Сьогодні розкриємо сутність хвильової природи світла і пов'язане з цим фактом явище «ступінь поляризації».
Здатність бачити і світло
Природа світла і пов'язана з нею здатністьбачити хвилювала людський розум давно. Стародавні греки, намагаючись пояснити зір, припускали: або очей випускає якісь «промені», які «обмацують» навколишні предмети і тим самим повідомляють людині їх вид і форму, або самі речі випромінюють щось, що вловлюють люди і судять про те, як все влаштовано . Теорії виявилися далекі від істини: живі істоти бачать завдяки відбитому світлі. Від усвідомлення цього факту до вміння обчислити, чому ступінь поляризації дорівнює, залишався один крок - зрозуміти, що світ є хвилею.
Світло - це хвиля
При більш детальному вивченні світла з'ясувалося:при відсутності перешкод він поширюється по прямій лінії і нікуди не згортає. Якщо на шляху променя встає непрозоре перешкода, то утворюються тіні, а куди йде сам світло, людей не цікавило. Але варто було випромінювання зіткнутися з прозорою середовищем, відбувалися дивовижні речі: промінь змінював напрямок поширення і тьмянів. 1678 року Х. Гюйгенс припустив, що це можна пояснити єдиним фактом: світло - це хвиля. Вчений сформував принцип Гюйгенса, який трохи пізніше був доповнений Френелем. Завдяки чому сьогодні люди знають, як визначити ступінь поляризації.
Принцип Гюйгенса-Френеля
Згідно з цим принципом, будь-яка точка середовища, доякої дійшов фронт хвилі, є вторинним джерелом когерентного випромінювання, а огинає всіх фронтів цих точок виступає в якості фронту хвилі в наступний момент часу. Таким чином, якщо світло поширюється без перешкод, в кожен наступний момент фронт хвилі буде таким же, як і в попередній. Але варто променю зустріти перешкоду, як вступає в силу інший фактор: в несхожих середовищах світло поширюється з різними швидкостями. Таким чином, той фотон, який встиг дістатися до іншого середовища першим, розповсюдиться в ній швидше, ніж останній фотон з променя. Отже, фронт хвилі нахилиться. Ступінь поляризації тут поки що ні до чого, але розуміти це явище в повній мірі просто необхідно.
час процесів
Варто окремо сказати, що всі ці змінивідбуваються неймовірно швидко. Швидкість світла у вакуумі становить триста тисяч кілометрів на секунду. Будь-яке середовище уповільнює світло, але не набагато. Час, за яке фронт хвилі спотвориться при переході з одного середовища в іншу (наприклад, з повітря у воду), надзвичайно мало. Людське око не може цього помітити, та й мало який прилад здатний зафіксувати такі короткі процеси. Так що розуміти явище варто чисто теоретично. Тепер, в повній мірі усвідомлюючи, що таке випромінювання, читач захоче зрозуміти, як визначити ступінь поляризації світла? Не будемо обманювати його очікувань.
поляризація світла
Вище ми вже згадували, що в різних середовищах фотонисвітла мають різну швидкість. Так як світло - це поперечна електромагнітна хвиля (не є згущенням і розрідженням середовища), то у неї є дві основні характеристики:
- хвильової вектор;
- амплітуда (також векторна величина).
Перша характеристика вказує, кудинаправляється промінь світла, при цьому виникає вектор поляризації, тобто в який бік спрямований вектор напруженості електричного поля. Це дає можливість обертання навколо хвильового вектора. Природне світло, наприклад, що випромінюється Сонцем, не має поляризації. Коливання поширені на всі боки з однаковою ймовірністю, не існує будь-якого обраного напрямку або фігури, уздовж якої коливається кінець хвильового вектора.
Види поляризованого світла
Перш ніж навчитися обчислювати формулу ступеня поляризації і проводити розрахунки, варто зрозуміти, які бувають види поляризованого світла.
- Еліптична поляризація. Кінець хвильового вектора такого світла описує еліпс.
- Лінійна поляризація. Це окремий випадок першого варіанту. Як зрозуміло з назви, картина при цьому - один напрямок.
- Кругова поляризація. По-іншому вона ще називається циркулярною.
Будь природне світло можна уявити яксуму двох взаємно перпендикулярно поляризованих елементів. При цьому варто пам'ятати, що дві перпендикулярно поляризовані хвилі не взаємодіють. Їх інтерференція неможлива, так як з точки зору взаємодії амплітуд вони як би не існує один для одного. Коли вони зустрічаються, то просто проходять далі, не змінюючись.
Частково поляризоване світло
Застосування ефекту поляризації величезна.Направивши на об'єкт природне світло, а отримавши частково поляризований, вчені можуть судити про властивості поверхні. Але як визначити ступінь поляризації частково поляризованого світла?
Існує формула Н.А. Умова:
P = (Iпер-Iпар) / (Iпер+ Iпар), Де Iпер - це інтенсивність світла в напрямку, перпендикулярному площині поляризатора або поверхні, що відбиває, а Iпар - паралельному. Величина Р може приймати значення від 0 (для природного світла, позбавленого будь-якої поляризації) до 1 (для плоско поляризованого випромінювання).
Чи може природне світло бути поляризованим?
Питання на перший погляд дивний.Адже випромінювання, в якому немає будь-яких виділених напрямків, прийнято називати природним. Однак для мешканців поверхні Землі це в певному сенсі наближення. Сонце дає потік електромагнітних хвиль різних довжин. Це випромінювання не поляризоване. Але проходячи крізь товстий шар атмосфери, випромінювання набуває незначну поляризацію. Так що ступінь поляризації природного світла в цілому не дорівнює нулю. Але величина настільки мала, що нею часто нехтують. Враховується вона тільки в разі точних астрономічних обчислень, де найменша похибка може додати зірці років або відстані до нашої системи.
Чому світло поляризується?
Вище ми часто говорили, що в несхожих середовищахфотони поводяться по-різному. Але не згадали чому. Відповідь залежить від того, про яку саме середовищі ми говоримо, іншими словами, в якому агрегатному стані вона знаходиться.
- Середовище - кристалічне тіло зі строгоперіодичним будовою. Зазвичай структуру такого речовини представляють як грати з нерухомими кульками - іонами. Але в цілому це не зовсім точно. Таке наближення часто буває виправдано, але не у випадку взаємодії кристала і електромагнітного випромінювання. Насправді кожен іон коливається біля свого положення рівноваги, причому не хаотично, а відповідно до того, які у нього сусіди, на яких відстанях знаходяться і скільки їх. Так як всі ці коливання строго запрограмовані жорсткої середовищем, то і випроменити поглинений фотон цей іон здатний тільки строго визначеної форми. Цей факт породжує інший: якою буде поляризація виходить фотона, залежить від напрямку, в якому він увійшов в кристал. Це називається анізотропією властивостей.
- Середовище - рідина.Тут відповідь складніше, так як діють два фактори - складність молекул і флуктуації (згущення-розрідження) щільності. Само по собі складні довгі органічні молекули мають певну будову. Навіть найпростіші молекули сірчаної кислоти являють собою не хаотичний кулястий згусток, а цілком конкретну хрестоподібну форму. Інша справа, що всі вони в нормальних умовах розташовуються хаотично. Однак другий фактор (флуктуація) здатний створити такі умови, при яких невелика кількість молекул утворюють в невеликому обсязі щось на зразок тимчасової структури. При цьому або все молекули будуть сонаправлени, або будуть розташовуватися відносно один одного під якимись певними кутами. Якщо світло в цей час пройде крізь таку ділянку рідини, він придбає часткову поляризацію. Звідси випливає висновок, що температура сильно впливає на поляризацію рідини: чим вище температура, тим серйозніше турбулентність, і тим більше таких ділянок буде утворюватися. Останній висновок існує завдяки теорії самоорганізації.
- Середовище - газ.У разі однорідного газу поляризація відбувається за рахунок флуктуацій. Саме тому природне світло Сонця, пройшовши крізь атмосферу, набуває невелику поляризацію. І саме тому колір неба блакитний: середній розмір ущільнених елементів такої, що розсіюється електромагнітне випромінювання блакитного та фіолетового кольорів. Але якщо ми маємо справу з сумішшю газів, то обчислити ступінь поляризації набагато складніше. Ці проблеми часто вирішують астрономи, які досліджують світло зірки, що пройшла крізь щільне молекулярне хмара газу. Тому так складно і цікаво вивчати далекі галактики і скупчення. Але астрономи справляються і дарують дивовижні фотографії глибокого космосу людям.
