Ma feltárjuk a fény hullámtermészetének lényegét és az ehhez kapcsolódó „polarizációs fok” jelenséget.
A látás és a fény képessége
A fény természete és a hozzá kapcsolódó látási képesség hosszú ideje aggasztja az emberi elmét. Az ókori görögök a látás magyarázatával azt feltételezték: vagy a szem bocsát ki bizonyos „sugarakat”, amelyek „érzik” a környező tárgyakat, és ezáltal tájékoztatják az embert azok megjelenéséről és alakjáról, vagy pedig maguk a dolgok bocsátanak ki valamit, amit az emberek felfognak és megítélnek. működik. Kiderült, hogy az elméletek távol állnak az igazságtól: az élőlények a visszavert fénynek köszönhetően látnak. Ennek a ténynek a felismerésétől a polarizáció mértékének kiszámításáig egy lépés maradt – annak megértése, hogy a fény hullám.
A fény egy hullám
A fény részletesebb vizsgálatával kiderült, hogy interferencia hiányában egyenes vonalban terjed és nem fordul sehova. Ha átlátszatlan akadály kerül a sugár útjába, akkor árnyékok keletkeznek, és ahol maga a fény megy, az embereket nem érdekelte. De amint a sugárzás egy átlátszó közeggel ütközött, elképesztő dolgok történtek: a sugár irányt változtatottszétterülve és elhalványulva. 1678-ban H. Huygens felvetette, hogy ez egyetlen ténnyel magyarázható: a fény egy hullám. A tudós kialakította a Huygens-elvet, amelyet később Fresnel egészített ki. Annak köszönhetően, amit ma az emberek tudják, hogyan határozzák meg a polarizáció mértékét.
Huygens-Fresnel elv
Ennek az elvnek megfelelően a közeg bármely pontja, amelyet a hullámfront elér, a koherens sugárzás másodlagos forrása, és e pontok összes frontjának burkolata hullámfrontként működik a következő időpillanatban. Így ha a fény interferencia nélkül terjed, akkor minden következő pillanatban a hullámfront ugyanaz lesz, mint az előzőben. De amint a sugár akadályba ütközik, egy másik tényező lép működésbe: eltérő közegekben a fény különböző sebességgel terjed. Így az a foton, amelynek először sikerült elérnie a másik közeget, gyorsabban fog terjedni benne, mint a nyaláb utolsó fotonja. Ezért a hullámfront megdől. A polarizáció mértékének még semmi köze ehhez, de egyszerűen szükséges a jelenség teljes megértéséhez.
Folyamatidő
Külön kell mondanunk, hogy mindezek a változások hihetetlenül gyorsan mennek végbe. A fény sebessége vákuumban másodpercenként háromszázezer kilométer. Bármilyen közeg lassítja a fényt, de nem sokkal. Az az idő, ameddig a hullámfront torzul az egyik közegből a másikba (például levegőből vízbe) történő mozgáskor, rendkívül rövid. Az emberi szem ezt nem veszi észre, és kevés eszköz képes ilyen rövidzárlatot rögzítenifolyamatokat. Érdemes tehát pusztán elméletileg megérteni a jelenséget. Most, hogy az olvasó teljesen tisztában van azzal, hogy mi a sugárzás, meg akarja érteni, hogyan találhatja meg a fény polarizációs fokát? Ne tévessze meg az elvárásait.
A fény polarizációja
A fentiekben már említettük, hogy a fény fotonjai különböző sebességgel rendelkeznek a különböző közegekben. Mivel a fény egy keresztirányú elektromágneses hullám (nem a közeg lecsapódása és ritkulása), két fő jellemzője van:
- hullámvektor;
- amplitúdó (vektormennyiség is).
Az első karakterisztika azt jelzi, hogy hova irányul a fénysugár, és keletkezik a polarizációs vektor, vagyis az elektromos térerősség vektora melyik irányba irányul. Ez lehetővé teszi a hullámvektor körüli forgatást. A természetes fénynek, például a nap által kibocsátottnak nincs polarizációja. Az oszcillációk minden irányban egyenlő valószínűséggel oszlanak meg, nincs kiválasztott irány vagy minta, amely mentén a hullámvektor vége oszcillál.
Polarizált fénytípusok
Mielőtt megtanulná, hogyan kell kiszámítani a polarizációs fok képletét, és számításokat végezne, meg kell értenie, hogy milyen típusú polarizált fény.
- Elliptikus polarizáció. Az ilyen fény hullámvektorának vége egy ellipszist ír le.
- Lineáris polarizáció. Ez az első lehetőség speciális esete. Ahogy a neve is sugallja, a kép egy irányba mutat.
- Körkörös polarizáció. Más módon kör alakúnak is nevezik.
Bármely természetes fény ábrázolható két egymásra merőleges polarizált elem összegeként. Érdemes megjegyezni, hogy két merőlegesen polarizált hullám nem lép kölcsönhatásba. Interferenciájuk lehetetlen, hiszen az amplitúdók kölcsönhatása szempontjából úgy tűnik, hogy nem léteznek egymás számára. Amikor találkoznak, csak továbbadnak anélkül, hogy megváltoznának.
Részben polarizált fény
A polarizációs hatás alkalmazása óriási. A természetes fényt egy tárgyra irányítva és részben polarizált fényt kapva a tudósok meg tudják ítélni a felület tulajdonságait. De hogyan lehet meghatározni a részlegesen polarizált fény polarizációs fokát?
Van egy képlet az N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), ahol Itrans a fény intenzitása a polarizátor vagy a fényvisszaverő felület síkjára merőleges irányban, és I par- párhuzamos. A P érték 0-tól (polarizáció nélküli természetes fény esetén) 1-ig (sík polarizált sugárzás esetén) értéket vehet fel.
Polarizálható a természetes fény?
A kérdés első pillantásra furcsa. Hiszen természetesnek nevezik azt a sugárzást, amelyben nincsenek megkülönböztetett irányok. A Föld felszínének lakói számára azonban ez bizonyos értelemben közelítés. A Nap különböző hosszúságú elektromágneses hullámokat bocsát ki. Ez a sugárzás nem polarizált. De elmúlása légkör vastag rétegén keresztül a sugárzás enyhe polarizációt kap. Tehát a természetes fény polarizációs foka általában nem nulla. De az érték olyan kicsi, hogy gyakran figyelmen kívül hagyják. Csak precíz csillagászati számítások esetén veszik figyelembe, ahol a legkisebb hiba is évekkel növelheti a csillagot vagy a rendszerünk távolságát.
Miért polarizálódik a fény?
Gyakran mondtuk fent, hogy a fotonok eltérően viselkednek a különböző közegekben. De nem említették, hogy miért. A válasz attól függ, hogy milyen környezetről beszélünk, vagyis milyen aggregált állapotban van.
- A közeg szigorúan periodikus szerkezetű kristályos test. Általában egy ilyen anyag szerkezetét rögzített golyókkal - ionokkal ellátott rácsként ábrázolják. De általában ez nem teljesen pontos. Egy ilyen közelítés gyakran indokolt, de nem kristály és elektromágneses sugárzás kölcsönhatása esetén. Valójában minden ion az egyensúlyi helyzete körül oszcillál, és nem véletlenszerűen, hanem annak megfelelően, hogy milyen szomszédai vannak, milyen távolságra és hányan vannak. Mivel ezeket a rezgéseket szigorúan merev közeg programozza, ez az ion csak szigorúan meghatározott formában képes elnyelt fotont kibocsátani. Ez a tény egy másikat vet fel: a kimenő foton polarizációja attól függ, hogy milyen irányban lépett be a kristályba. Ezt tulajdonság anizotrópiának nevezik.
- Szerda - folyékony. Itt a válasz bonyolultabb, mivel két tényező hat – a molekulák összetettsége ésa sűrűség ingadozása (kondenzáció-ritkulás). Önmagukban az összetett, hosszú szerves molekulák bizonyos szerkezettel rendelkeznek. Még a kénsav legegyszerűbb molekulái sem egy kaotikus gömb alakú rög, hanem egy nagyon sajátos kereszt alakú. A másik dolog az, hogy normál körülmények között mindegyik véletlenszerűen van elrendezve. A második tényező (fluktuáció) azonban képes olyan feltételeket teremteni, amelyek mellett kis számú molekula kis térfogatban képződik valami ideiglenes szerkezethez hasonló módon. Ebben az esetben vagy minden molekula együtt lesz irányítva, vagy egymáshoz képest bizonyos szögben helyezkednek el. Ha a fény ekkor áthalad a folyadék egy ilyen szakaszán, akkor részleges polarizációt kap. Ebből arra lehet következtetni, hogy a hőmérséklet erősen befolyásolja a folyadék polarizációját: minél magasabb a hőmérséklet, annál komolyabb a turbulencia, és annál több ilyen terület képződik. Az utolsó következtetés az önszerveződés elméletének köszönhető.
- Szerda - gáz. Homogén gáz esetén a fluktuációk miatt polarizáció lép fel. Ezért a Nap természetes fénye, amely áthalad a légkörön, kis polarizációt kap. És ezért kék az ég színe: a tömörített elemek átlagos mérete akkora, hogy a kék és lila elektromágneses sugárzás szétszóródik. De ha gázkeverékről van szó, akkor sokkal nehezebb kiszámítani a polarizáció mértékét. Ezeket a problémákat gyakran olyan csillagászok oldják meg, akik egy sűrű molekuláris gázfelhőn áthaladó csillag fényét tanulmányozzák. Ezért olyan nehéz és érdekes távoli galaxisok és halmazok tanulmányozása. Dea csillagászok megbirkóznak, és csodálatos fényképeket készítenek a mélyűrről az embereknek.
