Osittain polarisoidun valon polarisaatioaste: määritelmä, kuvaus ja kaava

Tänään paljastamme valon aaltoluonteen olemuksen ja tähän tosiasiaan liittyvän ilmiön "polarisaation aste".

Kyky nähdä ja valaista

Valon luonne ja siihen liittyvä kykynähdä huolestuneita ihmismieliä pitkään. Muinaiset kreikkalaiset yrittivät selittää näkemystä olettaen: joko silmä lähettää joitain "säteitä", jotka "tuntevat" ympäröivät esineet ja ilmoittavat siten henkilölle heidän ulkonäönsä ja muodonsa, tai asiat itse lähettävät jotain, jonka ihmiset tarttuvat ja arvioivat, kuinka kaikki toimii ... Teoriat osoittautuivat kaukana totuudesta: elävät olennot näkevät heijastuneen valon läpi. Tämän tosiasian ymmärtämisestä kykyyn laskea, millainen polarisaatioaste on, jäljellä oli vain yksi askel - ymmärtää, että valo on aalto.

Valo on aalto

Yksityiskohtaisempi valotutkimus paljasti:häiriön puuttuessa se etenee suorassa linjassa eikä käänny mihinkään. Jos läpinäkymätön este seisoo säteen tiellä, muodostuu varjoja, ja mihin valo itse menee, ihmiset eivät olleet kiinnostuneita siitä. Mutta heti kun säteily törmäsi läpinäkyvään väliaineeseen, tapahtui hämmästyttäviä asioita: säde muutti etenemissuuntaa ja himmensi. Vuonna 1678 H. Huygens ehdotti, että tämä voidaan selittää yhdellä tosiseikalla: valo on aalto. Tutkija muodosti Huygens-periaatteen, jota myöhemmin täydennettiin Fresnelillä. Tämän ansiosta ihmiset osaavat nykyään määrittää polarisaatioasteen.

Huygens-Fresnel-periaate

Tämän periaatteen mukaan mikä tahansa ympäristöpiste jopajonka aaltorintama on saavuttanut, on koherentin säteilyn toissijainen lähde, ja näiden pisteiden kaikkien etuosien verhokäyrä toimii aaltorintana seuraavana ajankohtana. Siten, jos valo etenee ilman häiriöitä, on jokaisella seuraavalla hetkellä aaltorintama sama kuin edellisellä. Mutta heti kun säde kohtaa esteen, tulee esiin toinen tekijä: erilaisissa ympäristöissä valo etenee eri nopeuksilla. Siten fotoni, joka onnistui pääsemään ensin toiseen väliaineeseen, etenee siinä nopeammin kuin viimeinen fotoni säteestä. Tämän seurauksena aaltorintama kallistuu. Toistaiseksi polarisaatioasteella ei ole mitään tekemistä sen kanssa, mutta on yksinkertaisesti välttämätöntä ymmärtää tämä ilmiö täysin.

Prosessiaika

On sanottava erikseen, että kaikki nämä muutoksettapahtuu uskomattoman nopeasti. Valon nopeus tyhjiössä on kolmesataa tuhatta kilometriä sekunnissa. Mikä tahansa väline hidastaa valoa, mutta ei paljon. Aika, jonka aaltorintaman vääristyminen kuluttaa väliaineesta toiseen (esimerkiksi ilmasta veteen), on erittäin lyhyt. Ihmissilmä ei voi huomata tätä, ja harvat laitteet pystyvät tallentamaan niin lyhyitä prosesseja. Joten on syytä ymmärtää ilmiö puhtaasti teoreettisesti. Nyt lukija haluaa ymmärtää täysin, mikä säteily on, kuinka löytää valon polarisaatioaste? Älkäämme pettäkö hänen odotuksiaan.

Valon polarisaatio

Olemme jo maininneet edellä, että eri median fotoneissavaloilla on erilainen nopeus. Koska valo on poikittainen sähkömagneettinen aalto (se ei ole väliaineen paksunnos ja harvinaisuus), sillä on kaksi pääominaisuutta:

• aaltovektori;
• amplitudi (myös vektorimäärä).

Ensimmäinen ominaisuus osoittaa missävalonsäde on suunnattu ja syntyy polarisaatiovektori, toisin sanoen mihin suuntaan sähkökentän voimakkuusvektori suunnataan. Tämä mahdollistaa kiertämisen aaltovektorin ympäri. Luonnollinen valo, kuten auringon lähettämä, ei ole polarisoitunut. Värähtelyt leviävät kaikkiin suuntiin samalla todennäköisyydellä; ei ole valittua suuntaa tai kuvaa, jota pitkin aaltovektorin pää värähtelee.

Polarisoidun valon tyypit

Ennen kuin opit laskemaan polarisaatioasteen kaavan ja tekemään laskelmia, on syytä ymmärtää, minkä tyyppiset polarisoidut valot ovat.

1. Elliptinen polarisaatio. Tällaisen valon aaltovektorin pää kuvaa ellipsia.
2. Lineaarinen polarisaatio. Tämä on ensimmäisen vaihtoehdon erityistapaus. Kuten nimestä käy ilmi, kuva on yhteen suuntaan.
3. Pyöreä polarisaatio. Toisella tavalla sitä kutsutaan myös pyöreäksi.

Mikä tahansa luonnonvalo voidaan ajatellakahden keskenään kohtisuorassa polarisoidun elementin summa. On muistettava, että kaksi kohtisuoraan polarisoitunutta aaltoa eivät ole vuorovaikutuksessa. Niiden häiritseminen on mahdotonta, koska amplitudien vuorovaikutuksen näkökulmasta niitä ei näytä olevan toisilleen. Kun he tapaavat, he vain siirtyvät eteenpäin muuttumatta.

Osittain polarisoitunut valo

Polarisaatiovaikutuksen soveltaminen on valtava.Ohjaamalla luonnonvaloa esineeseen ja vastaanottamalla osittain polarisoitunutta valoa tutkijat voivat arvioida pinnan ominaisuuksia. Mutta miten määrität osittain polarisoidun valon polarisaatioasteen?

On kaava N.A. Umova:

P = (minä_kaista- Minä_höyryä) / (I_kaista+ I_höyryä), missä minä_kaista Onko valon voimakkuus kohtisuorassa polarisaattorin tai heijastavan pinnan tasoon nähden ja I_höyryä - rinnakkain. P-arvon arvo voi olla 0 (luonnolliselle valolle, jossa ei ole mitään polarisaatiota) 1: een (tasopolarisoidulle säteilylle).

Voiko luonnollinen valo polarisoitua?

Kysymys on omituinen ensi silmäyksellä.Loppujen lopuksi säteilyä, johon ei ole valittuja suuntauksia, kutsutaan yleensä luonnolliseksi. Maapallon asukkaille tämä on kuitenkin tavallaan likiarvo. Aurinko lähettää eripituisia sähkömagneettisia aaltoja. Tämä säteily ei ole polarisoitunut. Mutta kulkiessaan paksun ilmakerroksen läpi säteily saa merkityksetöntä polarisaatiota. Luonnonvalon polarisaatioaste ei siis yleensä ole nolla. Suuruus on kuitenkin niin pieni, että se jätetään usein huomiotta. Se otetaan huomioon vain tarkkojen tähtitieteellisten laskelmien tapauksessa, joissa pienin virhe voi lisätä tähtiin vuosia tai etäisyyttä järjestelmäämme.

Miksi valo polarisoituu?

Edellä sanottiin usein, että erilaisissa ympäristöissäfotonit käyttäytyvät eri tavalla. Mutta he eivät maininneet miksi. Vastaus riippuu siitä, mistä ympäristöstä puhumme, toisin sanoen, missä aggregaatiotilassa se on.

1. Keskiviikko on kiteinen runko tiukallajaksollinen rakenne. Yleensä tällaisen aineen rakenne esitetään ristikkona, jossa on kiinteät pallot - ionit. Mutta yleensä tämä ei ole täysin tarkka. Tällainen lähentäminen on usein perusteltua, mutta ei kiteen ja sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutuksessa. Itse asiassa kukin ioni värähtelee tasapainonsa suhteen eikä kaoottisesti, vaan sen mukaan, mitä naapureita sillä on, millä etäisyydellä ja kuinka monta on. Koska kaikki nämä värähtelyt on tiukasti ohjelmoitu jäykällä väliaineella, tämä ioni pystyy lähettämään absorboitunutta fotonia, jolla on vain tarkkaan määritelty muoto. Tämä tosiasia saa aikaan toisen: mikä on lähtevän fotonin polarisaatio, riippuu suunnasta, johon se tuli kiteeseen. Tätä kutsutaan ominaisuusanisotropiaksi.
2. Keskiviikko on nestemäinen.Tässä vastaus on monimutkaisempi, koska työssä on kaksi tekijää - molekyylien monimutkaisuus ja tiheyden vaihtelut (paksuuntuminen-harvennus). Itse monimutkaisilla pitkillä orgaanisilla molekyyleillä on erityinen rakenne. Jopa yksinkertaisimmat rikkihappomolekyylit eivät ole kaoottisia pallomaisia, mutta hyvin spesifisiä ristimäisiä. Toinen asia on, että ne kaikki sijaitsevat kaoottisesti normaaleissa olosuhteissa. Toinen tekijä (vaihtelu) pystyy kuitenkin luomaan olosuhteet, joissa pieni määrä molekyylejä muodostuu pienessä tilavuudessa jotain väliaikaisen rakenteen kaltaista. Tässä tapauksessa joko kaikki molekyylit ohjataan yhdessä tai ne sijaitsevat suhteessa toisiinsa tietyissä kulmissa. Jos valo tällä hetkellä kulkee tällaisen nesteen osan läpi, se saa osittaisen polarisaation. Tästä seuraa, että lämpötila vaikuttaa voimakkaasti nesteen polarisaatioon: mitä korkeampi lämpötila, sitä voimakkaampi turbulenssi ja sitä enemmän tällaisia ​​alueita muodostuu. Jälkimmäinen johtopäätös on olemassa itseorganisoitumisen teorian ansiosta.
3. Keskiviikko - kaasu.Homogeenisen kaasun tapauksessa polarisaatio tapahtuu vaihteluiden vuoksi. Siksi auringon luonnollinen valo, joka kulkee ilmakehän läpi, saa pienen polarisaation. Ja siksi taivaan väri on sininen: tiivistettyjen elementtien keskikoko on sellainen, että sininen ja violetti sähkömagneettinen säteily hajaantuu. Mutta jos kyseessä on kaasuseos, polarisaatioasteen laskeminen on paljon vaikeampi. Tähtitieteilijät ratkaisevat nämä ongelmat usein tiheän molekyylipitoisen kaasupilven läpi kulkevan tähden valossa. Siksi on niin vaikeaa ja mielenkiintoista tutkia kaukaisia ​​galakseja ja klustereita. Mutta tähtitieteilijät tekevät sen ja antavat ihmisille hämmästyttäviä syvän avaruuden valokuvia.