Gradul de polarizare a luminii parțial polarizate: definiție, descriere și formulă

Astăzi vom dezvălui esența naturii de undă a luminii și fenomenul „gradul de polarizare” asociat cu acest fapt.

Capacitatea de a vedea și a lumina

Natura luminii și capacitatea sa asociatăpentru a vedea mult timp mințile umane entuziasmate. Vechii greci, încercând să explice viziunea, au presupus: fie ochiul emite niște „raze” care „simt” obiectele din jur și astfel informează persoana despre aspectul și forma lor, fie lucrurile în sine emit ceva ce oamenii prind și judecă cum funcționează totul ... Teoriile s-au dovedit a fi departe de adevăr: ființele vii văd prin lumina reflectată. De la realizarea acestui fapt până la capacitatea de a calcula cu ce este egal gradul de polarizare, a mai rămas un singur pas - să înțelegem că lumina este o undă.

Lumina este un val

Un studiu mai detaliat al luminii a dezvăluit:în absența interferenței, se propagă în linie dreaptă și nu se întoarce nicăieri. Dacă un obstacol opac stă în calea fasciculului, atunci se formează umbre și acolo unde se duce lumina, oamenii nu erau interesați. Dar imediat ce radiația s-a ciocnit cu un mediu transparent, s-au întâmplat lucruri uimitoare: fasciculul și-a schimbat direcția de propagare și s-a estompat. În 1678, H. Huygens a sugerat că acest lucru poate fi explicat printr-un singur fapt: lumina este o undă. Omul de știință a format principiul Huygens, care a fost ulterior completat de Fresnel. Datorită acestui fapt, oamenii de astăzi știu cum să determine gradul de polarizare.

Principiul Huygens-Fresnel

Conform acestui principiu, orice punct din mediu până lape care a ajuns frontul de undă, este o sursă secundară de radiații coerente, iar învelișul tuturor fronturilor acestor puncte acționează ca front de undă la următorul moment în timp. Astfel, dacă lumina se propagă fără interferențe, în fiecare moment următor frontul de undă va fi același ca în cel precedent. Dar de îndată ce fasciculul întâlnește un obstacol, un alt factor intră în joc: în medii diferite, lumina se deplasează la viteze diferite. Astfel, fotonul care a reușit să ajungă mai întâi pe un alt mediu se va propaga în el mai repede decât ultimul foton din fascicul. În consecință, frontul de undă se va înclina. Până în prezent, gradul de polarizare nu are nicio legătură cu acesta, dar este pur și simplu necesar să înțelegem pe deplin acest fenomen.

Timpul procesului

Ar trebui spus separat că toate aceste schimbărise întâmplă incredibil de repede. Viteza luminii în vid este de trei sute de mii de kilometri pe secundă. Orice mediu încetinește lumina, dar nu mult. Timpul necesar pentru ca frontul de undă să se distorsioneze când trece de la un mediu la altul (de exemplu, de la aer la apă) este extrem de scurt. Ochiul uman nu poate observa acest lucru și puține dispozitive sunt capabile să înregistreze astfel de procese scurte. Așadar, merită să înțelegem fenomenul pur teoretic. Acum, pe deplin conștient de ceea ce este radiația, cititorul va dori să înțeleagă cum să găsească gradul de polarizare a luminii? Să nu-i înșelăm așteptările.

Polarizarea luminii

Am menționat deja mai sus că în diferite fotoni medialuminile au viteze diferite. Deoarece lumina este o undă electromagnetică transversală (nu este o îngroșare și rarefiere a mediului), are două caracteristici principale:

• vector de undă;
• amplitudine (de asemenea, o cantitate vectorială).

Prima caracteristică indică undeun fascicul de lumină este direcționat și apare un vector de polarizare, adică în ce direcție este direcționat vectorul de forță a câmpului electric. Aceasta permite rotația în jurul vectorului de undă. Lumina naturală, precum cea emisă de soare, nu este polarizată. Oscilațiile se propagă în toate direcțiile cu probabilitate egală; nu există o direcție sau o figură aleasă de-a lungul căreia oscilează capătul vectorului de undă.

Tipuri de lumină polarizată

Înainte de a învăța cum să calculați formula pentru gradul de polarizare și să faceți calcule, merită să înțelegeți ce tipuri de lumină polarizată sunt.

1. Polarizarea eliptică. Sfârșitul vectorului de undă al unei astfel de lumini descrie o elipsă.
2. Polarizarea liniară. Acesta este un caz special al primei opțiuni. După cum sugerează și numele, imaginea este într-o singură direcție.
3. Polarizarea circulară. Într-un alt mod, se mai numește circular.

Orice lumină naturală poate fi considerată ca fiindsuma a două elemente polarizate reciproc perpendicular. Trebuie amintit că două unde polarizate perpendicular nu interacționează. Interferența lor este imposibilă, deoarece din punctul de vedere al interacțiunii amplitudinilor, ele nu par să existe unul pentru celălalt. Când se întâlnesc, merg mai departe fără să se schimbe.

Lumină parțial polarizată

Aplicarea efectului de polarizare este enormă.Direcționând lumina naturală către un obiect și primind lumină parțial polarizată, oamenii de știință pot judeca proprietățile suprafeței. Dar cum determinați gradul de polarizare a luminii parțial polarizate?

Există o formulă N.A. Umova:

P = (I_bandă-Eu_aburi) / (I_bandă+ Eu_aburi), unde eu_bandă Este intensitatea luminii în direcția perpendiculară pe planul polarizatorului sau a suprafeței reflectorizante și I_aburi - paralel. Valoarea lui P poate lua valori de la 0 (pentru lumina naturală lipsită de orice polarizare) la 1 (pentru radiația polarizată plan).

Poate fi polarizată lumina naturală?

La prima vedere, întrebarea este ciudată.La urma urmei, radiațiile în care nu există direcții selectate se numesc de obicei naturale. Cu toate acestea, pentru locuitorii suprafeței Pământului, aceasta este într-un sens o aproximare. Soarele produce un flux de unde electromagnetice de diferite lungimi. Această radiație nu este polarizată. Trecând însă printr-un strat gros al atmosferei, radiația capătă o polarizare nesemnificativă. Deci gradul de polarizare a luminii naturale în general nu este zero. Dar amploarea este atât de mică încât este adesea neglijată. Se ia în considerare numai în cazul calculelor astronomice precise, unde cea mai mică eroare poate adăuga ani stelei sau distanța față de sistemul nostru.

De ce este polarizată lumina?

Mai sus, am spus adesea că în medii diferitefotonii se comportă diferit. Dar nu au menționat de ce. Răspunsul depinde de ce tip de mediu vorbim, cu alte cuvinte, în ce stare de agregare este.

1. Miercuri este un corp cristalin cu strictețestructura periodică. De obicei, structura unei astfel de substanțe este prezentată ca o rețea cu bile fixe - ioni. Dar, în general, acest lucru nu este în totalitate corect. O astfel de aproximare este adesea justificată, dar nu și în cazul interacțiunii dintre cristal și radiația electromagnetică. De fapt, fiecare ion oscilează în jurul poziției sale de echilibru, și nu haotic, ci în conformitate cu ce vecini are, la ce distanțe și câte sunt. Deoarece toate aceste vibrații sunt strict programate de un mediu rigid, acest ion este capabil să emită un foton absorbit doar cu o formă strict definită. Acest fapt dă naștere la altul: care va fi polarizarea fotonului de ieșire depinde de direcția în care a intrat în cristal. Aceasta se numește anizotropie a proprietății.
2. Miercuri este lichid.Aici răspunsul este mai complicat, deoarece există doi factori la locul de muncă - complexitatea moleculelor și fluctuațiile (îngroșare-rarefacție) ale densității. Prin ele însele, moleculele organice complexe lungi au o structură specifică. Chiar și cele mai simple molecule de acid sulfuric nu sunt o bucată sferică haotică, ci o formă cruciformă foarte specifică. Un alt lucru este că toate sunt localizate haotic în condiții normale. Cu toate acestea, al doilea factor (fluctuație) este capabil să creeze astfel de condiții în care un număr mic de molecule formează într-un volum mic ceva de genul unei structuri temporare. În acest caz, fie toate moleculele vor fi co-direcționate, fie vor fi localizate una față de cealaltă la anumite unghiuri specifice. Dacă lumina în acest moment trece printr-o astfel de secțiune de lichid, va dobândi polarizare parțială. Prin urmare, rezultă că temperatura afectează puternic polarizarea lichidului: cu cât temperatura este mai mare, cu atât turbulența este mai severă și cu atât mai multe astfel de zone se vor forma. Ultima concluzie există datorită teoriei autoorganizării.
3. Miercuri - benzină.În cazul unui gaz omogen, polarizarea are loc din cauza fluctuațiilor. De aceea lumina naturală a Soarelui, trecând prin atmosferă, capătă o ușoară polarizare. Și de aceea culoarea cerului este albastră: dimensiunea medie a elementelor compactate este de așa natură încât radiația electromagnetică a culorilor albastru și violet este împrăștiată. Dar dacă avem de-a face cu un amestec de gaze, atunci calculul gradului de polarizare este mult mai dificil. Aceste probleme sunt adesea rezolvate de astronomii care studiază lumina unei stele care a trecut printr-un nor molecular dens de gaz. De aceea este atât de dificil și interesant să studiezi galaxii și grupuri îndepărtate. Dar astronomii o fac și le oferă oamenilor fotografii uimitoare în spațiul profund.