Polarizirana in naravna svetloba: koncept, razlike, zakoni

Danes bomo govorili o polarizirani in naravni svetlobi. Kakšne so njihove razlike in kako nastaja polarizacija pri prehodu skozi snov?

Svetloba je val

Preden se lotimo kompleksnejših konceptov, moramo najprej pojasniti, kaj je svetloba.

Že zelo dolgo so eksperimenti z refleksijo in lomom prepričali znanstvenike: svetloba ima naravo vala, to je nihanje nekega polja. Na primer, Huygens je izpeljal, Fresnel pa je načelo dopolnil. Glede na slednje, vsaka točka medija, na katero je dosegla fronta vala, postane sekundarni vir svetlobe. Toda polarizirana in naravna svetloba je drugačna, ne samo zato, ker so valovi. Newton je verjel: žarki so sestavljeni iz nekaterih najmanjših delcev - korpusk. Tako je predvidel kvantno teorijo najmanjših elementov našega sveta, med njimi so fotoni.

Dualizem telesnih valov

Eksperimenti Lebedev je prepričal znanstveni svet: svetloba lahko pritiska na okoliške stvari. Pred raziskovalcem je bilo veliko tehničnih težav. Kljub temu je dokazal, da fotoni svetlobe prenašajo ne-ničelni zagon na površine, ko naletijo na oviro. Ta pojav je zbunil znanstvenike. Kako je bilo mogoče povezati valovne lastnosti in materialnost mase skupaj?

Zato so morali raziskovalci priznati: vsak elementarni delec je hkrati val in materialni objekt. Fotoni imajo podobne znake oscilatorja (valovna dolžina, frekvenca in amplituda) in značilnosti materialne snovi (masa, gibalna količina in energija). To je načelo dvojnosti valov in delcev. Prav tako je bilo treba natančno razumeti, kako navidezno neskončni val s končno maso obstaja in se giblje v prostoru. Koncept "kvanta" je prišel v pomoč - to je najmanjši paket neke skupne celote, ki se premika in sodeluje s snovjo. Na primer, polarizirana in naravna svetloba sta kvanta elektromagnetnega polja. Toda takšno okolje ni edino, ki je predmet kvantizacije. Obstajajo tudi kvanti:

• gravitacijsko polje (gravitoni so napovedani le teoretično, znanstveniki so zelo blizu dokazovanju svojega obstoja);
• gluonsko polje (gluoni, za razliko od gravitonov);
• skupna interakcija vozlišč kristalne rešetke trdne snovi (npr. fononi so odgovorni za pretvorbo elektromagnetnega sevanja v kristale v zvok).

Da pa si predstavljamo, zakaj je svetloba polarizirana, zgoraj opisano znanje ni dovolj. Potrebno je napeti prostorsko domišljijo.

Kako je svetloba polarizirana?

Kot smo razložili zgoraj, je svetloba val. Toda elektromagnetna nihanja, za razliko od morja, ne premikajo le polja gor in dol. Smer širjenja valov kaže val vektor. Vektor amplituda, ki se lahko vrti okoli vala. Obstaja več vrst te rotacije. Vektor amplitude se razume kot smer, v kateri se premika amplituda v določenem času.

Vsak podaljšan vir, kot je žarnica ali Sonce, generira fotone vseh možnih tipov. Vektor amplitude je na to sevanje usmerjen kaotično. Zdaj si predstavljajte top klobuk. Premika se po svoji glavni osi, hkrati pa se vrti okoli njega. Točka na strani valja bo pokazala obliko gibanja vektorja amplitude krožno polariziranega vala. Drugi koncept je povezan s prostorskimi konstrukcijami - »svetlobni vektor«. Označuje smer gostote pretoka. Ta vrednost določa intenzivnost in smer prenosa svetlobne energije. Ta izraz se pogosto uporablja, praviloma, v uporabnih tehničnih besedilih, v katerih se rešuje problem razsvetljave določenih mest z žarnicami ali reflektorji. Knjige o fiziki, na primer učbeniki in priročniki, stanejo preproste in temeljne pojme.

Zakaj je svetloba polarizirana?

Fotoni se oddajajo, ko se elektroni v atomih premikajo iz višjega v nižji položaj. Razmislite o enem fotonu, ki ga oddaja določen atom. Značilnost takega kvanta je precej konkretna. Ta foton bo nihal v določeni smeri, njegov vektor amplitude pa bo ležal v eni ravnini. Tako je en foton vedno linearno polariziran. Zato je ena od metod za proizvodnjo polarizirane svetlobe koherentno stimulirana emisija iz mnogih enakih atomov. Vendar ta metoda ni vedno uporabna in ustrezne naprave (laserji) niso na voljo vsem. Toda svetloba sonca ali navadna žarnica je preprosta. Da bi jih polarizirali, je potrebno postaviti takšno oviro na pot sevanja, ki prehaja le eno vrsto nihanja, in zamuja vse druge. Torej so drugi načini proizvodnje polarizirane svetlobe povezani z ustvarjanjem filtrov za naravno sevanje.

Praviloma so za to sposobni kristali z dano strukturo ali polimernimi membranami, v katerih se vlakna nahajajo v določeni smeri. Prvi naravni polarizator, ki so ga odkrili znanstveniki, je bil kristalni kvarc iz Islandije, tako imenovani islandski spar. Prvi umetni polarizator je bila organska membrana z dodatkom jodovih ionov. Zdaj komercialno uporabljeni polaroidni filmi, stisnjeni med dvema ravnima očali.

Vrste polarizirane svetlobe

Nekoliko višje smo že dali krožno polarizacijo in njeno porazdelitev nihanj v prostoru. Obstajajo pa tudi druge vrste polarizacije. Kot je bralec verjetno že razumel, se polarizirana in naravna svetloba med seboj prepletata: prva se zlahka dobi iz drugega.

Polarizacija elektromagnetna valovanja se zgodi v obliki:

• okrogla (okrogla);
• linearno;
• eliptični.

Tudi glede na stopnjo polarizacije spremembe je:

• popolno;
• delno.

Polarizacija, ki ni linearna, je kolektivna lastnina, ne individualna. Z drugimi besedami, en foton ne more biti eliptično polariziran, zahteva določeno količino svetlobnih kvantov. Zato je pri matematičnih manipulacijah eliptična in krožno polarizirana svetloba razporejena v dve pravokotni komponenti.

Primeri delne polarizacije

Primer delne polarizacije je svetloba sonca, ki je prešla skozi zemeljsko ozračje. Debela plast mešanice plinov je vedno v gibanju, nekatera področja so stisnjena, druga so razpršena.

Ta tesnila razpršijo del elektromagnetnih nihanj, tako da svetloba doseže del polariziranega planeta. Toda stopnja teh sprememb je majhna: zakoni polarizirane svetlobe se uporabljajo samo v zelo natančnih astronomskih izračunih. V drugih primerih je sevanje sonca na površini Zemlje naravno.

Rotacija polarizatorja

Na poti naravne svetlobe morate postaviti ustrezen filter, da dobite polarizacijo. Po filtru bo vektor amplitude elektromagnetnega sevanja nihal le na en način, na primer linearno. Toda kaj se zgodi, če na pot že spremenjenega toka svetlobe postavimo še en polarizator?

Obstajata dve možnosti:

1. Prenosna os drugega polarizatorja je poravnana z osjo prvega. V tem primeru bo svetloba preprosto prešla drugi filter, kot da ga »ne opazi«.
2. Prenosna os drugega filtra se nahaja pod kotom prve osi. Da bi dobili rezultat, je potrebno uporabiti zakon Malus za polarizirano svetlobo.

Formule in njihova razlaga bodo podane spodaj.

Zakon Malus

Če se bralcu zdi, da sta dva polarizatorja taka igra, nekaj podobnega vadbi za um, potem se moti. Z drugim filtrom lahko določite smer in stopnjo polarizacije svetlobnega toka. Ti podatki se uporabljajo neposredno, na primer pri ocenjevanju lastnosti oddaljenih galaksij in meglic, in posredno, za oceno kakovosti površin.

Zakon Malusa za polarizirano svetlobo je izražen s formulo:

• I = k x I ₀ x cos ² φ, kjer
  I je intenzivnost končnega toka svetlobe,
  I ₀ - primarno,
  k je prepustnost polarizatorja,
  between je kot med polarizacijskimi ravninami vpadne svetlobe in polarizatorja.

Za relativistični primer se dodajo ciklične frekvence polariziranih valov. Vendar se te komponente upoštevajo le, če se vir svetlobe premika s hitrostjo, ki je blizu hitrost svetlobe. Za uporabo razširjene formule Malus ni potrebno preseči tristo tisoč kilometrov na sekundo. Relativistična hitrost je en odstotek hitrosti svetlobe v vakuumu.

Toda natančen bralec vas bo vprašal: »Kaj pa krožna in eliptična polarizacija?« Kot smo že omenili, je odgovor preprost. To polarizacijo moramo predstaviti kot vsoto dveh linearno polariziranih valov.

Kompleksnost zaznavanja polarizacije kot koncepta

Upamo, da smo bralcem pojasnili pojem naravne in polarizirane svetlobe. Da bi se izognili težavam v prostorskem zaznavanju teh pojmov, je nemogoče. Kaj je treba storiti, da bi spoznali, kako se vrti amplitudni vektor?

Prva ovira je lahko napačno razumevanje, kaj je vektor. Prvič, to je smer gibanja. Ko oseba vozi avto, je vektor njegovega gibanja usmerjen k nosu in v kateri smeri so obrnjene pnevmatike, in ne tam, kjer gledajo osebe. Če bi to razumeli vsi vozniki, bi na naših cestah morda prišlo do manj nesreč. Kot smo že omenili, je vektor amplitude v primeru vala smer, v kateri val "niha" v določenem trenutku.

Druga ovira je lahko pomanjkanje razumevanja procesov sevanja. Da bi zapolnili vrzeli, se je treba spomniti, kakšne so elektronske ravni v atomih in zakaj je prehod med njimi spremljan bodisi z radiacijo bodisi s absorpcijo energije. Ko bo bralec razumel, od kod prihajajo fotoni, bo verjetno bolje razumel polarizacijo svetlobe.

Naravna in polarizirana svetloba se nekoliko razlikujeta. Če za človeka ni jasno, zakaj, še enkrat ponavljamo: težko je polarizirano svetlobo takoj po sevanju. Toda izbiranje med vsemi možnimi naključno usmerjenimi nihanji naravne svetlobe je le nekaj specifičnih. To je mogoče storiti s pomočjo posebnih kristalnih ali polimernih snovi.