لقد تحدثنا حتى الآن عن الوسائط التي يختلف معامل انكسارها باختلاف اتجاهات استقطاب شعاع الضوء الساقط. تعتبر الوسائط الأخرى أيضًا ذات أهمية كبيرة للتطبيقات العملية، والتي، اعتمادًا على استقطاب الضوء، لا يتغير معامل الانكسار فحسب، بل يتغير أيضًا معامل الامتصاص. كما هو الحال في حالة الانكسار المزدوج، فمن السهل أن نفهم أن الامتصاص يمكن أن يعتمد على اتجاه الاهتزازات القسرية للشحنات فقط في الوسائط متباينة الخواص. المثال الأول القديم المشهور بالفعل هو التورمالين، والآخر بولارويد. يتكون بولارويد من طبقة رقيقة من بلورات صغيرة من الهيراباتيت (ملح اليود والكينين)، تتماشى مع محاورها الموازية لبعضها البعض. تمتص هذه البلورات الضوء عندما تحدث الاهتزازات في اتجاه واحد، ولا تمتص الضوء تقريبًا عندما تحدث الاهتزازات في اتجاه آخر.
دعونا نوجه شعاعًا من الضوء المستقطب بزاوية على محوره عند بولارويد. ما شدة الشعاع الذي يمر عبر بولارويد؟ دعونا نحلل شعاع الضوء الخاص بنا إلى مكونين: أحدهما ذو استقطاب عمودي على العنصر الذي يمر دون توهين (وهو متناسب)، والثاني - مكون طولي يتناسب مع . فقط جزء متناسب مع ؛ سوف يمر عبر بولارويد؛ سيتم استيعاب مكون يتناسب مع. سعة الضوء المنقول عبر بولارويد أقل من سعة الضوء الساقط ويتم الحصول عليها منه عن طريق الضرب في . شدة الضوء تتناسب طرديا مع المربع. وبالتالي، إذا كان الضوء الساقط مستقطبًا بزاوية مع محور البولارويد، فإن جزء الشدة الذي يرسله المستقطب يكون جزءًا من الإجمالي. إن جزء الكثافة الممتص في بولارويد هو بالطبع .
تنشأ مفارقة مثيرة للاهتمام في التجربة التالية. من المعروف أن اثنين من بولارويدات ذات محاور متعامدة مع بعضها البعض لا تنقل الضوء. ولكن إذا تم وضع واحد ثالث بين هذه البولارويدات، حيث يتم توجيه محورها بزاوية إلى محوري الاثنين الآخرين، فسوف يمر جزء من الضوء عبر نظامنا. كما نعلم، يمتص بولارويد الضوء فقط، ولا يمكنه خلق الضوء. ومع ذلك، من خلال وضع بولارويد الثالث بزاوية، فإننا نزيد كمية الضوء المنقولة. يمكنك تحليل هذه الظاهرة بنفسك كتمرين.
واحدة من ظواهر الاستقطاب الأكثر إثارة للاهتمام، والتي لا تحدث في البلورات المعقدة وجميع أنواع المواد الخاصة، ولكن في حالة بسيطة ومألوفة للغاية، هي الانعكاس من السطح. يبدو الأمر لا يصدق، ولكن عندما ينعكس الضوء من الزجاج، يمكن أن يصبح مستقطبًا، وتفسير هذه الحقيقة فيزيائيًا بسيط جدًا. أظهر بروستر تجريبيًا أن الضوء المنعكس من السطح يكون مستقطبًا تمامًا إذا شكلت الأشعة المنعكسة والمنكسرة زاوية قائمة. تظهر هذه الحالة في الشكل. 33.4.
الشكل 33.4. انعكاس الضوء المستقطب خطياً بزاوية بروستر.
يتم تحديد اتجاه الاستقطاب بواسطة الأسهم المنقطة: تمثل النقاط المستديرة الاستقطاب المتعامد مع مستوى الصفحة.
إذا كان الشعاع الساقط مستقطبًا في مستوى السقوط، فلن يكون هناك شعاع منعكس على الإطلاق. يحدث الشعاع المنعكس فقط إذا كان الشعاع الساقط مستقطبًا بشكل عمودي على مستوى الإصابة. سبب هذه الظاهرة من السهل أن نفهم. في الوسط العاكس، يستقطب الضوء بشكل عمودي على اتجاه حركة الشعاع، ونعلم أن حركة الشحنات في الوسط العاكس هي التي تولد الشعاع المنبعث منه، وهو ما يسمى المنعكس. إن ظهور هذا ما يسمى بالشعاع المنعكس لا يرجع ببساطة إلى حقيقة أن الشعاع الساقط منعكس؛ نحن نعلم الآن أن الشعاع الساقط يثير حركة الشحنات في الوسط، وهذا بدوره يولد شعاعًا منعكسًا.
من الشكل. من الشكل 33.4 من الواضح أن الاهتزازات المتعامدة فقط مع مستوى الصفحة تنتج إشعاعًا في اتجاه الشعاع المنعكس، وبالتالي فإن الشعاع المنعكس يكون مستقطبًا بشكل عمودي على مستوى السقوط. إذا كان الشعاع الساقط مستقطبًا في مستوى السقوط، فلن يكون هناك شعاع منعكس على الإطلاق.
يمكن إثبات هذه الظاهرة بسهولة من خلال عكس شعاع مستقطب خطيًا من لوح زجاجي مسطح. من خلال تدوير اللوحة بزوايا مختلفة في اتجاه الشعاع المستقطب الساقط، يمكن للمرء أن يلاحظ انخفاضًا حادًا في الشدة بزاوية مساوية لزاوية بروستر. يتم ملاحظة هذا الانخفاض في الشدة فقط عندما يتزامن مستوى الاستقطاب مع مستوى الإصابة. إذا كان مستوى الاستقطاب متعامدًا مع مستوى الإطلاق، فلن يلاحظ أي انخفاض ملحوظ في شدة الضوء المنعكس.
هناك نوعان من الموجات. في الاضطرابات التذبذبية الطولية تكون موازية لاتجاه انتشارها. مثال على ذلك هو مرور الصوت عبر الهواء. تتكون الموجات المستعرضة من اضطرابات تكون بزاوية 90 درجة في اتجاه السفر. على سبيل المثال، تسبب الموجة التي تمر أفقيًا عبر جسم مائي اهتزازات رأسية على سطحه.
اكتشاف الظاهرة
تم تفسير عدد من التأثيرات البصرية المحيرة التي لوحظت في منتصف القرن السابع عشر عندما بدأ اعتبار الضوء المستقطب والطبيعي ظاهرة موجية وتم اكتشاف اتجاهات اهتزازاته. تم اكتشاف أول ما يسمى بتأثير الاستقطاب من قبل الطبيب الدنماركي إيراسموس بارثولين في عام 1669. لاحظ العالم الانكسار المزدوج، أو الانكسار المزدوج، في أيسلندا الصاري، أو الكالسيت (شكل بلوري من كربونات الكالسيوم). عندما يمر الضوء عبر الكالسيت، تقوم البلورة بتقسيمه، منتجة صورتين متقابلتين عن بعضهما البعض.
كان نيوتن على علم بهذه الظاهرة واقترح أنه ربما تحتوي جسيمات الضوء على عدم تناسق أو "أحادية الجانب" مما قد يتسبب في تكوين صورتين. كان هيغنز، وهو معاصر لنيوتن، قادرًا على تفسير الانكسار المزدوج من خلال نظريته عن الموجات الأولية، لكنه لم يفهم المعنى الحقيقي للتأثير. ظل الانكسار الثنائي لغزًا حتى اقترح الفيزيائي الفرنسي أوغستين جان فريسنل أن موجات الضوء مستعرضة. لقد مكنت الفكرة البسيطة من شرح ماهية الاستقطاب والطبيعي وقدمت أساسًا طبيعيًا وغير معقد لتحليل تأثيرات الاستقطاب.
ينجم الانكسار المزدوج عن اتحاد استقطابين متعامدين، لكل منهما سرعة موجية خاصة به. ونظرًا للاختلاف في السرعة، فإن المكونين لهما معاملات انكسار مختلفة، وبالتالي ينكسران بشكل مختلف عبر المادة، مما يؤدي إلى إنتاج صورتين.
الضوء المستقطب والطبيعي: نظرية ماكسويل
طور فريسنل بسرعة نموذجًا معقدًا للموجات المستعرضة، مما أدى إلى الانكسار المزدوج وعدد من التأثيرات البصرية الأخرى. وبعد مرور أربعين عامًا، قدم العلم الكهرومغناطيسي تفسيرًا رائعًا للطبيعة العرضية للضوء.
تتكون موجات ماكسويل الكهرومغناطيسية من مجالات مغناطيسية وكهربائية تتأرجح بشكل عمودي على اتجاه الحركة. الحقول بزاوية 90 درجة لبعضها البعض. في هذه الحالة، تشكل اتجاهات انتشار المجالات المغناطيسية والكهربائية نظام إحداثيات أيمن. لموجة ذات تردد Fوالطول π (يرتبطان بالاعتماد φf = ج)، الذي يتحرك في اتجاه x الموجب، يتم وصف الحقول رياضيًا:
- ه(س، ر) = ه 0 كوس (2π س/- 2 π قدم)ذ^;
- ب(س، ر) = ب 0 كوس (2π س/- 2 π قدم) ض^.
توضح المعادلات أن المجالات الكهربائية والمغناطيسية متطابقة مع بعضها البعض. وفي أي لحظة من الزمن، فإنها تصل في نفس الوقت إلى قيمها القصوى في الفضاء، أي ما يعادل E 0 و B 0. هذه السعات ليست مستقلة. تظهر معادلات ماكسويل أن E 0 = cB 0 لجميع الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ.
اتجاهات الاستقطاب
عند وصف اتجاه المجالين المغناطيسي والكهربائي، تشير موجات الضوء عادةً إلى اتجاه المجال الكهربائي فقط. يتم تحديد متجه المجال المغناطيسي من خلال اشتراط أن تكون الحقول متعامدة ومتعامدة مع اتجاه الحركة. ويختلف الضوء الطبيعي والمستقطب خطيًا في أن الحقول في الأخير تتأرجح في اتجاهات ثابتة أثناء تحرك الموجة.
حالات الاستقطاب الأخرى ممكنة أيضًا. في حالة المتجه الدائري، تدور المجالات المغناطيسية والكهربائية بالنسبة لاتجاه الانتشار بسعة ثابتة. الضوء المستقطب بيضاويًا هو وسيط بين الاستقطاب الخطي والدائري.
ضوء غير مستقطب
تعمل الذرات الموجودة على سطح الخيط الساخن والتي تولد الإشعاع الكهرومغناطيسي بشكل مستقل عن بعضها البعض. يمكن تصميم كل انبعاث تقريبًا على شكل قطارات قصيرة تدوم من 10 -9 إلى 10 -8 ثوانٍ. والموجة الكهرومغناطيسية المنبعثة من الفتيل المتوهج هي عبارة عن تراكب لهذه القطارات، ولكل منها اتجاه الاستقطاب الخاص بها. يشكل مجموع القطارات الموجهة بشكل عشوائي موجة يتغير ناقل استقطابها بسرعة وبشكل عشوائي. تسمى هذه الموجة غير مستقطبة. كل شيء بما في ذلك الشمس والمصابيح المتوهجة ومصابيح الفلورسنت واللهب ينتج مثل هذا الإشعاع. ومع ذلك، غالبًا ما يكون الضوء الطبيعي مستقطبًا جزئيًا بسبب التشتت والانعكاس المتعدد.
وبالتالي، فإن الفرق بين الضوء المستقطب والضوء الطبيعي هو أن الاهتزازات في الأول تحدث في مستوى واحد.
مصادر الإشعاع المستقطب
يمكن إنتاج الضوء المستقطب في الحالات التي يتم فيها تحديد الاتجاه المكاني. أحد الأمثلة على ذلك هو المكان الذي تتحرك فيه الجسيمات المشحونة ذات الطاقة العالية في مجال مغناطيسي وتنبعث منها موجات كهرومغناطيسية مستقطبة. هناك العديد من المصادر الفلكية المعروفة التي تنبعث منها الضوء المستقطب بشكل طبيعي. وتشمل هذه السدم وبقايا المستعرات الأعظم ونواة المجرة النشطة. تتم دراسة استقطاب الإشعاع الكوني لتحديد خصائص مصادره.
مرشح بولارويد
ويتم فصل الضوء المستقطب عن الضوء الطبيعي عند مروره عبر عدد من المواد، وأكثرها شيوعاً هو بولارويد الذي ابتكره الفيزيائي الأمريكي إدوين لاند. يتكون المرشح من سلاسل طويلة من جزيئات الهيدروكربون موجهة في اتجاه واحد من خلال عملية المعالجة الحرارية. تمتص الجزيئات بشكل انتقائي الإشعاع الذي يكون مجاله الكهربائي موازيا لاتجاهها. الضوء الخارج من البولارويد مستقطب خطيًا. مجالها الكهربائي عمودي على اتجاه التوجه الجزيئي. وقد وجد استخدام بولارويد في العديد من التطبيقات، بما في ذلك النظارات الشمسية والمرشحات التي تقلل من تأثيرات الضوء المنعكس والمتناثر.
الضوء الطبيعي والمستقطب: قانون مالوس
في عام 1808، اكتشف الفيزيائي إتيان لويس مالوس أن الضوء المنعكس من الأسطح غير المعدنية مستقطب جزئيًا. ويعتمد مدى هذا التأثير على زاوية السقوط ومعامل انكسار المادة العاكسة. في إحدى الحالات القصوى، عندما يكون ظل زاوية سقوط الحزمة في الهواء مساويًا لمعامل انكسار المادة العاكسة، يصبح الضوء المنعكس مستقطبًا خطيًا تمامًا. تُعرف هذه الظاهرة بقانون بروستر (سمي على اسم مكتشفه الفيزيائي الاسكتلندي ديفيد بروستر). ويكون اتجاه الاستقطاب موازيا للسطح العاكس. نظرًا لأن الوهج أثناء النهار يحدث عادةً عندما ينعكس عن الأسطح الأفقية مثل الطرق والمياه، فغالبًا ما تستخدم النظارات الشمسية مرشحات لإزالة الضوء المستقطب أفقيًا وبالتالي إزالة انعكاسات الضوء بشكل انتقائي.
تشتت رايلي
كما أن تشتت الضوء بواسطة الأجسام الصغيرة جدًا، والتي تكون أبعادها أصغر بكثير من الطول الموجي (ما يسمى بتشتت رايلي نسبة إلى العالم الإنجليزي اللورد رايلي)، يخلق أيضًا استقطابًا جزئيًا. عندما يمر الإشعاع الشمسي عبر الغلاف الجوي للأرض، فإنه ينتشر بواسطة جزيئات الهواء. يصل الضوء الطبيعي المستقطب والمتناثر إلى الأرض. وتعتمد درجة استقطابها على زاوية التشتت. وبما أن البشر لا يميزون بين الضوء الطبيعي والمستقطب، فإن هذا التأثير عادة ما يمر دون أن يلاحظه أحد. إلا أن عيون العديد من الحشرات تستجيب لها، وتستخدم الاستقطاب النسبي للإشعاعات المتناثرة كأداة ملاحية. أحد مرشحات الكاميرا الشائعة المستخدمة لتقليل إشعاع الخلفية في ضوء الشمس الساطع هو مستقطب خطي بسيط يفصل بين الضوء الطبيعي وضوء رايلي المستقطب.
مواد متباينة الخواص
تُلاحظ تأثيرات الاستقطاب في المواد متباينة الخواص بصريًا (التي يتغير فيها الاستقطاب مع الاتجاه)، مثل البلورات ثنائية الانكسار، وبعض الهياكل البيولوجية، والمواد النشطة بصريًا. وتشمل التطبيقات التكنولوجية المجاهر الاستقطابية، وشاشات الكريستال السائل، والأدوات البصرية المستخدمة في أبحاث المواد.
الضوء المنبعث من ذرة فردية هو موجة كهرومغناطيسية، أي مزيج من موجتين عرضيتين متعامدتين بشكل متبادل - كهربائية (تتكون من تذبذب ناقل شدة المجال الكهربائي وموجة مغناطيسية (تتكون من تذبذب ناقل شدة المجال المغناطيسي الذي يعمل على طول خط مستقيم مشترك يسمى شعاع الضوء (الشكل 337) ).
يُطلق على الشعاع (الضوء) الذي تحدث فيه التذبذبات الكهربائية طوال الوقت في مستوى واحد فقط اسم الشعاع المستقطب (الضوء) ؛ وبالطبع في هذه الحالة تحدث التذبذبات المغناطيسية في مستوى آخر (متعامد) (يسمى مستوى استقطاب الضوء). ويترتب على هذا التعريف أن الضوء المنبعث من ذرة فردية مستقطب (على الأقل خلال كامل فترة إشعاع هذه الذرة).
تظهر التجربة والنظرية أن التأثيرات الكيميائية والفسيولوجية وغيرها من أنواع تأثيرات الضوء على المادة تنتج بشكل أساسي عن الاهتزازات الكهربائية. لذلك، وكذلك لتبسيط الرسومات التي تصور موجة ضوئية (أو شعاع)، سنتحدث من الآن فصاعدا فقط عن التذبذبات الكهربائية، وسيطلق على المستوى الذي تحدث فيه مستوى تذبذبات الضوء، أو ببساطة مستوى التذبذبات. ومن ثم يمكن تصوير شعاع الضوء المستقطب بشكل تخطيطي كما في الشكل 1. 338، أ (الشعاع عمودي على مستوى الرسم؛ وتتوافق المتجهات مع قيم اتساع شدة المجال الكهربائي
عمليًا، نحن لا نواجه أبدًا ضوءًا من ذرة واحدة منفردة، حيث أن أي مصدر حقيقي للضوء (الجسم المضيء) يتكون من عدة ذرات تنبعث عشوائيًا، أي تبعث موجات ضوئية بكل الاتجاهات الممكنة لمستوى الاهتزاز. تتراكب هذه الموجات على بعضها البعض، ونتيجة لذلك فإن أي شعاع ينبعث من مصدر ضوء حقيقي (طبيعي) سيتوافق مع العديد من مستويات التذبذب ذات التوجهات المختلفة (الشكل 338، ب). مثل هذا الشعاع (الضوء) غير مستقطب ويسمى الشعاع الطبيعي (الضوء).
عادة، تكون شدة الإشعاع الصادر من كل الذرات التي يتكون منها الجسم المضيء هي نفسها في المتوسط؛ لذلك، فإن الضوء الطبيعي له نفس قيم متجهات السعة (القصوى) في جميع مستويات الاهتزاز. ومع ذلك، هناك حالات عندما تكون قيم السعة لمتجه شعاع الضوء ليست هي نفسها بالنسبة لمستويات مختلفة من التذبذب؛ يسمى هذا الشعاع مستقطبًا جزئيًا. في التين. يُظهر الشكل 338، ج حزمة مستقطبة جزئيًا، حيث تحدث التذبذبات في الغالب في المستوى الرأسي.
على عكس الضوء الطبيعي، يتميز الضوء المستقطب ليس فقط بالكثافة (اعتمادًا على سعة شدة المجال واللون (اعتمادًا على الطول الموجي X)، ولكن أيضًا بالموضع
طائرة التذبذب. لذلك، على سبيل المثال، الأشعة المستقطبة 1 و 2 و 3 (الشكل 339)، التي تكون شدتها ولونها متماثلة، ليست متطابقة مع بعضها البعض. ومع ذلك، فإن العين البشرية لا تكتشف الفرق بين الأشعة المستقطبة التي لها اتجاهات مختلفة لمستوى الاهتزاز، ولا تميز بشكل عام الضوء المستقطب عن الضوء الطبيعي.
يمكن أن يكون الضوء الطبيعي مستقطبًا، أي أنه يمكن تحويله إلى ضوء مستقطب. للقيام بذلك، من الضروري تهيئة الظروف التي يمكن أن تحدث فيها تذبذبات متجه شدة المجال الكهربائي في اتجاه واحد محدد فقط. قد تحدث مثل هذه الظروف، على سبيل المثال، عندما يمر الضوء الطبيعي عبر وسط متباين الخواص فيما يتعلق بالاهتزازات الكهربائية. كما هو معروف، فإن تباين الخواص هو سمة من سمات البلورات (انظر الفقرة 51). ولذلك، يمكننا أن نتوقع استقطاب الضوء الذي يمر عبر البلورة. في الواقع، تظهر التجربة أن العديد من البلورات الطبيعية والمصطنعة تستقطب الضوء الطبيعي الذي يمر عبرها.
بعبارات أكثر عمومية، فإن الجوهر المادي لعملية استقطاب الضوء الذي يمر عبر البلورة هو كما يلي. وفقًا لنظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية (انظر الفقرة 105)، يتسبب المجال الكهربائي المتناوب للموجة الضوئية في حدوث تيار استقطاب متناوب في عازل بلوري، أي إزاحة متناوبة للجسيمات المشحونة (الذرات والأيونات) التي تشكل الشبكة البلورية. يولد تيار الاستقطاب حرارة جول؛ ونتيجة لذلك، يحدث تحويل الطاقة الضوئية إلى حرارة في البلورة.
بسبب تباين البلورة، فإن الإزاحة المحتملة لجزيئاتها، وبالتالي قوة تيار الاستقطاب، تختلف باختلاف مستويات الشبكة البلورية. من الواضح أن موجة الضوء التي تنتقل في مستوى يتوافق مع الإزاحات الكبيرة المحتملة للجسيمات تسبب تيار استقطاب قوي، وبالتالي يتم امتصاصها بالكامل تقريبًا بواسطة البلورة. إذا انتقلت موجة الضوء في مستوى يتوافق مع إزاحة الجسيمات الصغيرة، فإنها تسبب تيار استقطاب ضعيف وتمر عبر البلورة دون امتصاص كبير.
وهكذا، من بين الاهتزازات الكهربائية للضوء الطبيعي، التي لها جميع الاتجاهات الممكنة، فقط تلك التي تحدث في المستوى المطابق للحد الأدنى من تيار الاستقطاب تمر عبر البلورة (بدون امتصاص)؛ يتم إضعاف الاهتزازات المتبقية إلى درجة واحدة أو آخر، لأن توقعاتها فقط على هذا المستوى تمر عبر البلورة. ونتيجة لذلك، فإن الضوء الذي يمر عبر البلورة يتعرض لتذبذبات كهربائية فقط في مستوى واحد محدد، أي أن الضوء يتحول إلى مستقطب.
وتشمل البلورات الطبيعية التي تستقطب الضوء، على سبيل المثال، التورمالين. إن الشعاع الطبيعي الذي يمر عبر صفيحة التورمالين المقطوعة بالتوازي مع المحور البصري للبلورة يكون مستقطبًا تمامًا وله اهتزازات كهربائية فقط في المستوى الرئيسي في المستوى الذي يحتوي على المحور البصري والحزمة (الشكل 340).
يوجد في كل بلورة اتجاه تتناسب معه ذرات (أو أيونات) الشبكة البلورية بشكل متناظر. ويسمى المحور البصري للبلورة. ولنؤكد على أن المحور البصري ليس مجرد خط واحد، بل هو اتجاه معين في البلورة؛ جميع الخطوط المستقيمة الموازية لهذا الاتجاه في البلورة هي محاور بصرية.
إذا كان شعاع طبيعي يسير على طول المحور البصري، فإن جميع اهتزازاته الكهربائية تكون متعامدة معه. في هذه الحالة (بسبب الترتيب المتماثل لجزيئات البلورة بالنسبة للمحور البصري)، تحدث جميع الاهتزازات الكهربائية تحت نفس الظروف وتمر جميعها عبر البلورة. ولذلك، فإن الشعاع الطبيعي الذي يتحرك على طول المحور البصري غير مستقطب. بالنسبة لجميع الاتجاهات الأخرى للحزمة، يحدث استقطابها.
إذا تم وضع لوحة تورمالين ثانية 2 خلف اللوحة 1، بحيث يكون محورها البصري عموديًا على المحور البصري للوحة، فلن تمر الحزمة عبر اللوحة الثانية (نظرًا لأن اهتزازاتها الكهربائية متعامدة مع المستوى الرئيسي للوحة لوحة 2). إذا كانت المحاور البصرية للوحتين 1 و 2 تصنع زاوية مختلفة عن ذلك فإن الضوء (الشعاع) يمر عبر اللوحة 2. ومع ذلك، كما يلي من الشكل. 341، فإن سعة اهتزازات الضوء التي تمر عبر اللوحة 2 ستكون أقل من سعة اهتزازات الضوء الساقطة على هذه اللوحة:
وبما أن شدة الضوء تتناسب مع مربع سعة اهتزازات الضوء، إذن
حيث شدة الضوء الساقط على اللوحة 2، Y هي شدة الضوء المار عبر هذه اللوحة. العلاقة (12) تسمى قانون مالوس.
وبالتالي، فإن دوران اللوحة 2 حول الشعاع المستقطب يصاحبه تغير في شدة الضوء الذي يمر عبر هذه اللوحة؛ الحد الأقصى للكثافة يحدث عند الحد الأدنى (الموافق للإطفاء الكامل للضوء) - عند
تسمى اللوحة 7، التي تستقطب الضوء الطبيعي، بالمستقطب، وتسمى اللوحة 2، التي من خلالها تتغير شدة الضوء المستقطب (وبالتالي تكتشف حقيقة الاستقطاب)، بالمحلل. من الواضح أن كلا اللوحين متماثلان تمامًا (يمكن تبديلهما)؛ تصف هذه الأسماء الغرض من السجلات فقط.
تجدر الإشارة إلى أن التورمالين يتمتع بامتصاص انتقائي كبير - فهو ينقل الضوء الأخضر في الغالب؛ وهذا هو عيب التورمالين كمستقطب (ومحلل).
في السنوات الأخيرة، تم استخدام ما يسمى بولارويد (مرشحات الاستقطاب) على نطاق واسع لاستقطاب الضوء. بولارويد عبارة عن طبقة بوليمر شفافة سميكة تقريبًا تحتوي على العديد من البلورات الاصطناعية الصغيرة - المستقطبات، على سبيل المثال بلورات الهيراباتيت (كبريتات يوديد الكينين). يتم توجيه المحاور البصرية لجميع بلورات الهيراباتيت في نفس الاتجاه أثناء عملية تصنيع البولارويد. فيلم بولارويد غير مكلف نسبيًا، ومرن جدًا، وله مساحة كبيرة، وله نفس الامتصاص (لا يُذكر) تقريبًا لجميع الأطوال الموجية للضوء المرئي.
أحد التطبيقات العملية المثيرة للاهتمام لـ Polaroid هو استخدامه في المركبات لحماية السائقين من وهج المصابيح الأمامية القادمة. ولهذا الغرض، يتم لصق أفلام بولارويد على الزجاج الأمامي وزجاج المصابيح الأمامية، وتكون محاورها البصرية متوازية وتشكل 45 درجة مع الأفق. وبعد ذلك، كما هو واضح في الشكل. 342، سيكون المحور البصري للزجاج الأمامي لسيارة واحدة متعامدًا مع المحور البصري
محاور بولارويد للمصابيح الأمامية لسيارة قادمة (يظهر اتجاه المحاور البصرية في الشكل بواسطة الأسهم). وفقا لقانون مالوس، مع مثل هذا التوجه للمحاور البصرية لبولارويد، لن يمر الضوء الأمامي المستقطب عبر الزجاج الأمامي للسيارة القادمة؛ لذلك فإن السائق عمليا لا يرى المصابيح الأمامية للسيارات القادمة (لكنه بالطبع سيرى هذه السيارات في المصابيح الأمامية لسيارته).
سنكشف اليوم عن جوهر الطبيعة الموجية للضوء والظاهرة المرتبطة بها "درجة الاستقطاب".
القدرة على الرؤية والضوء
إن طبيعة الضوء والقدرة على الرؤية المرتبطة به قد أثارت عقول البشر لفترة طويلة. افترض الإغريق القدماء، أثناء محاولتهم تفسير الرؤية: إما أن تبعث العين "أشعة" معينة "تشعر" بالأشياء المحيطة بها وبالتالي تخبر الشخص بمظهرها وشكلها، أو أن الأشياء نفسها تبعث شيئًا يلتقطه الناس ويحكمون على كيفية عمل كل شيء. تبين أن النظريات بعيدة كل البعد عن الحقيقة: فالكائنات الحية ترى بفضل الضوء المنعكس. من الوعي بهذه الحقيقة إلى القدرة على حساب درجة الاستقطاب، لم يتبق سوى خطوة واحدة - لفهم أن الضوء موجة.
الضوء عبارة عن موجة
كشفت دراسة أكثر تفصيلاً للضوء أنه في حالة عدم وجود تداخل، فإنه ينتشر في خط مستقيم ولا يتحول إلى أي مكان. إذا اعترضت عائق غير شفاف طريق الشعاع، فإن الظلال تتشكل، ولم يكن الناس مهتمين بالمكان الذي ذهب إليه الضوء نفسه. ولكن بمجرد اصطدام الإشعاع بوسط شفاف، حدثت أشياء مذهلة: تغير الشعاع اتجاه الانتشار وخفت. في عام 1678، اقترح هـ. هويجنز أن هذا يمكن تفسيره بحقيقة واحدة: الضوء موجة. قام العالم بتشكيل مبدأ هويجنز، والذي تم استكماله لاحقًا بمبدأ فريسنل. وبفضل ذلك يعرف الناس اليوم كيفية تحديد درجة الاستقطاب.
مبدأ هيجنز فريسنل
ووفقاً لهذا المبدأ، فإن أي نقطة في الوسط وصلت إليها جبهة الموجة هي مصدر ثانوي للإشعاع المتماسك، ويعمل غلاف جميع مقدمات هذه النقاط بمثابة جبهة الموجة في اللحظة التالية من الزمن. وبالتالي، إذا انتشر الضوء دون تداخل، فستكون جبهة الموجة في كل لحظة تالية هي نفسها كما في الجبهة السابقة. ولكن بمجرد أن يواجه الشعاع عائقًا، يدخل عامل آخر حيز التنفيذ: في الوسائط المختلفة، ينتشر الضوء بسرعات مختلفة. وبالتالي، فإن الفوتون الذي تمكن من الوصول إلى وسط آخر أولاً سوف ينتشر خلاله بشكل أسرع من آخر فوتون من الشعاع. وبالتالي فإن جبهة الموجة سوف تميل. درجة الاستقطاب لا علاقة لها بها بعد، ولكن من الضروري ببساطة أن نفهم هذه الظاهرة بشكل كامل.
وقت المعالجة
بشكل منفصل، تجدر الإشارة إلى أن كل هذه التغييرات تحدث بسرعة لا تصدق. وسرعة الضوء في الفراغ تبلغ ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية. أي وسيلة تبطئ الضوء، ولكن ليس كثيرًا. الوقت الذي تستغرقه جبهة الموجة للتشوه عند الانتقال من وسط إلى آخر (على سبيل المثال، من الهواء إلى الماء) قصير للغاية. لا يمكن للعين البشرية ملاحظة ذلك، وقلة من الأجهزة قادرة على تسجيل مثل هذه العمليات القصيرة. لذلك ينبغي فهم هذه الظاهرة من الناحية النظرية البحتة. الآن بعد أن فهمنا ما هو الإشعاع بشكل كامل، سيرغب القارئ في فهم كيفية العثور على درجة استقطاب الضوء؟ دعونا لا نخدع توقعاته.
استقطاب الضوء
لقد ذكرنا سابقًا أنه في الوسائط المختلفة، تكون لفوتونات الضوء سرعات مختلفة. بما أن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية مستعرضة (ليست تكثيفًا أو تخلخلًا لوسط ما)، فإن له خاصيتين رئيسيتين:
- ناقل الموجة
- السعة (أيضا
تشير الخاصية الأولى إلى المكان الذي يتم فيه توجيه شعاع الضوء، وينشأ ناقل الاستقطاب، أي الاتجاه الذي يتم فيه توجيه متجه شدة المجال الكهربائي. هذا يجعل من الممكن الدوران حول ناقل الموجة. الضوء الطبيعي، مثل الضوء المنبعث من الشمس، غير مستقطب. تتوزع التذبذبات في جميع الاتجاهات باحتمالات متساوية، ولا يوجد اتجاه أو شكل معين تهتز على طوله نهاية متجه الموجة.
أنواع الضوء المستقطب
قبل تعلم كيفية حساب صيغة درجة الاستقطاب وإجراء الحسابات، من المفيد فهم أنواع الضوء المستقطب الموجودة.
- الاستقطاب الاهليلجي. تصف نهاية الموجه الموجي لهذا الضوء الشكل الناقص.
- الاستقطاب الخطي. وهذه حالة خاصة للخيار الأول. وكما يوحي الاسم، فإن الصورة هي اتجاه واحد.
- الاستقطاب الدائري. وبطريقة أخرى يطلق عليه أيضًا دائري.
يمكن تمثيل أي ضوء طبيعي كمجموع عنصرين مستقطبين بشكل متعامد. ومن الجدير بالذكر أن موجتين مستقطبتين بشكل متعامد لا تتفاعلان. إن تداخلها مستحيل، لأنه من وجهة نظر تفاعل السعات لا يبدو أنها موجودة لبعضها البعض. عندما يجتمعون، فإنهم ببساطة يمضون قدمًا دون تغيير.
ضوء مستقطب جزئيا
تطبيق تأثير الاستقطاب هائل. من خلال تسليط الضوء الطبيعي على جسم ما واستقبال الضوء المستقطب جزئيًا، يمكن للعلماء الحكم على خصائص السطح. ولكن كيف يمكننا تحديد درجة استقطاب الضوء المستقطب جزئيا؟
هناك صيغة كتبها N. A. أوموفا:
P=(I Lane -I أزواج)/(I Lane +I أزواج)، حيث I Lane هي شدة الضوء في الاتجاه العمودي على مستوى المستقطب أو السطح العاكس، وI Pair متوازي. يمكن أن تأخذ قيمة P قيمًا من 0 (للضوء الطبيعي الخالي من أي استقطاب) إلى 1 (للإشعاع المستقطب المستوي).
هل يمكن استقطاب الضوء الطبيعي؟
السؤال غريب للوهلة الأولى. بعد كل شيء، عادة ما يسمى الإشعاع الذي لا توجد فيه اتجاهات محددة بأنه طبيعي. ومع ذلك، بالنسبة لسكان سطح الأرض، يعد هذا تقديرًا تقريبيًا إلى حد ما. تنتج الشمس تيارًا من الموجات الكهرومغناطيسية بأطوال مختلفة. هذا الإشعاع غير مستقطب. لكن عند المرور عبر طبقة سميكة من الغلاف الجوي، يكتسب الإشعاع استقطابًا طفيفًا. لذا فإن درجة استقطاب الضوء الطبيعي بشكل عام ليست صفراً. لكن قيمتها صغيرة جدًا لدرجة أنها غالبًا ما يتم إهمالها. ولا يؤخذ في الاعتبار إلا في حالة الحسابات الفلكية الدقيقة، حيث يمكن لأدنى خطأ أن يضيف سنوات أو مسافة للنجم إلى نظامنا.
لماذا الضوء مستقطب؟
لقد قلنا كثيرًا أعلاه أن الفوتونات تتصرف بشكل مختلف في الوسائط المختلفة. لكنهم لم يذكروا السبب. تعتمد الإجابة على نوع البيئة التي نتحدث عنها، وبعبارة أخرى، على أي حالة من التجمعات هي.
- الوسيط عبارة عن جسم بلوري ذو بنية دورية صارمة. عادةً ما يتم تمثيل بنية هذه المادة على شكل شبكة ذات كرات ثابتة - أيونات. ولكن بشكل عام هذا ليس دقيقا تماما. غالبًا ما يكون هذا التقريب مبررًا، ولكن ليس في حالة التفاعل بين الإشعاع البلوري والإشعاع الكهرومغناطيسي. في الواقع، كل أيون يتأرجح حول موضع توازنه، ليس بشكل فوضوي، ولكن وفقًا لما هو جيرانه، وعلى أي مسافة يتواجدون، وعددهم. نظرًا لأن كل هذه الاهتزازات مبرمجة بشكل صارم بواسطة الوسط الصلب، فإن هذا الأيون قادر على إصدار فوتون ممتص فقط ذو شكل محدد بدقة. هذه الحقيقة تؤدي إلى حقيقة أخرى: يعتمد استقطاب الفوتون الخارج على الاتجاه الذي دخل فيه البلورة. وهذا ما يسمى تباين الخاصية.
- الوسط سائل. الإجابة هنا أكثر تعقيدًا، حيث يوجد عاملان مؤثران: تعقيد الجزيئات وتقلبات (التكثيف-الخلخلة) في الكثافة. تمتلك الجزيئات العضوية الطويلة المعقدة في حد ذاتها بنية محددة. حتى أبسط جزيئات حمض الكبريتيك ليست جلطة كروية فوضوية، ولكنها ذات شكل متقاطع محدد للغاية. شيء آخر هو أنه في ظل الظروف العادية يتم ترتيبهم جميعًا بشكل فوضوي. ومع ذلك، فإن العامل الثاني (التقلب) قادر على خلق الظروف التي يشكل فيها عدد صغير من الجزيئات ما يشبه البنية المؤقتة في حجم صغير. في هذه الحالة، سيتم توجيه جميع الجزيئات بشكل مشترك أو سيتم تحديد موقعها بالنسبة لبعضها البعض في زوايا معينة. إذا مر الضوء عبر هذا الجزء من السائل في هذا الوقت، فسوف يكتسب استقطابًا جزئيًا. ويترتب على ذلك أن درجة الحرارة تؤثر بشكل كبير على استقطاب السائل: فكلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت شدة الاضطراب، وتكاثرت هذه المناطق. الاستنتاج الأخير موجود بفضل نظرية التنظيم الذاتي.
- متوسطة - غاز. في حالة الغاز المتجانس، يحدث الاستقطاب بسبب التقلبات. وهذا هو السبب في أن الضوء الطبيعي للشمس، الذي يمر عبر الغلاف الجوي، يكتسب استقطابا طفيفا. ولهذا السبب يكون لون السماء أزرق: متوسط حجم العناصر المضغوطة بحيث ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي ذو الألوان الزرقاء والبنفسجية. ولكن إذا كنا نتعامل مع خليط من الغازات، فإن حساب درجة الاستقطاب يكون أكثر صعوبة. غالبًا ما يتم حل هذه المشكلات من قبل علماء الفلك الذين يدرسون ضوء النجم الذي يمر عبر سحابة جزيئية كثيفة من الغاز. ولهذا السبب، من الصعب والمثير للاهتمام دراسة المجرات والمجموعات البعيدة. لكن علماء الفلك يتأقلمون ويعطون الناس صورًا مذهلة للفضاء السحيق.
الضوء الطبيعي هو إشعاع بصري ذو اتجاهات متغيرة بسرعة وعشوائية للكثافة المغناطيسية الكهربائية. المجالات، وجميع اتجاهات الاهتزازات المتعامدة مع أشعة الضوء محتملة بالتساوي.
مستقطب - الضوء الذي يتم فيه ترتيب اتجاهات تذبذبات ناقل الضوء بطريقة ما.
الضوء المستقطب جزئيًا - إذا ظهر الاتجاه السائد لتذبذبات المتجه E نتيجة لأي تأثيرات خارجية.
مستقطب مستوي - إذا كانت تذبذبات المتجه E تحدث في مستوى واحد فقط.
يتم تحديد شدة الضوء بعد المستقطب بواسطة قانون مالوس. أنا=أنا 0 *كوس 2 α 
أنا 0 - الشدة قبل المستقطب؛ I - الشدة بعد المستقطب؛ α هي الزاوية بين المتجه E ومستوى الاستقطاب.
دع الضوء الطبيعي يسقط على مستقطبين.
أنا 1=1/2*آكل
أنا 2 =1/2*آكل *cos 2 α=I 1 *cos 2 α
درجة استقطاب الشعاع Δ=(Imax-Imin)/(Imax*Imin)
22. استقطاب الضوء أثناء الانعكاس والانكسار. قانون بروستر.
يمكن إنتاج الضوء المستقطب باستخدام انعكاس أو انكسار الضوء من الوسائط المتناحية العازلة. إذا كانت زاوية سقوط الضوء عند السطح البيني بين عازلين كهربائيين غير صفرية، فإن الأشعة المنعكسة والمنكسرة تكون مستقطبة جزئيًا. تعتمد درجة استقطاب كلا الحزمتين على زاوية سقوط الحزمة. لكل زوج من الوسائط الشفافة، هناك زاوية سقوط يصبح عندها الضوء المنعكس مستقطبًا مستويًا تمامًا، ويظل الشعاع المنكسر مستقطبًا جزئيًا، ولكن درجة استقطابه عند هذه الزاوية هي الحد الأقصى. وتسمى هذه الزاوية زاوية بروستر. يتم تحديد زاوية بروستر من الشرط: tgφ Br =n 21 =n 2 /n 1 
23. الضوء الطبيعي والمستقطب. دوران مستوى الاستقطاب.
المستوى الذي يتأرجح فيه المتجه E يسمى مستوى التذبذب، ويسمى المتجه H مستوى الاستقطاب.
إذا تم ترتيب اهتزازات المتجه E بأي شكل من الأشكال، فإن الضوء يسمى مستقطبًا. إذا كان في مستوى واحد - مستقطب للطائرة.
إذا سادت اهتزازات E في مستوى واحد على المستويات الأخرى، يكون الضوء مستقطبًا جزئيًا.
في الضوء الطبيعي، لا يواجه المتجه E عدم تناسق بالنسبة لاتجاه انتشار الحزمة.
يتم الحصول على الضوء المستقطب المستوي باستخدام أجهزة تسمى المستقطبات.
يتم تحديد شدة الضوء لمجال المستقطبات وفقًا لقانون Malus: I=I o COS 2 α، حيث I o هي الشدة قبل المستقطب، I بعد، α هي الزاوية بين E ومستوى الاستقطاب.
درجة استقطاب الشعاع هي قيمة تساوي: Δ=(I max -I min)/(I max +I min)
للضوء الطبيعي Δ=0، للضوء المستقطب المستوي Δ=1، للضوء المستقطب جزئيًا 0<Δ<1.
يتم الحصول على الضوء المستقطب المستوي عن طريق الانعكاس من السطح البيني بين وسطين إذا كانت زاوية السقوط تساوي زاوية بروستر: tanα br =n 21 =n 2 /n 1
عندما يمر الضوء من خلال مادة نشطة بصريا، يدور المتجه E. وتسمى هذه الظاهرة دوران مستوى الاستقطاب.
زاوية دوران مستوى الاستقطاب للبلورات والسوائل النقية: ϕ=αd; للحلول: ϕ=[α]cd، حيث d هي المسافة التي يقطعها الضوء في مادة نشطة بصريًا، و([a]) هو ما يسمى بالدوران النوعي، ويساوي عدديًا زاوية دوران مستوى الاستقطاب من الضوء بطبقة من مادة نشطة بصريا بوحدة سمك (وحدة التركيز - للمحاليل)، C - تركيز كتلة المادة النشطة بصريا في المحلول، كجم / م 3. ويعتمد الدوران النوعي على طبيعة المادة ودرجة الحرارة والطول الموجي للضوء في الفراغ.
يمكن تفسير ظاهرة دوران مستوى الاستقطاب باستخدام افتراضين فريسنل:
يمكن تمثيل أي موجة مستقطبة مستوية على شكل موجتين مستقطبتين في دائرة ذات دوران يمينًا ويسارًا
تختلف سرعات الدوران في المادة الفعالة بصريا.