Šodien atklāsim gaismas viļņveida rakstura būtību un ar šo faktu saistītā fenomena “polarizācijas pakāpe”.
Spēja redzēt un apgaismot
Gaismas daba un ar to saistītā spēja redzēt cilvēku prātus ir satraukusi jau ilgu laiku. Senie grieķi, mēģinot izskaidrot redzi, pieņēma: vai nu acs izstaro noteiktus “starus”, kas “sajūt” apkārtējos objektus un tādējādi informē cilvēku par to izskatu un formu, vai arī lietas pašas izstaro kaut ko tādu, ko cilvēki uztver un spriež par visu. darbi. Teorijas izrādījās tālu no patiesības: dzīvās būtnes redz, pateicoties atstarotajai gaismai. No šī fakta apzināšanās līdz spējai aprēķināt, kāda ir polarizācijas pakāpe, atlika viens solis – saprast, ka gaisma ir vilnis.
Gaisma ir vilnis
Sīkāk izpētot gaismu, izrādījās, ka, ja nav traucējumu, tā izplatās pa taisnu līniju un nekur negriežas. Ja staram ceļā nokļūst necaurredzams šķērslis, tad veidojas ēnas, un kur iet pati gaisma, cilvēkus tas neinteresēja. Bet, tiklīdz starojums sadūrās ar caurspīdīgu vidi, notika pārsteidzošas lietas: stars mainīja virzienuizkliedēts un blāvs. 1678. gadā H. Huigenss ierosināja, ka to var izskaidrot ar vienu faktu: gaisma ir vilnis. Zinātnieks izveidoja Huygens principu, ko vēlāk papildināja Fresnels. Pateicoties tam, ko cilvēki mūsdienās zina, kā noteikt polarizācijas pakāpi.
Haigensa-Frēneļa princips
Saskaņā ar šo principu jebkurš vides punkts, ko sasniedz viļņu fronte, ir sekundārs koherenta starojuma avots, un visu šo punktu frontes apvalks darbojas kā viļņu fronte nākamajā laika momentā. Tādējādi, ja gaisma izplatās bez traucējumiem, katrā nākamajā brīdī viļņu fronte būs tāda pati kā iepriekšējā. Bet, tiklīdz stars sastopas ar šķērsli, stājas spēkā cits faktors: atšķirīgos medijos gaisma izplatās ar dažādu ātrumu. Tādējādi fotons, kuram vispirms izdevās sasniegt otru vidi, tajā izplatīsies ātrāk nekā pēdējais fotons no stara. Tāpēc viļņu fronte sasvērsies. Polarizācijas pakāpei ar to vēl nav nekāda sakara, taču ir vienkārši nepieciešams pilnībā izprast šo fenomenu.
Apstrādes laiks
Atsevišķi jāsaka, ka visas šīs izmaiņas notiek neticami ātri. Gaismas ātrums vakuumā ir trīs simti tūkstoši kilometru sekundē. Jebkurš līdzeklis palēnina gaismu, bet ne daudz. Laiks, kurā viļņu fronte tiek izkropļota, pārvietojoties no vienas vides uz otru (piemēram, no gaisa uz ūdeni), ir ārkārtīgi īss. Cilvēka acs to nevar pamanīt, un tikai dažas ierīces spēj salabot tik īsu īsuprocesi. Tāpēc ir vērts šo fenomenu izprast tīri teorētiski. Tagad, pilnībā apzinoties, kas ir starojums, lasītājs vēlēsies saprast, kā atrast gaismas polarizācijas pakāpi? Nemaldināsim viņa cerības.
Gaismas polarizācija
Mēs jau minējām iepriekš, ka gaismas fotoniem dažādos medijos ir atšķirīgs ātrums. Tā kā gaisma ir šķērsvirziena elektromagnētiskais vilnis (tas nav vides kondensācija un retums), tai ir divas galvenās īpašības:
- viļņu vektors;
- amplitūda (arī vektora daudzums).
Pirmais raksturlielums norāda, kur ir vērsts gaismas stars, un rodas polarizācijas vektors, tas ir, kurā virzienā ir vērsts elektriskā lauka intensitātes vektors. Tas dod iespēju griezties ap viļņu vektoru. Dabiskajai gaismai, piemēram, tai, ko izstaro saule, nav polarizācijas. Svārstības tiek sadalītas visos virzienos ar vienādu varbūtību, nav izvēlēta virziena vai modeļa, pa kuru svārstās viļņa vektora gals.
Polarizētās gaismas veidi
Pirms iemācāties aprēķināt polarizācijas pakāpes formulu un veikt aprēķinus, jums vajadzētu saprast, kādi ir polarizētās gaismas veidi.
- Eliptiska polarizācija. Šādas gaismas viļņa vektora beigas apraksta elipsi.
- Lineārā polarizācija. Šis ir pirmās iespējas īpašs gadījums. Kā norāda nosaukums, attēls ir vienā virzienā.
- Cirkulāra polarizācija. Citā veidā to sauc arī par apļveida.
Jebkuru dabisko gaismu var attēlot kā divu savstarpēji perpendikulāru polarizētu elementu summu. Ir vērts atcerēties, ka divi perpendikulāri polarizēti viļņi nesadarbojas. Viņu iejaukšanās nav iespējama, jo no amplitūdu mijiedarbības viedokļa šķiet, ka tās viena otrai nepastāv. Kad viņi satiekas, viņi vienkārši pāriet, nepārveidojot.
Daļēji polarizēta gaisma
Polarizācijas efekta pielietojums ir milzīgs. Novirzot dabisko gaismu uz objektu un saņemot daļēji polarizētu gaismu, zinātnieki var spriest par virsmas īpašībām. Bet kā noteikt daļēji polarizētas gaismas polarizācijas pakāpi?
Ir formula N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), kur Itrans ir gaismas intensitāte virzienā, kas ir perpendikulārs polarizatora vai atstarojošās virsmas plaknei, un I par- paralēli. P vērtība var būt no 0 (dabiskai gaismai bez polarizācijas) līdz 1 (plaknes polarizētajam starojumam).
Vai dabisko gaismu var polarizēt?
Jautājums no pirmā acu uzmetiena ir dīvains. Galu galā starojumu, kurā nav atšķirīgu virzienu, parasti sauc par dabisku. Tomēr Zemes virsmas iedzīvotājiem tas savā ziņā ir tuvinājums. Saule rada dažāda garuma elektromagnētisko viļņu plūsmu. Šis starojums nav polarizēts. Bet garāmejotcaur biezu atmosfēras slāni starojums iegūst nelielu polarizāciju. Tātad dabiskās gaismas polarizācijas pakāpe parasti nav nulle. Bet vērtība ir tik maza, ka bieži tiek atstāta novārtā. Tas tiek ņemts vērā tikai precīzu astronomisku aprēķinu gadījumā, kad mazākā kļūda var pievienot zvaigznei gadiem vai attālumu mūsu sistēmai.
Kāpēc gaisma polarizējas?
Iepriekš mēs bieži esam teikuši, ka fotoni dažādos medijos uzvedas atšķirīgi. Bet viņi neminēja, kāpēc. Atbilde ir atkarīga no tā, par kādu vidi mēs runājam, citiem vārdiem sakot, kādā stāvoklī tā ir.
- Vide ir kristālisks ķermenis ar stingri periodisku struktūru. Parasti šādas vielas struktūra tiek attēlota kā režģis ar fiksētām bumbiņām - joniem. Bet kopumā tas nav pilnīgi precīzi. Šāda tuvināšana bieži vien ir pamatota, bet ne kristāla un elektromagnētiskā starojuma mijiedarbības gadījumā. Faktiski katrs jons svārstās ap savu līdzsvara stāvokli, un nevis nejauši, bet atkarībā no tā, kādi kaimiņi tam ir, kādos attālumos un cik no tiem. Tā kā visas šīs vibrācijas ir stingri ieprogrammētas ar cietu vidi, šis jons spēj izstarot absorbēto fotonu tikai stingri noteiktā formā. Šis fakts rada citu: kāda būs izejošā fotona polarizācija, ir atkarīgs no virziena, kādā tas iekļuva kristālā. To sauc par īpašību anizotropiju.
- Trešdiena - šķidrums. Šeit atbilde ir sarežģītāka, jo darbojas divi faktori - molekulu sarežģītība unblīvuma svārstības (kondensācija – retināšana). Pats par sevi sarežģītām garām organiskām molekulām ir noteikta struktūra. Pat visvienkāršākās sērskābes molekulas nav haotisks sfērisks receklis, bet gan ļoti specifiska krustveida forma. Cita lieta, ka normālos apstākļos tie visi ir izkārtoti nejauši. Taču otrs faktors (svārstības) spēj radīt apstākļus, kuros neliels skaits molekulu nelielā tilpumā veido kaut ko līdzīgu pagaidu struktūrai. Šajā gadījumā vai nu visas molekulas tiks virzītas kopā, vai arī tās atradīsies viena pret otru noteiktos leņķos. Ja gaisma šajā laikā iziet cauri šādai šķidruma daļai, tā iegūs daļēju polarizāciju. Tas liek secināt, ka temperatūra spēcīgi ietekmē šķidruma polarizāciju: jo augstāka temperatūra, jo nopietnāka ir turbulence, un jo vairāk veidosies šādas zonas. Pēdējais secinājums pastāv, pateicoties pašorganizācijas teorijai.
- Trešdiena - gāze. Viendabīgas gāzes gadījumā polarizācija notiek svārstību dēļ. Tāpēc dabiskā Saules gaisma, ejot cauri atmosfērai, iegūst nelielu polarizāciju. Un tāpēc debesu krāsa ir zila: sablīvēto elementu vidējais izmērs ir tāds, ka tiek izkliedēts zils un violets elektromagnētiskais starojums. Bet, ja mums ir darīšana ar gāzu maisījumu, tad polarizācijas pakāpi ir daudz grūtāk aprēķināt. Šīs problēmas bieži risina astronomi, kuri pēta tādas zvaigznes gaismu, kas izgājusi caur blīvu molekulāro gāzes mākoni. Tāpēc ir tik grūti un interesanti pētīt tālu galaktikas un kopas. Betastronomi tiek galā un sniedz cilvēkiem pārsteidzošas dziļas telpas fotogrāfijas.
