Setakat ini kita telah bercakap tentang media yang indeks biasannya berbeza untuk arah polarisasi yang berbeza bagi pancaran cahaya kejadian. Media lain juga sangat penting untuk aplikasi praktikal, di mana, bergantung pada polarisasi cahaya, bukan sahaja indeks biasan, tetapi juga perubahan pekali penyerapan. Seperti dalam kes birefringence, mudah difahami bahawa penyerapan boleh bergantung pada arah getaran paksa cas hanya dalam media anisotropik. Contoh pertama, lama, sudah terkenal ialah turmalin, dan satu lagi ialah polaroid. Polaroid terdiri daripada lapisan nipis kristal kecil herapatit (garam iodin dan kina), sejajar dengan paksinya selari antara satu sama lain. Kristal ini menyerap cahaya apabila getaran berlaku dalam satu arah, dan hampir tiada cahaya apabila getaran berlaku ke arah lain.
Mari kita arahkan pancaran cahaya terkutub pada sudut ke paksinya di Polaroid. Apakah keamatan rasuk yang melalui Polaroid? Mari kita uraikan pancaran cahaya kita kepada dua komponen: satu dengan polarisasi berserenjang dengan yang melepasi tanpa pengecilan (ia adalah berkadar), dan yang kedua - komponen membujur, berkadar dengan . Hanya sebahagian yang berkadar dengan ; komponen yang berkadar dengan , akan diserap. Amplitud cahaya yang dihantar melalui Polaroid adalah kurang daripada amplitud cahaya kejadian dan diperoleh daripadanya dengan mendarab dengan . Keamatan cahaya adalah berkadar dengan segi empat sama. Oleh itu, jika cahaya kejadian dikutubkan pada sudut kepada paksi polaroid, pecahan keamatan yang dihantar oleh polarizer adalah sebahagian daripada jumlah keseluruhan. Pecahan keamatan yang diserap dalam Polaroid, sudah tentu, .
Paradoks yang menarik timbul dalam eksperimen berikut. Adalah diketahui bahawa dua polaroid dengan paksi yang terletak berserenjang antara satu sama lain tidak menghantar cahaya. Tetapi jika yang ketiga diletakkan di antara polaroid tersebut, yang paksinya diarahkan pada sudut kepada paksi dua yang lain, sebahagian daripada cahaya akan melalui sistem kami. Seperti yang kita tahu, Polaroid hanya menyerap cahaya; Walau bagaimanapun, dengan meletakkan polaroid ketiga pada sudut, kami meningkatkan jumlah cahaya yang dihantar. Anda boleh menganalisis sendiri fenomena ini sebagai latihan.
Salah satu fenomena polarisasi yang paling menarik, yang tidak berlaku dalam kristal kompleks dan semua jenis bahan khas, tetapi dalam kes yang mudah dan sangat biasa, adalah pantulan dari permukaan. Nampaknya luar biasa, tetapi apabila dipantulkan dari kaca, cahaya boleh menjadi terpolarisasi, dan menerangkan fakta ini secara fizikal adalah sangat mudah. Brewster menunjukkan secara eksperimen bahawa cahaya yang dipantulkan dari permukaan terkutub sepenuhnya jika sinar yang dipantulkan dan dibiaskan membentuk sudut tegak. Kes ini ditunjukkan dalam Rajah. 33.4.
Rajah 33.4. Pantulan cahaya terkutub linear pada sudut Brewster.
Arah polarisasi diberikan oleh anak panah bertitik: titik bulat mewakili polarisasi berserenjang dengan satah halaman.
Jika rasuk tuju terkutub dalam satah kejadian, tidak akan ada rasuk pantulan sama sekali. Rasuk pantulan berlaku hanya jika rasuk tuju dikutubkan berserenjang dengan satah kejadian. Sebab fenomena ini mudah difahami. Dalam medium pemantulan, cahaya dikutubkan berserenjang dengan arah gerakan rasuk, dan kita tahu bahawa ia adalah pergerakan cas dalam medium pemantulan yang menjana rasuk yang terpancar daripadanya, yang dipanggil terpantul. Kemunculan sinar pantulan yang dipanggil ini bukan semata-mata disebabkan oleh fakta bahawa sinar tuju dipantulkan; kita kini tahu bahawa rasuk kejadian merangsang pergerakan cas dalam medium, dan ini seterusnya menghasilkan rasuk pantulan.
Daripada rajah. 33.4 adalah jelas bahawa hanya getaran berserenjang dengan satah halaman menghasilkan sinaran ke arah sinar pantulan, dan oleh itu sinar pantulan terkutub berserenjang dengan satah tuju. Jika rasuk tuju terkutub dalam satah kejadian, tidak akan ada rasuk pantulan sama sekali.
Fenomena ini boleh ditunjukkan dengan mudah dengan memantulkan rasuk terpolarisasi linear dari plat kaca rata. Dengan memutarkan plat pada sudut yang berbeza ke arah rasuk terkutub kejadian, seseorang dapat melihat penurunan mendadak dalam intensiti pada sudut yang sama dengan sudut Brewster. Penurunan intensiti ini diperhatikan hanya apabila satah polarisasi bertepatan dengan satah kejadian. Jika satah polarisasi adalah berserenjang dengan satah penembakan, tiada penurunan ketara dalam keamatan cahaya yang dipantulkan diperhatikan.
Terdapat dua jenis gelombang. Dalam gangguan ayunan membujur adalah selari dengan arah perambatannya. Contohnya ialah laluan bunyi melalui udara. Gelombang melintang terdiri daripada gangguan yang bersudut 90° terhadap arah perjalanan. Sebagai contoh, gelombang yang melalui mendatar melalui badan air menyebabkan getaran menegak pada permukaannya.
Penemuan fenomena
Beberapa kesan optik yang membingungkan yang diperhatikan pada pertengahan abad ke-17 dijelaskan apabila cahaya terkutub dan semula jadi mula dianggap sebagai fenomena gelombang dan arah getarannya ditemui. Kesan polarisasi pertama yang dipanggil telah ditemui oleh doktor Denmark Erasmus Bartholin pada tahun 1669. Para saintis memerhatikan pembiasan berganda, atau birefringence, dalam spar Iceland, atau kalsit (bentuk kristal kalsium karbonat). Apabila cahaya melalui kalsit, kristal membelahnya, menghasilkan dua imej yang mengimbangi antara satu sama lain.
Newton menyedari fenomena ini dan mencadangkan bahawa mungkin korpuskel cahaya mempunyai asimetri atau "sepihak" yang boleh menyebabkan dua imej terbentuk. Huygens, yang sezaman dengan Newton, dapat menerangkan pembiasan berganda dengan teori gelombang asasnya, tetapi dia tidak memahami maksud sebenar kesan itu. Birefringence kekal misteri sehingga ahli fizik Perancis Augustin-Jean Fresnel mencadangkan bahawa gelombang cahaya adalah melintang. Idea mudah itu memungkinkan untuk menerangkan apa itu terkutub dan semula jadi dan menyediakan asas semula jadi dan tidak rumit untuk analisis kesan polarisasi.
Birefringence disebabkan oleh gabungan dua polarisasi serenjang, masing-masing dengan kelajuan gelombangnya sendiri. Kerana perbezaan kelajuan, kedua-dua komponen mempunyai indeks biasan yang berbeza dan oleh itu membias secara berbeza melalui bahan, menghasilkan dua imej.
Polarisasi dan cahaya semula jadi: teori Maxwell
Fresnel cepat membangunkan model kompleks gelombang melintang, yang membawa kepada birefringence dan beberapa kesan optik lain. Empat puluh tahun kemudian, sains elektromagnet dengan elegan menjelaskan sifat melintang cahaya.
Gelombang elektromagnet Maxwell terdiri daripada medan magnet dan elektrik yang berayun berserenjang dengan arah pergerakan. Medan berada pada sudut 90° antara satu sama lain. Dalam kes ini, arah perambatan medan magnet dan elektrik membentuk sistem koordinat tangan kanan. Untuk gelombang dengan frekuensi f dan panjang λ (mereka berkaitan dengan pergantungan λf = c), yang bergerak dalam arah x positif, medan diterangkan secara matematik:
- E(x, t) = E 0 cos (2π x/λ- 2 π ft)y^;
- B(x, t) = B 0 cos (2π x/λ- 2 π ft)z^.
Persamaan menunjukkan bahawa medan elektrik dan magnet berada dalam fasa antara satu sama lain. Pada bila-bila masa tertentu, mereka pada masa yang sama mencapai nilai maksimum mereka dalam ruang, sama dengan E 0 dan B 0. Amplitud ini tidak bebas. Persamaan Maxwell menunjukkan bahawa E 0 = cB 0 untuk semua gelombang elektromagnet dalam vakum.
Arah polarisasi
Dalam menerangkan orientasi medan magnet dan elektrik, gelombang cahaya biasanya hanya menunjukkan arah medan elektrik. Vektor medan magnet ditentukan oleh keperluan bahawa medan adalah berserenjang dan berserenjang dengan arah gerakan. Cahaya semula jadi dan terkutub linear berbeza kerana di belakang medan berayun dalam arah tetap apabila gelombang bergerak.
Keadaan polarisasi lain juga mungkin. Dalam kes vektor bulat, medan magnet dan elektrik berputar relatif kepada arah perambatan dengan amplitud malar. Cahaya terkutub elips adalah perantaraan antara polarisasi linear dan bulat.
Cahaya tidak terpolarisasi
Atom pada permukaan filamen yang dipanaskan yang menghasilkan sinaran elektromagnet bertindak secara bebas antara satu sama lain. Setiap pelepasan boleh dimodelkan secara kasar sebagai kereta api pendek yang berlangsung dari 10 -9 hingga 10 -8 saat. Gelombang elektromagnet yang terpancar daripada filamen pijar adalah superposisi kereta api ini, yang setiap satunya mempunyai arah polarisasi sendiri. Jumlah kereta api berorientasikan rawak membentuk gelombang, vektor polarisasi yang berubah dengan cepat dan rawak. Gelombang sedemikian dipanggil tidak terkutub. Segala-galanya termasuk Matahari, lampu pijar, lampu pendarfluor dan nyalaan menghasilkan sinaran sedemikian. Walau bagaimanapun, cahaya semula jadi sering terkutub sebahagiannya disebabkan oleh pelbagai serakan dan pantulan.
Oleh itu, perbezaan antara cahaya terpolarisasi dan cahaya semula jadi ialah pada mulanya getaran berlaku dalam satu satah.
Sumber sinaran terpolarisasi
Cahaya terpolarisasi boleh dihasilkan dalam kes-kes di mana orientasi spatial ditentukan. Satu contoh ialah di mana zarah bercas tenaga tinggi bergerak dalam medan magnet dan memancarkan gelombang elektromagnet terkutub. Terdapat banyak sumber astronomi yang diketahui yang memancarkan cahaya terpolarisasi secara semula jadi. Ini termasuk nebula, sisa supernova dan nukleus galaksi aktif. Polarisasi sinaran kosmik dikaji untuk menentukan sifat sumbernya.
Penapis polaroid
Cahaya terkutub dan semula jadi dipisahkan apabila melalui beberapa bahan, yang paling biasa ialah Polaroid, yang dicipta oleh ahli fizik Amerika Edwin Land. Penapis terdiri daripada rantai panjang molekul hidrokarbon yang berorientasikan satu arah melalui proses rawatan haba. Molekul secara selektif menyerap sinaran yang medan elektriknya selari dengan orientasinya. Cahaya yang keluar dari polaroid adalah terkutub secara linear. Medan elektriknya berserenjang dengan arah orientasi molekul. Polaroid telah digunakan dalam banyak aplikasi, termasuk cermin mata hitam dan penapis yang mengurangkan kesan cahaya yang dipantulkan dan tersebar.
Cahaya semula jadi dan terkutub: hukum Malus
Pada tahun 1808, ahli fizik Etienne-Louis Malus mendapati bahawa cahaya yang dipantulkan daripada permukaan bukan logam sebahagiannya terkutub. Tahap kesan ini bergantung pada sudut tuju dan indeks biasan bahan pemantul. Dalam satu kes yang melampau, apabila tangen sudut tuju rasuk di udara adalah sama dengan indeks biasan bahan pemantul, cahaya yang dipantulkan menjadi terkutub linear sepenuhnya. Fenomena ini dikenali sebagai undang-undang Brewster (dinamakan sempena penemunya, ahli fizik Scotland David Brewster). Arah polarisasi adalah selari dengan permukaan pemantulan. Memandangkan silau siang hari biasanya berlaku apabila dipantulkan dari permukaan mendatar seperti jalan raya dan air, cermin mata hitam sering menggunakan penapis untuk mengeluarkan cahaya terkutub mendatar dan oleh itu secara selektif mengeluarkan pantulan cahaya.
Rayleigh menghambur
Penyerakan cahaya oleh objek yang sangat kecil, yang dimensinya jauh lebih kecil daripada panjang gelombang (yang dipanggil penyerakan Rayleigh selepas saintis Inggeris Lord Rayleigh), juga mewujudkan polarisasi separa. Apabila sinaran suria melalui atmosfera bumi, ia diserakkan oleh molekul udara. Cahaya terkutub dan semula jadi yang bertaburan sampai ke bumi. Tahap polarisasinya bergantung pada sudut serakan. Oleh kerana manusia tidak membezakan antara cahaya semula jadi dan terkutub, kesan ini biasanya tidak disedari. Walau bagaimanapun, mata banyak serangga bertindak balas terhadapnya, dan mereka menggunakan polarisasi relatif sinaran yang bertaburan sebagai alat navigasi. Penapis kamera biasa yang digunakan untuk mengurangkan sinaran latar belakang dalam cahaya matahari yang terang ialah polarizer linear ringkas yang memisahkan cahaya terkutub semula jadi dan Rayleigh.
Bahan anisotropik
Kesan polarisasi diperhatikan dalam bahan optik anisotropik (di mana polarisasi berubah mengikut arah), seperti kristal dwirefringen, beberapa struktur biologi, dan bahan aktif optik. Aplikasi teknologi termasuk mikroskop polarisasi, paparan kristal cecair, dan instrumen optik yang digunakan untuk penyelidikan bahan.
Cahaya yang dipancarkan oleh atom individu adalah gelombang elektromagnet, iaitu gabungan dua gelombang melintang yang saling berserenjang - elektrik (dibentuk oleh ayunan vektor kekuatan medan elektrik dan magnet (dibentuk oleh ayunan vektor kekuatan medan magnet yang berjalan di sepanjang garis lurus biasa dipanggil sinar cahaya (Gamb. 337) ).
Rasuk (cahaya) di mana ayunan elektrik berlaku sepanjang masa dalam satu dan hanya satu satah dipanggil rasuk terkutub (cahaya); Sudah tentu, dalam kes ini, ayunan magnet berlaku dalam satah lain (serenjang) (dipanggil satah polarisasi cahaya). Daripada definisi ini, cahaya yang dipancarkan oleh atom individu adalah terkutub (sekurang-kurangnya sepanjang tempoh radiasi atom ini).
Pengalaman dan teori menunjukkan bahawa kimia, fisiologi dan lain-lain jenis kesan cahaya pada jirim disebabkan terutamanya oleh getaran elektrik. Oleh itu, dan juga untuk memudahkan lukisan yang menggambarkan gelombang cahaya (atau pancaran), kita akan mula bercakap hanya tentang ayunan elektrik, dan satah di mana ia berlaku akan dipanggil satah ayunan cahaya, atau hanya satah ayunan. Kemudian pancaran cahaya terkutub boleh digambarkan secara skematik seperti dalam Rajah. 338, a (rasuk berserenjang dengan satah lukisan; vektor sepadan dengan nilai amplitud kekuatan medan elektrik
Dalam amalan, kita tidak pernah menemui cahaya daripada satu atom individu, kerana mana-mana sumber cahaya sebenar (badan bercahaya) terdiri daripada banyak atom yang memancarkan secara rawak, iaitu, memancarkan gelombang cahaya dengan semua kemungkinan orientasi satah getaran. Gelombang ini menimpa satu sama lain, akibatnya sebarang sinar yang terpancar daripada sumber cahaya sebenar (semula jadi) akan sepadan dengan banyak satah ayunan berorientasikan berbeza (Rajah 338, b). Rasuk (cahaya) sedemikian tidak terkutub dan dipanggil sinar semula jadi (cahaya).
Lazimnya, keamatan sinaran daripada setiap atom yang membentuk badan bercahaya adalah, secara purata, adalah sama; Oleh itu, cahaya semula jadi mempunyai amplitud (maksimum) nilai vektor yang sama dalam semua satah getaran. Walau bagaimanapun, terdapat kes apabila nilai amplitud vektor pancaran cahaya tidak sama untuk satah ayunan yang berbeza; rasuk sedemikian dipanggil terkutub separa. Dalam Rajah. 338, c menunjukkan rasuk separa terkutub, di mana ayunan berlaku terutamanya dalam satah menegak.
Tidak seperti cahaya semula jadi, cahaya terpolarisasi dicirikan bukan sahaja oleh keamatan (bergantung kepada amplitud kekuatan medan dan warna (bergantung pada panjang gelombang X), tetapi juga oleh kedudukan
satah ayunan. Oleh itu, sebagai contoh, sinar terkutub 1, 2 dan 3 (Rajah 339), yang keamatan dan warnanya adalah sama, tidak sama antara satu sama lain. Walau bagaimanapun, mata manusia tidak mengesan perbezaan antara sinar terpolarisasi yang mempunyai orientasi satah getaran yang berbeza, dan secara amnya tidak membezakan cahaya terpolarisasi daripada cahaya semula jadi.
Cahaya semula jadi boleh dikutubkan, iaitu, ia boleh diubah menjadi cahaya terkutub. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk mewujudkan keadaan di mana ayunan vektor kekuatan medan elektrik boleh berlaku hanya sepanjang satu arah tertentu. Keadaan sedemikian mungkin, sebagai contoh, berlaku apabila cahaya semula jadi melalui medium yang anisotropik berkenaan dengan getaran elektrik. Seperti yang diketahui, anisotropi adalah ciri kristal (lihat § 51). Oleh itu, kita boleh menjangkakan polarisasi cahaya yang melalui kristal. Sesungguhnya, pengalaman menunjukkan bahawa banyak kristal semula jadi dan buatan buatan mempolarisasi cahaya semula jadi yang melaluinya.
Dalam istilah yang paling umum, intipati fizikal proses polarisasi cahaya yang melalui kristal adalah seperti berikut. Menurut teori elektromagnet Maxwell (lihat § 105), medan elektrik berselang-seli bagi gelombang cahaya menyebabkan arus polarisasi berselang-seli dalam dielektrik kristal, iaitu, anjakan berselang-seli bagi zarah bercas (atom, ion) yang membentuk kekisi kristal. Arus polarisasi menjana haba Joule; Akibatnya, penukaran tenaga cahaya kepada haba berlaku dalam kristal.
Disebabkan anisotropi kristal, kemungkinan anjakan zarahnya, dan oleh itu kekuatan arus polarisasi, ternyata berbeza untuk satah berbeza kekisi kristal. Adalah jelas bahawa gelombang cahaya yang bergerak dalam satah sepadan dengan kemungkinan anjakan zarah yang ketara menyebabkan arus polarisasi yang kuat dan oleh itu hampir diserap sepenuhnya oleh kristal. Jika gelombang cahaya bergerak dalam satah yang sepadan dengan anjakan zarah kecil, maka ia menyebabkan arus polarisasi yang lemah dan melalui kristal tanpa penyerapan yang ketara.
Oleh itu, daripada getaran elektrik cahaya semula jadi, yang mempunyai semua arah yang mungkin, hanya yang berlaku dalam satah yang sepadan dengan minimum arus polarisasi melalui kristal (tanpa penyerapan); getaran yang tinggal dilemahkan ke satu darjah atau yang lain, kerana hanya unjuran mereka ke satah ini melalui kristal. Akibatnya, cahaya yang melalui kristal mengalami ayunan elektrik hanya dalam satu satah tertentu, iaitu cahaya menjadi terkutub.
Kristal semulajadi yang mempolarisasi cahaya termasuk, sebagai contoh, turmalin. Rasuk semulajadi yang melalui plat turmalin yang dipotong selari dengan paksi optik hablur terkutub sepenuhnya dan mempunyai getaran elektrik hanya pada satah utama dalam satah yang mengandungi paksi optik dan rasuk (Rajah 340).
Dalam setiap kristal terdapat arah relatif kepada atom (atau ion) kekisi kristal terletak secara simetri; ia dipanggil paksi optik kristal. Mari kita tekankan bahawa paksi optik bukan hanya satu baris, tetapi arah tertentu dalam kristal; semua garis lurus yang dilukis selari dengan arah ini dalam hablur adalah paksi optik.
Jika rasuk semulajadi berjalan di sepanjang paksi optik, maka semua getaran elektriknya adalah berserenjang dengannya. Dalam kes ini (disebabkan susunan simetri zarah kristal berbanding paksi optik), semua getaran elektrik berlaku di bawah keadaan yang sama dan semuanya melalui kristal. Oleh itu, pancaran semula jadi yang bergerak sepanjang paksi optik tidak terkutub. Untuk semua arah lain rasuk, polarisasinya berlaku.
Jika plat turmalin kedua 2 diletakkan di belakang plat 1, berorientasikan supaya paksi optiknya berserenjang dengan paksi optik plat, maka rasuk tidak akan melalui plat kedua (kerana getaran elektriknya berserenjang dengan satah utama pinggan 2). Jika paksi optik plat 1 dan 2 membuat sudut yang berbeza daripada maka cahaya (sinar) melalui plat 2. Walau bagaimanapun, seperti berikut daripada Rajah. 341, amplitud getaran cahaya yang melalui plat 2 akan kurang daripada amplitud kejadian getaran cahaya pada plat ini:
Oleh kerana keamatan cahaya adalah berkadar dengan kuasa dua amplitud getaran cahaya, maka
di mana keamatan kejadian cahaya pada plat 2, Y ialah keamatan cahaya yang melalui plat ini. Hubungan (12) dipanggil hukum Malus.
Oleh itu, putaran plat 2 mengelilingi rasuk terpolarisasi disertai dengan perubahan dalam keamatan cahaya yang melalui plat ini; keamatan maksimum berlaku pada tahap minimum (sepadan dengan pemadaman lengkap cahaya) - pada
Plat 7, yang mempolarisasi cahaya semula jadi, dipanggil polarizer, dan plat 2, yang melaluinya intensiti cahaya terkutub berubah (dan dengan itu mengesan fakta polarisasi), dipanggil penganalisis. Adalah jelas bahawa kedua-dua plat adalah betul-betul sama (mereka boleh ditukar); Nama-nama ini hanya mencirikan tujuan rekod.
Perlu diingatkan bahawa turmalin mempunyai penyerapan selektif yang ketara - ia memancarkan terutamanya cahaya hijau; Ini adalah kelemahan turmalin sebagai polarizer (dan penganalisis).
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, apa yang dipanggil polaroid (penapis polarisasi) telah digunakan secara meluas untuk mempolarisasi cahaya. Polaroid ialah filem polimer lutsinar kira-kira tebal yang mengandungi banyak kristal buatan kecil - polarizer, contohnya kristal herapatit (quinine iodide sulfate). Paksi optik semua kristal herapatit berorientasikan arah yang sama semasa proses pembuatan polaroid. Filem polaroid agak murah, sangat fleksibel, mempunyai kawasan yang luas, dan mempunyai penyerapan yang hampir sama (boleh diabaikan) untuk semua panjang gelombang cahaya yang boleh dilihat.
Salah satu aplikasi praktikal Polaroid yang menarik ialah penggunaannya dalam kenderaan untuk melindungi pemandu daripada silau lampu hadapan. Untuk tujuan ini, filem Polaroid dilekatkan pada cermin depan dan cermin mata depan, paksi optiknya selari dan membuat 45° dengan ufuk. Kemudian, seperti yang dapat dilihat dalam Rajah. 342, paksi optik polaroid cermin depan satu kereta akan berserenjang dengan optik
Paksi polaroid lampu depan kereta yang akan datang (orientasi paksi optik ditunjukkan dalam rajah dengan anak panah). Menurut undang-undang Malus, dengan orientasi paksi optik polaroid sedemikian, cahaya lampu terpolarisasi tidak akan melalui cermin depan kereta yang akan datang; akibatnya, pemandu secara praktikal tidak melihat lampu depan kereta yang akan datang (tetapi, sudah tentu, dia akan melihat kereta ini di lampu depan keretanya sendiri).
Hari ini kita akan mendedahkan intipati sifat gelombang cahaya dan fenomena yang berkaitan "darjah polarisasi".
Keupayaan untuk melihat dan cahaya
Sifat cahaya dan kebolehan melihat yang dikaitkan dengannya telah mengujakan minda manusia sejak sekian lama. Orang Yunani purba, cuba menjelaskan penglihatan, menganggap: sama ada mata memancarkan "sinar" tertentu yang "merasakan" objek di sekeliling dan dengan itu memberitahu seseorang penampilan dan bentuk mereka, atau benda itu sendiri memancarkan sesuatu yang orang dapat tangkap dan menilai bagaimana semuanya berfungsi . Teori-teori itu ternyata jauh dari kebenaran: makhluk hidup melihat berkat cahaya yang dipantulkan. Daripada kesedaran tentang fakta ini kepada keupayaan untuk mengira tahap polarisasi yang sama, hanya ada satu langkah lagi - untuk memahami bahawa cahaya adalah gelombang.
Cahaya adalah gelombang
Kajian yang lebih terperinci tentang cahaya mendedahkan bahawa jika tiada gangguan, ia merambat dalam garis lurus dan tidak berpusing ke mana-mana. Jika halangan legap menghalang rasuk, maka bayang-bayang terbentuk, dan orang ramai tidak berminat dengan ke mana cahaya itu pergi. Tetapi sebaik sahaja sinaran bertembung dengan medium lutsinar, perkara yang menakjubkan berlaku: pancaran menukar arah penyebaran dan malap. Pada tahun 1678, H. Huygens mencadangkan bahawa ini boleh dijelaskan oleh satu fakta: cahaya ialah gelombang. Ahli sains membentuk prinsip Huygens, yang kemudiannya ditambah dengan Fresnel. Terima kasih yang hari ini orang tahu bagaimana untuk menentukan tahap polarisasi.
Prinsip Huygens-Fresnel
Menurut prinsip ini, mana-mana titik dalam medium yang telah dicapai oleh hadapan gelombang adalah sumber sekunder sinaran koheren, dan sampul semua bahagian hadapan titik-titik ini bertindak sebagai hadapan gelombang pada masa berikutnya. Oleh itu, jika cahaya merambat tanpa gangguan, pada setiap saat seterusnya hadapan gelombang akan sama seperti pada yang sebelumnya. Tetapi sebaik sahaja rasuk menghadapi halangan, faktor lain mula berkuat kuasa: dalam media yang berbeza, cahaya merambat pada kelajuan yang berbeza. Oleh itu, foton yang berjaya mencapai medium lain terlebih dahulu akan merambat melaluinya lebih cepat daripada foton terakhir dari pancaran. Akibatnya, hadapan gelombang akan condong. Tahap polarisasi tidak ada kaitan dengannya lagi, tetapi ia hanya perlu untuk memahami sepenuhnya fenomena ini.
Masa proses
Perlu dinyatakan secara berasingan bahawa semua perubahan ini berlaku dengan sangat pantas. Kelajuan cahaya dalam vakum ialah tiga ratus ribu kilometer sesaat. Mana-mana medium memperlahankan cahaya, tetapi tidak banyak. Masa yang diambil untuk hadapan gelombang herot apabila bergerak dari satu medium ke medium lain (contohnya, dari udara ke air) adalah sangat singkat. Mata manusia tidak dapat melihat ini, dan beberapa peranti mampu merakam proses pendek sedemikian. Jadi fenomena itu harus difahami secara teori semata-mata. Sekarang, memahami sepenuhnya apa itu sinaran, pembaca ingin memahami bagaimana untuk mencari tahap polarisasi cahaya? Jangan kita tipu jangkaan dia.
Polarisasi cahaya
Kami telah menyebut di atas bahawa dalam media yang berbeza, foton cahaya mempunyai kelajuan yang berbeza. Memandangkan cahaya ialah gelombang elektromagnet melintang (ia bukan pemeluwapan atau jarang berlaku bagi sesuatu medium), ia mempunyai dua ciri utama:
- vektor gelombang;
- amplitud (juga
Ciri pertama menunjukkan ke mana pancaran cahaya diarahkan, dan timbul vektor polarisasi, iaitu, ke arah mana vektor kekuatan medan elektrik diarahkan. Ini memungkinkan untuk berputar di sekeliling vektor gelombang. Cahaya semula jadi, seperti yang dipancarkan oleh Matahari, tidak terpolarisasi. Ayunan diedarkan dalam semua arah dengan kebarangkalian yang sama; tidak ada arah atau angka tertentu di mana hujung vektor gelombang berayun.
Jenis Cahaya Terkutub
Sebelum mempelajari cara mengira formula untuk tahap polarisasi dan membuat pengiraan, adalah wajar memahami jenis cahaya terpolarisasi yang ada.
- Polarisasi elips. Penghujung vektor gelombang cahaya tersebut menggambarkan elips.
- Polarisasi linear. Ini adalah kes khas pilihan pertama. Seperti namanya, gambar adalah satu arah.
- Polarisasi bulat. Dalam cara lain ia juga dipanggil bulat.
Sebarang cahaya semula jadi boleh diwakili sebagai hasil tambah dua unsur terkutub yang saling berserenjang. Perlu diingat bahawa dua gelombang terpolarisasi berserenjang tidak berinteraksi. Gangguan mereka adalah mustahil, kerana dari sudut pandangan interaksi amplitud mereka nampaknya tidak wujud untuk satu sama lain. Apabila mereka bertemu, mereka teruskan tanpa berubah.
Cahaya separa terkutub
Penggunaan kesan polarisasi adalah sangat besar. Dengan memancarkan cahaya semula jadi pada objek dan menerima cahaya terkutub separa, saintis boleh menilai sifat permukaan. Tetapi bagaimana kita boleh menentukan tahap polarisasi cahaya separa terkutub?
Terdapat formula oleh N.A. Umova:
P=(I lorong -I berpasangan)/(I lorong +I berpasangan), di mana I lorong ialah keamatan cahaya dalam arah yang berserenjang dengan satah polarizer atau permukaan reflektif, dan pasangan I adalah selari. Nilai P boleh mengambil nilai daripada 0 (untuk cahaya semula jadi, tanpa sebarang polarisasi) kepada 1 (untuk sinaran terkutub satah).
Bolehkah cahaya semula jadi dikutubkan?
Soalannya pelik sekali pandang. Lagipun, sinaran yang tidak mempunyai arah tertentu biasanya dipanggil semula jadi. Walau bagaimanapun, bagi penduduk permukaan Bumi ini dalam erti kata tertentu adalah anggaran. Matahari menghasilkan aliran gelombang elektromagnet dengan pelbagai panjang. Sinaran ini tidak terpolarisasi. Tetapi melalui lapisan tebal atmosfera, sinaran memperoleh polarisasi sedikit. Jadi tahap polarisasi cahaya semula jadi secara umum bukanlah sifar. Tetapi nilainya sangat kecil sehingga sering diabaikan. Ia diambil kira hanya dalam kes pengiraan astronomi yang tepat, di mana ralat yang sedikit boleh menambah tahun atau jarak bintang pada sistem kami.
Mengapa cahaya terkutub?
Kami sering mengatakan di atas bahawa foton berkelakuan berbeza dalam media yang berbeza. Tetapi mereka tidak menyebut mengapa. Jawapannya bergantung pada jenis persekitaran yang kita bincangkan, dengan kata lain, dalam keadaan pengagregatan itu.
- Medium adalah badan kristal dengan struktur berkala yang ketat. Biasanya struktur bahan sedemikian diwakili sebagai kekisi dengan bola pegun - ion. Tetapi secara umum ini tidak sepenuhnya tepat. Anggaran ini selalunya wajar, tetapi tidak dalam kes interaksi antara sinaran kristal dan elektromagnet. Malah, setiap ion berayun di sekeliling kedudukan keseimbangannya, bukan secara huru-hara, tetapi mengikut keadaan jiran-jirannya, pada jarak berapa mereka berada dan berapa banyak yang ada. Oleh kerana semua getaran ini diprogramkan dengan ketat oleh medium keras, ion ini hanya mampu memancarkan foton yang diserap dengan bentuk yang ditentukan dengan ketat. Fakta ini menimbulkan satu lagi: apakah polarisasi foton yang keluar bergantung pada arah di mana ia memasuki kristal. Ini dipanggil anisotropi sifat.
- Medium adalah cecair. Di sini jawapannya lebih rumit, kerana dua faktor sedang berfungsi - kerumitan molekul dan turun naik (kondensasi-rarefaction) ketumpatan. Dalam diri mereka sendiri, molekul organik panjang yang kompleks mempunyai struktur tertentu. Malah molekul asid sulfurik yang paling ringkas bukanlah bekuan sfera yang huru-hara, tetapi bentuk berbentuk salib yang sangat spesifik. Perkara lain ialah dalam keadaan biasa mereka semua terletak secara huru-hara. Walau bagaimanapun, faktor kedua (turun naik) mampu mewujudkan keadaan di mana sebilangan kecil molekul membentuk sesuatu seperti struktur sementara dalam jumlah yang kecil. Dalam kes ini, sama ada semua molekul akan diarahkan bersama atau akan terletak secara relatif antara satu sama lain pada sudut tertentu. Jika cahaya melalui bahagian cecair sedemikian pada masa ini, ia akan memperoleh polarisasi separa. Ia berikutan bahawa suhu sangat mempengaruhi polarisasi cecair: lebih tinggi suhu, lebih teruk pergolakan, dan lebih banyak kawasan sedemikian akan terbentuk. Kesimpulan terakhir wujud berkat teori organisasi diri.
- Sederhana - gas. Dalam kes gas homogen, polarisasi berlaku disebabkan turun naik. Itulah sebabnya cahaya semula jadi Matahari, melalui atmosfera, memperoleh polarisasi sedikit. Dan itulah sebabnya warna langit adalah biru: saiz purata unsur-unsur yang dipadatkan adalah sedemikian rupa sehingga sinaran elektromagnet warna biru dan ungu bertaburan. Tetapi jika kita berurusan dengan campuran gas, maka pengiraan tahap polarisasi adalah lebih sukar. Masalah ini sering diselesaikan oleh ahli astronomi yang mengkaji cahaya bintang yang melalui awan molekul gas yang padat. Inilah sebabnya mengapa sangat sukar dan menarik untuk mengkaji galaksi dan gugusan yang jauh. Tetapi ahli astronomi mengatasi dan memberikan orang gambar yang menakjubkan tentang ruang dalam.
Cahaya semula jadi ialah sinaran optik dengan arah keamatan magnet elektrik yang berubah-ubah dengan pantas dan rawak. medan, dan semua arah ayunan berserenjang dengan sinar cahaya adalah sama berkemungkinan.
Polarized - cahaya di mana arah ayunan vektor cahaya disusun dalam beberapa cara.
Cahaya separa terpolarisasi - jika, akibat daripada sebarang pengaruh luaran, arah ayunan utama vektor E muncul.
Berpolarisasi satah - jika ayunan vektor E berlaku hanya dalam satu satah.
Keamatan cahaya selepas polarizer ditentukan oleh hukum Malus. I=I 0 *cos 2 α 
I 0 - keamatan sebelum polarizer; I – keamatan selepas polarizer; α ialah sudut antara vektor E dan satah polarisasi.
Biarkan cahaya semula jadi jatuh pada 2 polarizer.
Saya 1 =1/2*Saya makan
I 2 =1/2*I makan *cos 2 α=I 1 *cos 2 α
Darjah polarisasi rasuk Δ=(Imax-Imin)/(Imax*Imin)
22. Polarisasi cahaya semasa pantulan dan pembiasan. Undang-undang Brewster.
Cahaya terkutub boleh dihasilkan menggunakan pantulan atau pembiasan cahaya daripada media isotropik dielektrik. Jika sudut tuju cahaya pada antara muka antara dua dielektrik adalah bukan sifar, sinar pantulan dan pembiasan sebahagiannya terkutub. Tahap polarisasi kedua-dua rasuk bergantung pada sudut tuju rasuk. Bagi setiap pasangan media lutsinar terdapat sudut kejadian di mana cahaya yang dipantulkan menjadi terkutub satah sepenuhnya, dan rasuk terbias kekal terkutub sebahagiannya, tetapi tahap polarisasinya pada sudut ini adalah maksimum. Sudut ini dipanggil sudut Brewster. Sudut Brewster ditentukan daripada keadaan: tgφ Br =n 21 =n 2 /n 1 
23. Cahaya semula jadi dan terkutub. Putaran satah polarisasi.
Satah di mana vektor E berayun dipanggil satah ayunan, dan vektor H dipanggil satah polarisasi.
Jika ayunan vektor E disusun dalam apa jua cara, cahaya dipanggil terkutub. Jika dalam satu satah - satah berpolarisasi.
Jika getaran E dalam satu satah mendominasi yang lain, cahaya terkutub sebahagiannya.
Dalam cahaya semula jadi, vektor E tidak mengalami asimetri berbanding dengan arah perambatan rasuk.
Cahaya terkutub satah diperoleh menggunakan peranti yang dipanggil polarizer.
Keamatan cahaya medan polarizer ditentukan mengikut hukum Malus: I=I o COS 2 α, di mana I o ialah keamatan sebelum polarizer, I selepas, α ialah sudut antara E dan satah polarisasi.
Tahap polarisasi rasuk ialah nilai yang sama dengan: Δ=(I max -I min)/(I max +I min)
Untuk cahaya semula jadi Δ=0, untuk cahaya terkutub satah Δ=1, untuk cahaya terkutub separa 0<Δ<1.
Cahaya terkutub satah diperoleh melalui pantulan daripada antara muka antara dua media jika sudut tuju adalah sama dengan sudut Brewster: tanα br =n 21 =n 2 /n 1
Apabila cahaya melalui bahan aktif optik, vektor E berputar. Fenomena ini dipanggil putaran satah polarisasi.
Sudut putaran satah polarisasi untuk hablur dan cecair tulen: ϕ=αd; untuk penyelesaian: ϕ=[α]cd, dengan d ialah jarak yang dilalui oleh cahaya dalam bahan aktif optik, a ([a]) ialah apa yang dipanggil putaran spesifik, secara berangka sama dengan sudut putaran satah polarisasi cahaya oleh lapisan bahan optik aktif dengan ketebalan unit (unit kepekatan - untuk larutan), C - kepekatan jisim bahan aktif optik dalam larutan, kg/m3. Putaran tertentu bergantung pada sifat bahan, suhu dan panjang gelombang cahaya dalam vakum.
Fenomena putaran satah polarisasi boleh dijelaskan menggunakan dua andaian Fresnel:
Sebarang gelombang terkutub satah boleh diwakili sebagai 2 gelombang terkutub dalam bulatan dengan putaran kanan dan kiri
Kelajuan putaran dalam bahan aktif optik adalah berbeza.