Polarizované a přirozené světlo: koncept, rozdíly, zákony

Dnes budeme mluvit o polarizovaném a přirozeném světle. Jaké jsou jejich rozdíly a jak se vytváří polarizace při procházení látkou?

Světlo je vlna

Než začneme složitější koncepty, musíme nejprve vysvětlit, jaké světlo je.

Po dlouhou dobu experimenty s odrazem a lomem přesvědčily vědce: světlo má povahu vlny, to je oscilace nějaké oblasti. Například Huygens odvodil, a Fresnel doplnil princip. Podle posledního z nich se každý bod média, na který vlnová fronta dosáhla, stane druhotným zdrojem světla. Ale polarizované a přirozené světlo se liší, a to nejen proto, že jsou vlny. Newton věřil: paprsky jsou složeny z některých nejmenších částic - korpuskul. Předpokládal tedy kvantovou teorii nejmenších prvků našeho světa, mezi něž patří fotony.

Dualismus korpuskulárních vln

Experimenty Lebeděv přesvědčil vědecký svět: světlo je schopno vyvíjet tlak na okolní věci. Před výzkumným pracovníkem se objevilo mnoho technických potíží. Navzdory tomu dokázal, že fotony světla přenášejí nenulové hybnosti na povrchy, když narazí na překážku. Tento jev zmátl vědce. Jak bylo možné propojit vlnové vlastnosti a hmotnost hmoty dohromady?

V důsledku toho museli výzkumníci přiznat, že každá elementární částice je jak vlna, tak hmotný objekt. Fotony mají jako znamení oscilátoru (vlnová délka, frekvence a amplitudy) a charakteristiky hmotné látky (hmotnost, hybnost a energie). To je princip duality vlnových částic. Musí také přesně porozumět tomu, jak zdánlivě nekonečná vlna s konečnou hmotou existuje a pohybuje se ve vesmíru. Pojem "kvantum" přišel k záchraně - je to nejmenší balíček určitého společného celku, který se pohybuje a interaguje s látkou. Například polarizované a přirozené světlo jsou kvantami elektromagnetického pole. Takové prostředí však není jediné, na které se vztahuje kvantifikace. Tam jsou také kvantové:

• gravitační pole (teorie gravitonů se předpovídají, vědci se velmi přiblížili k prokázání své existence);
• gluonové pole (gluony, na rozdíl od gravitonů, nalezené);
• kolektivní interakce uzlů krystalová mřížka pevné látky (fonony například odpovídají za přeměnu elektromagnetického záření v krystalů na zvuk).

Abychom si však mohli představit, proč je polarizace světla, znalosti popsané výše nestačí. Je zapotřebí zatěžovat prostorovou představivost.

Jak je světlo polarizováno?

Jak jsme vysvětlili výše, světlo je vlna. Ale elektromagnetické oscilace, na rozdíl od moře, nepohybují jen pole nahoru a dolů. Směr šíření vln ukazuje vlnu vektor. Vektor amplituda schopná otáčet kolem vlny. Může existovat mnoho typů této rotace. Amplitudový vektor je chápán jako směr, ve kterém se pohybuje amplituda vlny v daném čase.

Jakýkoli rozšířený zdroj, jako je žárovka nebo Slunce, vytváří fotony všech možných typů. Amplitudový vektor je zaměřen na takové radiace chaoticky. Nyní si představte top klobouk. Pohybuje se dopředu podél hlavní osy, ale současně se kolem ní otáčí. A bod na straně válce bude ukazovat tvar pohybu vektoru amplitudy kruhově polarizované vlny. Další koncept je spojen s prostorovými konstrukcemi - "světelný vektor". Označuje směr hustoty toku. Tato hodnota nastavuje intenzitu a směr přenosu světelné energie. Tento termín se používá zpravidla v aplikovaných technických textech, ve kterých je vyřešen problém osvětlení konkrétních míst se svítidly nebo světlomety. Knihy o fyzice, například učebnice a příručky, stojí jednoduché a základní pojmy.

Proč je světlo polarizováno?

Fotony jsou vysílány, když se elektrony v atomech pohybují z vyšší polohy do nižší polohy. Zvažte jediný foton vysílaný nějakým atomem. Charakteristická vlastnost takového kvantu je docela konkrétní. Tento foton bude oscilovat v určitém směru a jeho vektor amplitudy bude ležet v jedné rovině. Jeden foton je tedy vždy lineárně polarizován. V důsledku toho je jedním z metod výroby polarizovaného světla koherentní stimulovaná emise z mnoha identických atomů. Tato metoda však není vždy použitelná a příslušná zařízení (lasery) nejsou k dispozici všem. Nicméně světlo slunce nebo obyčejná žárovka je docela jednoduché. Aby bylo možné je polarizovat, je nutné postavit takovou překážku v cestě radiace, která prochází pouze jedním typem oscilace a zpožďuje všechny ostatní. Takže další způsoby vytváření polarizovaného světla jsou spojeny s vytvářením filtrů pro přirozené záření.

Krystaly s danou strukturou nebo polymerními membránami, ve kterých jsou vlákna umístěna v určitém směru, jsou zpravidla schopny. První přirozený polarizátor objevený vědci byl krystalický křemen z Islandu, tzv. Islandská spar. A prvním umělým polarizátorem byla organická membrána s přídavkem jodových iontů. Nyní jsou komerčně používané polaroidové filmy, vložené mezi dvě ploché sklenice.

Typy polarizovaného světla

Mírně vyšší jsme již dali kruhovou polarizaci a její distribuci oscilací ve vesmíru. Ale existují i ​​jiné typy polarizace. Jak čtenář pravděpodobně již pochopil, polarizované a přirozené světlo navzájem se vzájemně prolínají: první je snadno získáno od druhého.

Polarizace elektromagnetické vlny se děje ve formě:

• kruhový (kruhový);
• lineární;
• eliptické.

Také podle míry změny polarizace je:

• kompletní;
• částečné.

Polarizace, jiná než lineární, je kolektivní vlastnost, nikoliv individuální. Jinými slovy, jediný foton nemůže být elipticky polarizován, vyžaduje určité množství světelných kvant. Proto v matematických manipulacích je elipticky a kruhově polarizované světlo rozloženo do dvou kolmých součástí.

Příklady částečné polarizace

Příkladem částečné polarizace je světlo slunce, které prošlo atmosférou země. Silná vrstva směsi plynů je vždy v pohybu, některé oblasti jsou zhutněny, jiné jsou zřetelné.

Tato těsnění rozptýlí část elektromagnetických kmitů, takže světlo dosáhne povrchu planety částečně polarizované. Ale stupeň těchto změn je malý: zákony polarizovaného světla se používají pouze při velmi přesných astronomických výpočtech. V jiných případech je záření Slunce na povrchu Země považováno za přirozené.

Rotace polarizátoru

Na cestě přirozeného světla je třeba umístit vhodný filtr, abyste získali polarizaci. Po filmu bude vektor amplitudy elektromagnetického záření oscilovat pouze jedním způsobem, například lineárně. Ale co se stane, když postavíte další polarizátor na cestu již změněného proudu světla?

Existují dvě možnosti:

1. Osa přenosu druhého polarizátoru je zarovnána s osou prvního polarizátoru. V tomto případě světlo prostě projde druhým filtrem, jako by ho "nevšimlo".
2. Osa přenosu druhého filtru je umístěna v úhlu k ose prvního filtru. Abychom získali výsledek, je nutné použít zákon Malus pro polarizované světlo.

Vzorce a jejich interpretace budou uvedeny níže.

Malus Law

Pokud se zdá čtenáři, že oba polarizátory jsou taková hra, něco jako cvičení pro mysl, pak se mýlí. Pomocí druhého filtru můžete určit směr a stupeň polarizace proudu světla. Tato data se používají jak přímo, například při hodnocení vlastností vzdálených galaxií a mlhovin, tak nepřímo k posouzení kvality povrchů.

Malusův zákon pro polarizované světlo je vyjádřen vzorem:

• I = k x I ₀ x cos ² φ, kde
  I je intenzita konečného proudu světla,
  I ₀ - primární,
  k je propustnost polarizátoru,
  φ je úhel mezi polarizačními plochami dopadajícího světla a polarizátoru.

Pro relativistický případ se přidávají cyklické frekvence polarizovaných vln. Tyto komponenty se však berou v úvahu, pouze pokud se zdroj světla pohybuje rychlostí blízkou rychlost světla. Chcete-li použít rozšířený vzorec Malus, není nutné překonat tři sta tisíc kilometrů za sekundu. Relativistická rychlost je jedno procento rychlosti světla ve vakuu.

Pečlivý čtenář se však zeptá: "Ale co kruhová a eliptická polarizace?" Jak jsme již zmínili, odpověď je jednoduchá. Je nutno prezentovat tento druh polarizace jako součet dvou lineárně polarizovaných vln.

Složitost vnímání polarizace jako koncepce

Doufáme, že jsme čtenářům objasnili koncept přirozeného a polarizovaného světla. Nicméně, aby se předešlo obtížím v prostorovém vnímání těchto pojmů, je nemožné. Co je třeba udělat, abyste si uvědomili, jak se vektor amplitudy otáčí?

První bariérou může být nedorozumění toho, co je vektor. Především je to směr pohybu. Když člověk řídí auto, je jeho pohybem vektor, kde je nasměrován nos a v jakém směru se pneumatiky otáčejí, a ne tam, kde se dívají oči člověka. Pokud by to všichni řidiči pochopili, možná by na našich silnicích bylo méně nehod. Jak jsme již zmínili, v případě vlny je vektor amplitudy směr, ve kterém vlna "osciluje" v určitém časovém okamžiku.

Druhou bariérou může být nedostatečné porozumění procesům radiace. K vyplnění mezery stojí za zmínku, jaké jsou elektronické úrovně v atomech a proč je přechod mezi nimi doprovázen radiací nebo absorpcí energie. Po pochopení, odkud pocházejí fotony, čtenář pravděpodobně lépe porozumí polarizaci světla.

Přírodní a polarizované světlo se mírně liší. Pokud není pro člověka jasné, proč se opakuje: je obtížné získat polarizované světlo okamžitě po ozařování. Ale vybrat ze všech možných náhodně namířených kmitů přirozeného světla pouze některé specifické je mnohem jednodušší. To lze provést pomocí speciálních krystalických nebo polymerních látek.