Så langt har vi snakket om medier hvis brytningsindeks er forskjellig for forskjellige retninger av polarisering av den innfallende lysstrålen. Andre medier er også av stor betydning for praktiske anvendelser, der, avhengig av lysets polarisering, ikke bare brytningsindeksen, men også absorpsjonskoeffisienten endres. Som i tilfellet med dobbeltbryting, er det lett å forstå at absorpsjon kan avhenge av retningen til tvungne vibrasjoner av ladninger bare i anisotrope medier. Det første, gamle, allerede kjente eksemplet er turmalin, og det andre er polaroid. Polaroid består av et tynt lag med små krystaller av herapatitt (et salt av jod og kinin), på linje med deres akser parallelt med hverandre. Disse krystallene absorberer lys når vibrasjoner oppstår i én retning, og nesten ikke noe lys når vibrasjoner oppstår i en annen retning.
La oss rette en lysstråle polarisert i en vinkel mot sin akse mot polaroid. Hvilken intensitet vil strålen som passerer gjennom polaroiden ha? La oss dekomponere lysstrålen vår i to komponenter: en med en polarisering vinkelrett på den som passerer uten demping (den er proporsjonal), og den andre - en langsgående komponent, proporsjonal med . Bare en del proporsjonal med ; en komponent proporsjonal med , vil bli absorbert. Amplituden til lyset som sendes gjennom Polaroid er mindre enn amplituden til det innfallende lyset og oppnås fra det ved å multiplisere med . Lysintensiteten er proporsjonal med kvadratet. Således, hvis det innfallende lyset er polarisert i en vinkel til polaroidens akse, er andelen av intensiteten som sendes av polarisatoren en del av totalen. Brøkdelen av intensiteten som absorberes i en Polaroid er selvfølgelig .
Et interessant paradoks oppstår i det følgende eksperimentet. Det er kjent at to polaroider med akser plassert vinkelrett på hverandre ikke sender lys. Men hvis en tredje plasseres mellom slike polaroider, hvis akse er rettet i en vinkel mot aksene til de to andre, vil en del av lyset passere gjennom systemet vårt. Som vi vet absorberer Polaroid bare lys, den kan ikke skape lys. Men ved å plassere den tredje polaroid i en vinkel, øker vi mengden lys som sendes ut. Du kan analysere dette fenomenet selv som en øvelse.
Et av de mest interessante polarisasjonsfenomenene, som ikke forekommer i komplekse krystaller og alle slags spesielle materialer, men i et enkelt og veldig kjent tilfelle, er refleksjon fra en overflate. Det virker utrolig, men når det reflekteres fra glass, kan lys bli polarisert, og det er veldig enkelt å fysisk forklare dette faktum. Brewster viste eksperimentelt at lys som reflekteres fra en overflate er fullstendig polarisert hvis de reflekterte og brutte strålene danner en rett vinkel. Denne saken er vist i fig. 33.4.
Figur 33.4. Refleksjon av lineært polarisert lys ved Brewster-vinkelen.
Polarisasjonsretningen er gitt av stiplede piler: runde prikker representerer polarisering vinkelrett på sidens plan.
Hvis den innfallende strålen er polarisert i innfallsplanet, vil det ikke være noen reflektert stråle i det hele tatt. En reflektert stråle oppstår bare hvis den innfallende stråle er polarisert vinkelrett på innfallsplanet. Årsaken til dette fenomenet er lett å forstå. I et reflekterende medium er lys polarisert vinkelrett på strålens bevegelsesretning, og vi vet at det er bevegelsen av ladninger i det reflekterende mediet som genererer strålen som kommer fra den, som kalles reflektert. Utseendet til denne såkalte reflekterte strålen skyldes ikke bare det faktum at den innfallende strålen reflekteres; vi vet nå at en innfallende stråle eksiterer bevegelsen av ladninger i mediet, og dette genererer igjen en reflektert stråle.
Fra fig. 33.4 er det klart at bare vibrasjoner vinkelrett på sidens plan produserer stråling i retning av den reflekterte strålen, og derfor er den reflekterte strålen polarisert vinkelrett på innfallsplanet. Hvis den innfallende strålen er polarisert i innfallsplanet, vil det ikke være noen reflektert stråle i det hele tatt.
Dette fenomenet kan enkelt demonstreres ved å reflektere en lineært polarisert stråle fra en flat glassplate. Ved å rotere platen i forskjellige vinkler i forhold til retningen til den innfallende polariserte strålen, kan man merke en kraftig reduksjon i intensitet i en vinkel lik Brewster-vinkelen. Dette fallet i intensitet observeres bare når polarisasjonsplanet faller sammen med innfallsplanet. Hvis polariseringsplanet er vinkelrett på avfyringsplanet, observeres ingen merkbar reduksjon i intensiteten til det reflekterte lyset.
Det er to typer bølger. I langsgående oscillerende forstyrrelser er parallelle med retningen av deres forplantning. Et eksempel er passasje av lyd gjennom luft. Tverrbølger består av forstyrrelser som er i en vinkel på 90° i forhold til kjøreretningen. For eksempel forårsaker en bølge som passerer horisontalt gjennom en vannmasse vertikale vibrasjoner på overflaten.
Oppdagelse av fenomenet
En rekke forvirrende optiske effekter observert på midten av 1600-tallet ble forklart da polarisert og naturlig lys begynte å bli sett på som et bølgefenomen og retningene til dets vibrasjoner ble oppdaget. Den første såkalte polarisasjonseffekten ble oppdaget av den danske legen Erasmus Bartholin i 1669. Forskeren observerte dobbel brytning, eller dobbeltbrytning, i islandspar, eller kalsitt (en krystallinsk form av kalsiumkarbonat). Når lys passerer gjennom kalsitten, deler krystallen den, og produserer to bilder forskjøvet fra hverandre.
Newton var klar over dette fenomenet og antydet at kanskje lyslegemene hadde en asymmetri eller "ensidighet" som kunne føre til at to bilder dannes. Huygens, en samtidig av Newton, var i stand til å forklare dobbel brytning med sin teori om elementære bølger, men han forsto ikke den sanne betydningen av effekten. Dobbeltbrytning forble et mysterium inntil den franske fysikeren Augustin-Jean Fresnel foreslo at lysbølger er tverrgående. Den enkle ideen gjorde det mulig å forklare hva polarisert og naturlig er og ga et naturlig og ukomplisert grunnlag for analysen av polarisasjonseffekter.
Dobbeltbrytning er forårsaket av kombinasjonen av to perpendikulære polarisasjoner, hver med sin egen bølgehastighet. På grunn av forskjellen i hastighet har de to komponentene forskjellige brytningsindekser, og derfor brytes de forskjellig gjennom materialet, og produserer to bilder.
Polarisert og naturlig lys: Maxwells teori
Fresnel utviklet raskt en kompleks modell av tverrbølger, som førte til dobbeltbrytning og en rekke andre optiske effekter. Førti år senere forklarte elektromagnetisk vitenskap elegant lysets tverrgående natur.
Maxwells elektromagnetiske bølger er sammensatt av magnetiske og elektriske felt som svinger vinkelrett på bevegelsesretningen. Feltene er i en vinkel på 90° i forhold til hverandre. I dette tilfellet danner forplantningsretningene til de magnetiske og elektriske feltene et høyrehendt koordinatsystem. For en bølge med frekvens f og lengde λ (de er relatert av avhengigheten λf = c), som beveger seg i den positive x-retningen, er feltene beskrevet matematisk:
- 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^.
Ligningene viser at det elektriske og magnetiske felt er i fase med hverandre. På et hvilket som helst tidspunkt når de samtidig sine maksimale verdier i rommet, lik E 0 og B 0. Disse amplitudene er ikke uavhengige. Maxwells ligninger viser at E 0 = cB 0 for alle elektromagnetiske bølger i vakuum.
Polariseringsretninger
Når man beskriver orienteringen til magnetiske og elektriske felt, indikerer lysbølger vanligvis bare retningen til det elektriske feltet. Magnetfeltvektoren bestemmes av kravet om at feltene er vinkelrett og vinkelrett på bevegelsesretningen. Naturlig og lineært polarisert lys skiller seg ved at i sistnevnte svinger feltene i faste retninger når bølgen beveger seg.
Andre polarisasjonstilstander er også mulige. Når det gjelder en sirkulær vektor, roterer de magnetiske og elektriske feltene i forhold til forplantningsretningen med en konstant amplitude. Elliptisk polarisert lys er mellomliggende mellom lineær og sirkulær polarisering.
Upolarisert lys
Atomene på overflaten av et oppvarmet glødetråd som genererer elektromagnetisk stråling, virker uavhengig av hverandre. Hvert utslipp kan grovt modelleres som korte tog som varer fra 10 -9 til 10 -8 sekunder. Den elektromagnetiske bølgen som kommer fra en glødetråd er en superposisjon av disse togene, som hver har sin egen polarisasjonsretning. Summen av tilfeldig orienterte tog danner en bølge, hvis polarisasjonsvektor endres raskt og tilfeldig. En slik bølge kalles upolarisert. Alt inkludert solen, glødelamper, lysrør og flammer produserer slik stråling. Imidlertid er naturlig lys ofte delvis polarisert på grunn av multippel spredning og refleksjon.
Dermed er forskjellen mellom polarisert lys og naturlig lys at i det første skjer vibrasjonene i ett plan.
Kilder til polarisert stråling
Polarisert lys kan produseres i tilfeller der den romlige orienteringen bestemmes. Et eksempel er hvor høyenergiladede partikler beveger seg i et magnetfelt og sender ut polariserte elektromagnetiske bølger. Det er mange kjente astronomiske kilder som sender ut naturlig polarisert lys. Disse inkluderer tåker, supernova-rester og aktive galaktiske kjerner. Polariseringen av kosmisk stråling studeres for å bestemme egenskapene til kildene.
Polaroid filter
Polarisert og naturlig lys skilles når de passerer gjennom en rekke materialer, hvorav den vanligste er Polaroid, laget av den amerikanske fysikeren Edwin Land. Filteret består av lange kjeder av hydrokarbonmolekyler orientert i én retning gjennom en varmebehandlingsprosess. Molekyler absorberer selektivt stråling hvis elektriske felt er parallelt med deres orientering. Lyset som kommer ut av polaroid er lineært polarisert. Dets elektriske felt er vinkelrett på retningen av molekylær orientering. Polaroid har funnet bruk i mange bruksområder, inkludert solbriller og filtre som reduserer effekten av reflektert og spredt lys.
Naturlig og polarisert lys: Malus lov
I 1808 oppdaget fysiker Etienne-Louis Malus at lys som reflekteres fra ikke-metalliske overflater er delvis polarisert. Omfanget av denne effekten avhenger av innfallsvinkelen og brytningsindeksen til det reflekterende materialet. I et ekstremt tilfelle, når tangenten til strålens innfallsvinkel i luft er lik brytningsindeksen til det reflekterende materialet, blir det reflekterte lyset fullstendig lineært polarisert. Dette fenomenet er kjent som Brewsters lov (oppkalt etter oppdageren, den skotske fysikeren David Brewster). Polarisasjonsretningen er parallell med den reflekterende overflaten. Siden blending på dagtid vanligvis oppstår når det reflekteres fra horisontale overflater som veier og vann, bruker solbriller ofte filtre for å fjerne horisontalt polarisert lys og derfor selektivt fjerne lysrefleksjoner.
Rayleigh-spredning
Spredningen av lys av svært små objekter, hvis dimensjoner er mye mindre enn bølgelengden (den såkalte Rayleigh-spredningen etter den engelske vitenskapsmannen Lord Rayleigh), skaper også delvis polarisering. Når solstråling passerer gjennom jordens atmosfære, blir den spredt av luftmolekyler. Spredt polarisert og naturlig lys når jorden. Graden av polarisasjonen avhenger av spredningsvinkelen. Siden mennesker ikke skiller mellom naturlig og polarisert lys, går denne effekten vanligvis ubemerket hen. Imidlertid reagerer øynene til mange insekter på det, og de bruker den relative polarisasjonen av den spredte strålingen som et navigasjonsverktøy. Et vanlig kamerafilter som brukes til å redusere bakgrunnsstråling i sterkt sollys er en enkel lineær polarisator som skiller naturlig og Rayleigh-polarisert lys.
Anisotropiske materialer
Polarisasjonseffekter observeres i optisk anisotrope materialer (hvor polarisasjonen endres med retningen), slik som dobbeltbrytende krystaller, noen biologiske strukturer og optisk aktive materialer. Teknologiske anvendelser inkluderer polariserende mikroskoper, flytende krystallskjermer og optiske instrumenter som brukes til materialforskning.
Lys som sendes ut av et individuelt atom er en elektromagnetisk bølge, dvs. en kombinasjon av to tverrgående gjensidig vinkelrette bølger - elektriske (dannet av en oscillasjon av den elektriske feltstyrkevektoren og magnetisk (dannet av en oscillasjon av den magnetiske feltstyrkevektoren som løper langs en felles rett linje kalt lysstråle (fig. 337) ).
En stråle (lys) der elektriske svingninger oppstår hele tiden i ett og bare ett plan kalles en polarisert stråle (lys); Selvfølgelig, i dette tilfellet, forekommer magnetiske oscillasjoner i et annet (vinkelrett) plan (kalt lysets polariseringsplan). Fra denne definisjonen følger det at lyset som sendes ut av et individuelt atom er polarisert (i det minste under hele strålingsperioden for dette atomet).
Erfaring og teori viser at kjemiske, fysiologiske og andre typer effekter av lys på materie hovedsakelig forårsakes av elektriske vibrasjoner. Derfor, og også for å forenkle tegningene som viser en lysbølge (eller stråle), vil vi heretter bare snakke om elektriske svingninger, og planet de oppstår i vil bli kalt lyssvingningsplanet, eller ganske enkelt svingningsplanet. Deretter kan strålen av polarisert lys skjematisk avbildes som i fig. 338, a (strålen er vinkelrett på tegningens plan; vektorene tilsvarer amplitudeverdiene til den elektriske feltstyrken
I praksis møter vi aldri lys fra ett enkelt atom, siden enhver reell lyskilde (lysende legeme) består av mange atomer som sender ut tilfeldig, det vil si lysbølger med alle mulige orienteringer av vibrasjonsplanet. Disse bølgene overlapper hverandre, som et resultat av at enhver stråle som kommer fra en ekte (naturlig) lyskilde vil tilsvare mange forskjellig orienterte svingningsplan (fig. 338, b). En slik stråle (lys) er upolarisert og kalles en naturlig stråle (lys).
Vanligvis er intensiteten av stråling fra hvert av atomene som utgjør et lysende legeme, i gjennomsnitt den samme; derfor har naturlig lys samme amplitude (maksimal) vektorverdier i alle vibrasjonsplaner. Det er imidlertid tilfeller der amplitudeverdiene til vektoren til en lysstråle ikke er de samme for forskjellige svingningsplaner; en slik stråle kalles delvis polarisert. I fig. 338, c viser en delvis polarisert stråle, hvor svingningene skjer hovedsakelig i vertikalplanet.
I motsetning til naturlig lys karakteriseres polarisert lys ikke bare av intensitet (avhengig av amplituden til feltstyrken og fargen (avhengig av bølgelengden X), men også av posisjonen
svingningsplan. Derfor er for eksempel polariserte stråler 1, 2 og 3 (fig. 339), hvis intensitet og farge er den samme, ikke identiske med hverandre. Det menneskelige øyet oppdager imidlertid ikke forskjellen mellom polariserte stråler som har forskjellige orienteringer av vibrasjonsplanet, og skiller generelt ikke polarisert lys fra naturlig lys.
Naturlig lys kan polariseres, det vil si at det kan gjøres om til polarisert lys. For å gjøre dette er det nødvendig å skape forhold der svingninger av den elektriske feltstyrkevektoren bare kan oppstå langs en bestemt retning. Slike forhold kan for eksempel oppstå når naturlig lys passerer gjennom et medium som er anisotropt med hensyn til elektriske vibrasjoner. Som kjent er anisotropi karakteristisk for krystaller (se § 51). Derfor kan vi forvente polarisering av lyset som passerer gjennom krystallen. Faktisk viser erfaring at mange naturlige og kunstig skapte krystaller polariserer naturlig lys som passerer gjennom dem.
I de mest generelle termer er den fysiske essensen av prosessen med polarisering av lys som passerer gjennom en krystall som følger. I følge Maxwells elektromagnetiske teori (se § 105) forårsaker det vekslende elektriske feltet til en lysbølge en vekselpolarisasjonsstrøm i et krystallinsk dielektrikum, det vil si en vekslende forskyvning av ladede partikler (atomer, ioner) som utgjør krystallgitteret. Polarisasjonsstrømmen genererer Joule-varme; Følgelig skjer omdannelsen av lysenergi til varme i krystallen.
På grunn av krystallens anisotropi, viser den mulige forskyvningen av partiklene, og derfor styrken til polarisasjonsstrømmen, seg å være forskjellig for forskjellige plan av krystallgitteret. Det er åpenbart at en lysbølge som beveger seg i et plan som tilsvarer betydelige mulige forskyvninger av partikler forårsaker en sterk polarisasjonsstrøm og blir derfor nesten fullstendig absorbert av krystallen. Hvis lysbølgen beveger seg i et plan som tilsvarer små partikkelforskyvninger, forårsaker den en svak polarisasjonsstrøm og passerer gjennom krystallen uten betydelig absorpsjon.
Således, av de elektriske vibrasjonene av naturlig lys, som har alle mulige retninger, passerer bare de som oppstår i planet som tilsvarer minimum av polarisasjonsstrømmen gjennom krystallen (uten absorpsjon); de gjenværende vibrasjonene blir svekket til en eller annen grad, siden bare deres projeksjoner på dette planet passerer gjennom krystallen. Som et resultat gjennomgår lys som passerer gjennom krystallen elektriske svingninger bare i ett spesifikt plan, det vil si at lyset viser seg å være polarisert.
Naturlige krystaller som polariserer lys inkluderer for eksempel turmalin. En naturlig stråle som går gjennom en turmalinplate skåret parallelt med den optiske aksen til krystallen er fullstendig polarisert og har elektriske vibrasjoner kun i hovedplanet i planet som inneholder den optiske aksen og strålen (fig. 340).
I hver krystall er det en retning i forhold til hvilken atomene (eller ionene) i krystallgitteret er plassert symmetrisk; det kalles krystallens optiske akse. La oss understreke at den optiske aksen ikke bare er en linje, men en bestemt retning i krystallen; alle rette linjer trukket parallelt med denne retningen i krystallen er optiske akser.
Hvis en naturlig stråle går langs den optiske aksen, er alle dens elektriske vibrasjoner vinkelrett på den. I dette tilfellet (på grunn av det symmetriske arrangementet av krystallpartiklene i forhold til den optiske aksen), oppstår alle elektriske vibrasjoner under de samme forholdene og de passerer alle gjennom krystallen. Derfor er den naturlige strålen som beveger seg langs den optiske aksen ikke polarisert. For alle andre retninger av strålen oppstår polariseringen.
Hvis en andre turmalinplate 2 plasseres bak plate 1, orientert slik at dens optiske akse er vinkelrett på platens optiske akse, vil strålen ikke passere gjennom den andre platen (siden dens elektriske vibrasjoner er vinkelrett på hovedplanet til plate 2). Hvis de optiske aksene til platene 1 og 2 danner en vinkel som er forskjellig fra da passerer lyset (strålen) gjennom plate 2. Men som følger av fig. 341, vil amplituden til lysvibrasjoner som passerer gjennom plate 2 være mindre enn amplituden til lysvibrasjoner som faller inn på denne platen:
Siden intensiteten av lys er proporsjonal med kvadratet av amplituden til lysvibrasjoner, da
der intensiteten av lys som faller inn på plate 2, Y er intensiteten av lys som passerer gjennom denne platen. Relasjon (12) kalles Malus lov.
Rotasjonen av platen 2 rundt den polariserte strålen er således ledsaget av en endring i intensiteten til lyset som passerer gjennom denne platen; maksimal intensitet oppstår ved minimum (tilsvarer fullstendig slukking av lys) - kl
Plate 7, som polariserer naturlig lys, kalles en polarisator, og plate 2, gjennom hvilken intensiteten av polarisert lys endres (og derved oppdager polarisasjonen), kalles en analysator. Det er tydelig at begge platene er helt like (de kan byttes); Disse navnene karakteriserer kun formålet med postene.
Det skal bemerkes at turmalin har betydelig selektiv absorpsjon - det overfører hovedsakelig grønt lys; Dette er en ulempe med turmalin som polarisator (og analysator).
De siste årene har såkalte polaroider (polarisasjonsfiltre) blitt mye brukt for å polarisere lys. Polaroid er en gjennomsiktig polymerfilm omtrent tykk som inneholder mange små kunstige krystaller - polarisatorer, for eksempel krystaller av herapatitt (kininjodidsulfat). De optiske aksene til alle herapatittkrystaller er orientert i samme retning under produksjonsprosessen til polaroid. Polaroidfilm er relativt billig, veldig fleksibel, har et stort område og har nesten samme (ubetydelig) absorpsjon for alle bølgelengder av synlig lys.
En av de interessante praktiske bruksområdene til Polaroid er bruken i kjøretøy for å beskytte sjåfører mot gjenskinn fra møtende frontlykter. For dette formålet limes Polaroid-filmer til frontruten og frontlysglassene, hvis optiske akser er parallelle og er 45° med horisonten. Så, som det kan sees på fig. 342, vil den optiske aksen til frontrutens polaroid på en bil være vinkelrett på den optiske
Polaroid-akser til frontlyktene til en møtende bil (orienteringen av de optiske aksene er vist i figuren med piler). I henhold til Malus lov, med en slik orientering av de optiske aksene til polaroid, vil ikke polarisert frontlys passere gjennom frontruten til en møtende bil; følgelig ser sjåføren praktisk talt ikke frontlysene til møtende biler (men, selvfølgelig, vil han se disse bilene i frontlysene på sin egen bil).
I dag vil vi avsløre essensen av lysets bølgenatur og det relaterte fenomenet "grad av polarisering".
Evne til å se og lyse
Lysets natur og evnen til å se forbundet med det har begeistret menneskelige sinn i lang tid. De gamle grekerne, som prøvde å forklare syn, antok: enten sender øyet ut visse "stråler" som "føler" omgivende gjenstander og derved forteller en person deres utseende og form, eller tingene i seg selv sender ut noe som folk fanger og bedømmer hvordan alt fungerer . Teoriene viste seg å være langt fra sannheten: levende vesener ser takket være reflektert lys. Fra bevissthet om dette faktum til evnen til å beregne hva graden av polarisering er lik, var det bare ett skritt igjen - å forstå at lys er en bølge.
Lys er en bølge
En mer detaljert studie av lyset avslørte at i fravær av interferens forplanter det seg i en rett linje og snur seg ikke noe sted. Hvis en ugjennomsiktig hindring kommer i veien for strålen, dannes det skygger, og folk var ikke interessert i hvor selve lyset gikk. Men så snart strålingen kolliderte med et gjennomsiktig medium, skjedde det fantastiske ting: strålen endret forplantningsretningen og dimmet. I 1678 foreslo H. Huygens at dette kunne forklares med et enkelt faktum: lys er en bølge. Forskeren dannet Huygens prinsipp, som senere ble supplert med Fresnel. Takket være det i dag vet folk hvordan man bestemmer graden av polarisering.
Huygens-Fresnel-prinsippet
I følge dette prinsippet er ethvert punkt i mediet som bølgefronten har nådd en sekundær kilde til koherent stråling, og omhyllingen til alle frontene til disse punktene fungerer som bølgefronten i neste øyeblikk. Således, hvis lys forplanter seg uten forstyrrelser, vil bølgefronten i hvert neste øyeblikk være den samme som ved den forrige. Men så snart strålen møter en hindring, trer en annen faktor i kraft: i forskjellige medier forplanter lys seg med forskjellige hastigheter. Dermed vil fotonet som klarte å nå et annet medium først forplante seg gjennom det raskere enn det siste fotonet fra strålen. Følgelig vil bølgefronten vippe. Graden av polarisering har ingenting med det å gjøre ennå, men det er rett og slett nødvendig å forstå dette fenomenet fullt ut.
Prosess tid
Det er verdt å si separat at alle disse endringene skjer utrolig raskt. Lysets hastighet i et vakuum er tre hundre tusen kilometer per sekund. Ethvert medium bremser lyset, men ikke mye. Tiden det tar før en bølgefront forvrenges når den beveger seg fra ett medium til et annet (for eksempel fra luft til vann) er ekstremt kort. Det menneskelige øyet kan ikke merke dette, og få enheter er i stand til å registrere så korte prosesser. Så fenomenet bør forstås rent teoretisk. Når leseren nå fullt ut forstår hva stråling er, vil leseren ønske å forstå hvordan man finner graden av polarisering av lys? La oss ikke lure forventningene hans.
Polarisering av lys
Vi har allerede nevnt ovenfor at i forskjellige medier har lysfotoner forskjellige hastigheter. Siden lys er en tverrgående elektromagnetisk bølge (det er ikke en kondensering eller sjeldnere av et medium), har det to hovedkarakteristikker:
- bølge vektor;
- amplitude (også
Den første karakteristikken indikerer hvor lysstrålen er rettet, og en polarisasjonsvektor oppstår, det vil si i hvilken retning den elektriske feltstyrkevektoren er rettet. Dette gjør det mulig å rotere rundt bølgevektoren. Naturlig lys, slik som det som sendes ut av solen, er ikke polarisert. Oscillasjoner er fordelt i alle retninger med lik sannsynlighet det er ingen spesiell retning eller figur som enden av bølgevektoren svinger.
Typer polarisert lys
Før du lærer å beregne formelen for graden av polarisering og gjøre beregninger, er det verdt å forstå hvilke typer polarisert lys som finnes.
- Elliptisk polarisering. Enden av bølgevektoren til slikt lys beskriver en ellipse.
- Lineær polarisering. Dette er et spesielt tilfelle av det første alternativet. Som navnet tilsier, er bildet én retning.
- Sirkulær polarisering. På en annen måte kalles den også sirkulær.
Ethvert naturlig lys kan representeres som summen av to gjensidig vinkelrett polariserte elementer. Det er verdt å huske at to vinkelrett polariserte bølger ikke samhandler. Deres interferens er umulig, siden fra synspunktet om samspillet mellom amplituder ser de ikke ut til å eksistere for hverandre. Når de møtes, går de rett og slett videre uten å endre seg.
Delvis polarisert lys
Anvendelsen av polarisasjonseffekten er enorm. Ved å skinne naturlig lys på et objekt og motta delvis polarisert lys, kan forskerne bedømme egenskapene til overflaten. Men hvordan kan vi bestemme graden av polarisering av delvis polarisert lys?
Det er en formel av N.A. Umova:
P=(I-bane -I-par)/(I-bane +I-par), hvor I-bane er lysintensiteten i retningen vinkelrett på planet til polarisatoren eller den reflekterende overflaten, og I-paret er parallell. Verdien av P kan ta verdier fra 0 (for naturlig lys, uten polarisering) til 1 (for plan polarisert stråling).
Kan naturlig lys polariseres?
Spørsmålet er rart ved første øyekast. Tross alt kalles stråling der det ikke er noen spesifikke retninger vanligvis naturlig. Men for innbyggerne på jordens overflate er dette på en eller annen måte en tilnærming. Solen produserer en strøm av elektromagnetiske bølger av forskjellige lengder. Denne strålingen er ikke polarisert. Men når den passerer gjennom et tykt lag av atmosfæren, får strålingen en liten polarisering. Så graden av polarisering av naturlig lys generelt er ikke null. Men verdien er så liten at den ofte blir neglisjert. Det tas kun i betraktning i tilfelle av presise astronomiske beregninger, der den minste feilen kan legge til år eller avstand til stjernen til systemet vårt.
Hvorfor er lys polarisert?
Vi sa ofte ovenfor at fotoner oppfører seg annerledes i forskjellige medier. Men de nevnte ikke hvorfor. Svaret avhenger av hva slags miljø vi snakker om, med andre ord i hvilken aggregeringstilstand det er.
- Mediet er et krystallinsk legeme med en strengt periodisk struktur. Vanligvis er strukturen til et slikt stoff representert som et gitter med stasjonære kuler - ioner. Men generelt er ikke dette helt nøyaktig. Denne tilnærmingen er ofte berettiget, men ikke når det gjelder interaksjon mellom en krystall og elektromagnetisk stråling. Faktisk svinger hvert ion rundt sin likevektsposisjon, ikke kaotisk, men i samsvar med hva naboene er, på hvilke avstander de er og hvor mange det er. Siden alle disse vibrasjonene er strengt programmert av det harde mediet, er dette ionet bare i stand til å sende ut et absorbert foton med en strengt definert form. Dette faktum gir opphav til et annet: hva polarisasjonen til det utgående fotonet vil være, avhenger av retningen det kom inn i krystallen. Dette kalles egenskapsanisotropi.
- Mediet er flytende. Her er svaret mer komplisert, siden to faktorer spiller inn - kompleksiteten til molekyler og fluktuasjoner (kondensasjon-sjeldnere) av tetthet. I seg selv har komplekse lange organiske molekyler en spesifikk struktur. Selv de enkleste molekylene av svovelsyre er ikke en kaotisk sfærisk koagel, men en veldig spesifikk korsformet form. En annen ting er at under normale forhold er de alle plassert kaotisk. Imidlertid er den andre faktoren (fluktuasjon) i stand til å skape forhold der et lite antall molekyler danner noe som en midlertidig struktur i et lite volum. I dette tilfellet vil enten alle molekylene være co-rettet eller vil være lokalisert i forhold til hverandre i visse vinkler. Hvis lys passerer gjennom en slik del av væsken på dette tidspunktet, vil det få delvis polarisering. Det følger at temperaturen i stor grad påvirker polarisasjonen av en væske: jo høyere temperatur, desto mer alvorlig blir turbulensen, og jo flere slike områder vil dannes. Den siste konklusjonen eksisterer takket være teorien om selvorganisering.
- Medium - gass. Når det gjelder en homogen gass, oppstår polarisering på grunn av fluktuasjoner. Det er grunnen til at solens naturlige lys, som passerer gjennom atmosfæren, får en liten polarisering. Og det er grunnen til at fargen på himmelen er blå: den gjennomsnittlige størrelsen på de komprimerte elementene er slik at elektromagnetisk stråling av blå og fiolette farger er spredt. Men hvis vi har å gjøre med en blanding av gasser, er det mye vanskeligere å beregne graden av polarisering. Disse problemene løses ofte av astronomer som studerer lyset til en stjerne som passerer gjennom en tett molekylær gassky. Dette er grunnen til at det er så vanskelig og interessant å studere fjerne galakser og klynger. Men astronomer takler og gir mennesker fantastiske fotografier av verdensrommet.
Naturlig lys er optisk stråling med raskt og tilfeldig skiftende retninger av elektrisk magnetisk intensitet. felt, og alle retninger av oscillasjoner vinkelrett på lysstrålene er like sannsynlige.
Polarisert - lys der retningene til oscillasjonene til lysvektoren er ordnet på en eller annen måte.
Delvis polarisert lys - hvis, som et resultat av ytre påvirkninger, vises en dominerende retning av oscillasjoner av vektor E.
Planpolarisert - hvis oscillasjonene til vektor E bare forekommer i ett plan.
Lysintensiteten etter polarisatoren bestemmes av Malus sin lov. I=I 0 *cos 2 α 
I 0 - intensitet før polarisatoren; I – intensitet etter polarisatoren; α er vinkelen mellom vektor E og polarisasjonsplanet.
La naturlig lys falle på 2 polarisatorer.
I 1 =1/2*Jeg spiser
I 2 =1/2*Jeg spiser *cos 2 α=I 1 *cos 2 α
Strålepolarisasjonsgrad Δ=(Imax-Imin)/(Imax*Imin)
22. Polarisering av lys under refleksjon og brytning. Brewsters lov.
Polarisert lys kan produseres ved å bruke refleksjon eller brytning av lys fra dielektriske isotropiske medier. Hvis innfallsvinkelen for lys ved grensesnittet mellom to dielektrikumer ikke er null, blir de reflekterte og brutte strålene delvis polarisert. Graden av polarisering av begge strålene avhenger av innfallsvinkelen til strålen. For hvert par transparente medier er det en innfallsvinkel der det reflekterte lyset blir fullstendig planpolarisert, og den brutte strålen forblir delvis polarisert, men graden av polarisering ved denne vinkelen er maksimal. Denne vinkelen kalles Brewsters vinkel. Brewster-vinkelen bestemmes ut fra betingelsen: tgφ Br =n 21 =n 2 /n 1 
23. Naturlig og polarisert lys. Rotasjon av polariseringsplanet.
Planet der vektor E svinger kalles svingningsplanet, og vektor H kalles polarisasjonsplanet.
Hvis svingningene til vektoren E er ordnet på noen måte, kalles lyset polarisert. Hvis i ett plan - planpolarisert.
Hvis vibrasjoner av E i ett plan dominerer over andre, er lyset delvis polarisert.
I naturlig lys opplever ikke vektor E asymmetri i forhold til stråleutbredelsesretningen.
Planpolarisert lys oppnås ved hjelp av enheter som kalles polarisatorer.
Lysintensiteten til feltet til polarisatorer bestemmes i henhold til Malus sin lov: I=I o COS 2 α, hvor I o er intensiteten før polarisatoren, I er etter, α er vinkelen mellom E og polarisasjonsplanet.
Graden av strålepolarisering er en verdi lik: Δ=(I max -I min)/(I max +I min)
For naturlig lys Δ=0, for planpolarisert lys Δ=1, for delvis polarisert lys 0<Δ<1.
Planpolarisert lys oppnås ved refleksjon fra grensesnittet mellom to medier hvis innfallsvinkelen er lik Brewster-vinkelen: tanα br =n 21 =n 2 /n 1
Når lys passerer gjennom et optisk aktivt stoff, roterer vektor E. Dette fenomenet kalles rotasjon av polariseringsplanet.
Rotasjonsvinkel for polarisasjonsplanet for krystaller og rene væsker: ϕ=αd; for løsninger: ϕ=[α]cd, der d er avstanden tilbakelagt av lys i et optisk aktivt stoff, a ([a]) er den såkalte spesifikke rotasjonen, numerisk lik rotasjonsvinkelen til polariseringsplanet av lys ved et lag av et optisk aktivt stoff med enhetstykkelse (enhetskonsentrasjon - for løsninger), C - massekonsentrasjon av optisk aktivt stoff i løsning, kg/m3. Spesifikk rotasjon avhenger av stoffets natur, temperatur og bølgelengde til lys i et vakuum.
Fenomenet med rotasjon av polarisasjonsplanet kan forklares ved å bruke to Fresnel-antakelser:
Enhver planpolarisert bølge kan representeres som 2 bølger polarisert i en sirkel med høyre og venstre rotasjon
Rotasjonshastighetene i et optisk aktivt stoff er forskjellige.