Avui revelarem l'essència de la naturalesa ondulatòria de la llum i el fenomen del "grau de polarització" relacionat amb aquest fet.
La capacitat de veure i il·luminar
La naturalesa de la llum i la capacitat de veure associada a ella ha preocupat la ment humana durant molt de temps. Els antics grecs, intentant explicar la visió, van suposar: o bé l'ull emet certs "raigs" que "senten" els objectes que l'envolten i, per tant, informen la persona del seu aspecte i forma, o les coses en si emeten alguna cosa que la gent capta i jutja com tot. obres. Les teories van resultar estar lluny de la veritat: els éssers vius veuen gràcies a la llum reflectida. Des d'adonar-se d'aquest fet fins a poder calcular quin és el grau de polarització, quedava un pas: entendre que la llum és una ona.
La llum és una ona
Amb un estudi més detallat de la llum, va resultar que, en absència d'interferències, es propaga en línia recta i no gira enlloc. Si un obstacle opac s'interposa en el camí del feix, llavors es formen ombres, i on va la llum mateixa, la gent no estava interessada. Però tan bon punt la radiació va xocar amb un medi transparent, van passar coses sorprenents: el feix va canviar de direccióescampat i enfosquit. El 1678, H. Huygens va suggerir que això es pot explicar per un sol fet: la llum és una ona. El científic va formar el principi de Huygens, que més tard va ser complementat per Fresnel. Gràcies al que la gent avui sap determinar el grau de polarització.
Principi de Huygens-Fresnel
Segons aquest principi, qualsevol punt del medi arribat pel front d'ona és una font secundària de radiació coherent, i l'embolcall de tots els fronts d'aquests punts actua com a front d'ona en el moment següent de temps. Així, si la llum es propaga sense interferències, en cada instant següent el front d'ona serà el mateix que en l'anterior. Però tan bon punt el feix es troba amb un obstacle, entra en joc un altre factor: en mitjans diferents, la llum es propaga a diferents velocitats. Així, el fotó que va aconseguir arribar primer a l' altre medi s'hi propagarà més ràpidament que l'últim fotó del feix. Per tant, el front d'ona s'inclinarà. El grau de polarització encara no hi té res a veure, però simplement cal entendre completament aquest fenomen.
Temps de procés
S'ha de dir per separat que tots aquests canvis s'estan produint increïblement ràpid. La velocitat de la llum en el buit és de tres-cents mil quilòmetres per segon. Qualsevol mitjà frena la llum, però no gaire. El temps durant el qual el front d'ona es distorsiona quan es mou d'un medi a un altre (per exemple, de l'aire a l'aigua) és extremadament curt. L'ull humà no s'adona d'això, i pocs dispositius són capaços d'arreglar tan curtprocessos. Per tant, val la pena entendre el fenomen purament teòricament. Ara, plenament conscient del que és la radiació, el lector voldrà entendre com trobar el grau de polarització de la llum? No enganyem les seves expectatives.
Polarització de la llum
Ja hem esmentat anteriorment que els fotons de la llum tenen velocitats diferents en diferents mitjans. Com que la llum és una ona electromagnètica transversal (no és una condensació i rarefacció del medi), té dues característiques principals:
- vector d'ona;
- amplitud (també una quantitat vectorial).
La primera característica indica cap a on es dirigeix el feix de llum, i sorgeix el vector de polarització, és a dir, en quina direcció es dirigeix el vector d'intensitat del camp elèctric. Això fa possible girar al voltant del vector d'ona. La llum natural, com la que emet el sol, no té polarització. Les oscil·lacions es distribueixen en totes direccions amb la mateixa probabilitat, no hi ha cap direcció o patró escollit al llarg del qual oscil·li l'extrem del vector d'ona.
Tipus de llum polaritzada
Abans d'aprendre a calcular la fórmula del grau de polarització i fer càlculs, hauríeu d'entendre quins tipus de llum polaritzada són.
- Polarització el·líptica. El final del vector d'ona d'aquesta llum descriu una el·lipse.
- Polarització lineal. Aquest és un cas especial de la primera opció. Com el seu nom indica, la imatge és una direcció.
- Polarització circular. D'una altra manera, també s'anomena circular.
Qualsevol llum natural es pot representar com la suma de dos elements polaritzats mútuament perpendiculars. Val la pena recordar que dues ones polaritzades perpendicularment no interaccionen. La seva interferència és impossible, ja que des del punt de vista de la interacció d'amplituds, sembla que no existeixin entre elles. Quan es troben, passen sense canviar.
Llum parcialment polaritzada
L'aplicació de l'efecte de polarització és enorme. En dirigir la llum natural cap a un objecte i rebre llum parcialment polaritzada, els científics poden jutjar les propietats de la superfície. Però, com es determina el grau de polarització de la llum parcialment polaritzada?
Hi ha una fórmula per a N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), on Itrans és la intensitat de la llum en la direcció perpendicular al pla del polaritzador o superfície reflectant, i I par- paral·lel. El valor P pot prendre valors des de 0 (per a la llum natural sense polarització) fins a 1 (per a la radiació polaritzada plana).
La llum natural es pot polaritzar?
La pregunta és estranya a primera vista. Després de tot, la radiació en la qual no hi ha direccions distingides se sol anomenar natural. Tanmateix, per als habitants de la superfície de la Terra, això és en cert sentit una aproximació. El sol dóna un corrent d'ones electromagnètiques de diverses longituds. Aquesta radiació no està polaritzada. Però passanta través d'una gruixuda capa de l'atmosfera, la radiació adquireix una lleugera polarització. Per tant, el grau de polarització de la llum natural generalment no és zero. Però el valor és tan petit que sovint es descuida. Només es té en compte en el cas de càlculs astronòmics precisos, on el més mínim error pot afegir anys a l'estrella o distància al nostre sistema.
Per què es polaritza la llum?
Sovint hem dit anteriorment que els fotons es comporten de manera diferent en mitjans diferents. Però no van dir per què. La resposta depèn de quin tipus d'entorn estem parlant, és a dir, en quin estat agregat es troba.
- El medi és un cos cristal·lí amb una estructura estrictament periòdica. En general, l'estructura d'aquesta substància es representa com una gelosia amb boles fixes - ions. Però, en general, això no és del tot exacte. Aquesta aproximació sovint es justifica, però no en el cas de la interacció d'un cristall i la radiació electromagnètica. De fet, cada ió oscil·la al voltant de la seva posició d'equilibri, i no de manera aleatòria, sinó d'acord amb quins veïns té, a quines distàncies i quants d'ells. Com que totes aquestes vibracions estan estrictament programades per un medi rígid, aquest ió és capaç d'emetre un fotó absorbit només d'una forma estrictament definida. Aquest fet en dóna lloc a un altre: quina serà la polarització del fotó sortint depèn de la direcció en què va entrar al cristall. Això s'anomena anisotropia de propietats.
- dimecres - líquid. Aquí la resposta és més complicada, ja que hi intervenen dos factors: la complexitat de les molècules ifluctuacions (condensació-rarefacció) de la densitat. En si mateixes, les molècules orgàniques llargues complexes tenen una certa estructura. Fins i tot les molècules més simples d'àcid sulfúric no són un coàgul esfèric caòtic, sinó una forma cruciforme molt específica. Una altra cosa és que en condicions normals estan tots disposats aleatòriament. No obstant això, el segon factor (la fluctuació) és capaç de crear condicions en les quals un petit nombre de molècules es formen en un petit volum una cosa semblant a una estructura temporal. En aquest cas, totes les molècules estaran codirigides o estaran situades entre elles en alguns angles específics. Si la llum en aquest moment travessa aquesta secció del líquid, adquirirà una polarització parcial. Això porta a la conclusió que la temperatura afecta fortament la polarització del líquid: com més alta sigui la temperatura, més greu serà la turbulència i més zones es formaran. L'última conclusió existeix gràcies a la teoria de l'autoorganització.
- dimecres - gas. En el cas d'un gas homogeni, la polarització es produeix per fluctuacions. És per això que la llum natural del Sol, passant per l'atmosfera, adquireix una petita polarització. I per això el color del cel és blau: la mida mitjana dels elements compactats és tal que es dispersa la radiació electromagnètica blava i violeta. Però si estem davant d'una barreja de gasos, és molt més difícil calcular el grau de polarització. Aquests problemes solen ser resolts pels astrònoms que estudien la llum d'una estrella que ha travessat un dens núvol molecular de gas. Per tant, és tan difícil i interessant estudiar galàxies i cúmuls llunyans. Peròels astrònoms s'enfronten i donen fotos sorprenents de l'espai profund a les persones.
