مستقطب خطي فوق كل عدسة.
للجيل الحالي من الأفلام ثلاثية الأبعاد والتكنولوجياتحول إلى استقطاب دائري ، والذي يعتني بمشكلة الاتجاه. يتم إنتاج هذه التكنولوجيا حاليًا بواسطة RealD وتمثل 90 ٪ من سوق 3D. أصدرت RealD مرشحًا دائريًا ينتقل بسرعة كبيرة بين الاستقطاب في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة ، لذلك يتم استخدام جهاز عرض واحد فقط بدلاً من اثنين.
