Поляризирана и естествена светлина: понятие, различия, закони

Днес ще говорим за поляризирана и естествена светлина. Какви са техните различия и как се създава поляризация при преминаване през вещество?

Светлината е вълна

Преди да се впуснем в по-сложни концепции, трябва първо да обясним какво е светлината.

За много дълго време експериментите с отражение и пречупване убедиха учените: светлината има природата на вълната, т.е. тя е осцилация на някакво поле. Например, Хюйгенс е получил, а Френел е допълнил принципа. Според последното всяка точка на средата, към която е достигнал вълновия фронт, става вторичен източник на светлина. Но поляризираната и естествена светлина са различни, не само защото са вълни. Нютон вярвал: лъчите са съставени от някои от най-малките частици - корпускулите. Така той очакваше квантовата теория на най-малките елементи на нашия свят, като те включват фотони.

Духовност на корпусната вълна

Експерименти Лебедев убеди научния свят: светлината е в състояние да окаже натиск върху околните неща. Преди изследователя имаше много технически трудности. Въпреки това, той доказа, че фотоните на светлината предават ненулевия импулс на повърхности, когато срещнат препятствие. Този феномен озадачи учените. Как е възможно да се свържат вълновите свойства и материалността на масата заедно?

В резултат на това изследователите трябваше да признаят: всяка елементарна частица е едновременно вълна и материален обект. Фотоните имат подобни признаци на осцилатор (Дължина на вълната, честота и амплитуда) и характеристиките на веществото (маса, инерция и енергия). Това е принципът на двойствеността на вълновите частици. Необходимо е също така да се разбере как точно съществува една привидно безкрайна вълна с крайна маса и се движи в пространството. Концепцията за "квантовата" е спасена - това е най-малкият пакет от определено общо нещо, което се движи и взаимодейства с веществото. Например поляризираната и естествената светлина са кванти на електромагнитното поле. Но такава среда не е единствената, която подлежи на квантуване. Има и кванти:

• гравитационно поле (гравитоните се предсказват само теоретично, учените са дошли много близо до доказване на тяхното съществуване);
• глюонно поле (глуони, за разлика от гравитоните, намерено);
• колективно взаимодействие на възли кристална решетка твърди вещества (фонони, например, са отговорни за превръщането на електромагнитното излъчване в кристали в звук).

Обаче, за да си представим защо светлината е поляризирана, описаното по-горе познание не е достатъчно. Необходимо е да се напрегне пространственото въображение.

Как е поляризирана светлината?

Както обяснихме по-горе, светлината е вълна. Но електромагнитните колебания, за разлика от морето, не само преместват полето нагоре и надолу. Направление на разпространение на вълните показва вълна вектор. вектор амплитудата може да се върти около вълната. Може да има много видове на тази ротация. Векторът на амплитудата се разбира като посоката, в която се движи амплитудата на вълната в даден момент.

Всеки разширен източник като лампа с нажежаема жичка или Слънцето генерира фотони от всички възможни типове. Векторът на амплитудата е насочен към такова лъчение хаотично. Сега си представете топ шапка. Тя се движи напред по главната си ос, но в същото време се върти около нея. А точката от страната на цилиндъра ще покаже формата на движението на амплитудния вектор на кръгова поляризирана вълна. Друга концепция е свързана с пространствените конструкции - “светлинен вектор”. Той показва посоката на плътността на потока. Тази стойност задава интензитета и посоката на пренос на светлинна енергия. Този термин се използва рядко, като правило, в приложни технически текстове, в които се решава проблемът с осветяването на определени места с лампи или прожектори. Книгите по физика, например учебници и справочници, струват прости и фундаментални понятия.

Защо светлината е поляризирана?

Фотоните се излъчват, когато електрони в атомите се движат от по-висока към по-ниска позиция. Помислете за един фотон, излъчван от някой атом. Характеристиката на такъв квант е доста конкретна. Този фотон ще осцилира в определена посока и неговият амплитуден вектор ще лежи в една равнина. Така един-единствен фотон винаги е линейно поляризиран. Следователно, един от методите за получаване на поляризирана светлина е кохерентно стимулирано излъчване от много идентични атоми. Но този метод не винаги е приложим и съответните устройства (лазери) не са достъпни за всички. Но светлината на слънцето или обикновената лампа с нажежаема жичка е доста проста. За да се поляризират, е необходимо да се постави такова препятствие по пътя на излъчването, който преминава само един тип колебания и забавя всички останали. Така че други начини за производство на поляризирана светлина са свързани с създаването на филтри за естествена радиация.

Като правило, кристали с дадена структура или полимерни мембрани, в които влакната са разположени в определена посока, са способни на такива. Първият естествен поляризатор, открит от учените, е кристалният кварц от Исландия, т.нар. Исландски шпат. Първият изкуствен поляризатор е органична мембрана с добавяне на йодни йони. Сега в търговската мрежа се използват polaroid филми, притиснати между две плоски очила.

Видове поляризирана светлина

Малко по-високи, вече сме дали кръгова поляризация и нейното разпределение на осцилациите в пространството. Но има и други видове поляризация. Както вероятно вече е разбрал читателят, поляризираната и естествената светлина се проникват взаимно: първата се получава лесно от втората.

поляризация електромагнитни вълни се случва във форма:

• кръгови (кръгли);
• линеен;
• елиптична.

Също така, според степента на промяна на поляризацията е:

• попълване;
• частично.

Поляризацията, различна от линейната, е колективна собственост, а не индивидуална. С други думи, един фотон не може да бъде елиптично поляризиран, той изисква определено количество светлинни кванти. Ето защо, при математически манипулации, елиптично и циркулярно поляризирана светлина е изложена на два перпендикулярни компонента.

Примери за частична поляризация

Пример за частична поляризация е светлината на слънцето, която е преминала през атмосферата на земята. Дебел слой от смес от газове е винаги в движение, някои области са уплътнени, други са разредени.

Тези уплътнения разпръскват част от електромагнитните колебания, така че светлината достига частично поляризираната повърхност на планетата. Но степента на тези промени е малка: законите на поляризираната светлина се прилагат само при много точни астрономически изчисления. В други случаи излъчването на Слънцето на повърхността на Земята се счита за естествено.

Ротация на поляризатора

По пътя на естествената светлина трябва да поставите подходящия филтър, за да получите поляризация. След филтъра амплитудният вектор на електромагнитното излъчване ще осцилира само по един начин, например линейно. Но какво ще стане, ако поставите друг поляризатор на пътя на вече променения поток светлина?

Има две възможности:

1. Оста за предаване на втория поляризатор е подравнена с оста на първия. В този случай светлината просто ще премине втория филтър, сякаш не го "забележи".
2. Оста на предаване на втория филтър е разположена под ъгъл спрямо оста на първия. За да се получи резултатът, е необходимо да се приложи законът Malus за поляризирана светлина.

Формулите и тяхното тълкуване ще бъдат дадени по-долу.

Malus Law

Ако на читателя изглежда, че двата поляризатора са такава игра, нещо като упражнение за ума, то тогава е погрешно. С помощта на втория филтър можете да определите посоката и степента на поляризация на светлинния поток. Тези данни се използват както директно, например при оценката на свойствата на далечните галактики и мъглявини, така и индиректно, за оценка на качеството на повърхностите.

Законът на Malus за поляризирана светлина се изразява с формулата:

• I = k x I ₀ x cos ² φ, където
  I е интензивността на крайния поток светлина,
  I ₀ - основно,
  k е пропускливостта на поляризатора,
  φ е ъгълът между поляризационните равнини на падащата светлина и поляризатора.

За релативистичния случай се добавят цикличните честоти на поляризираните вълни. Но тези компоненти се вземат предвид само ако източникът на светлина се движи със скорост, близка до скоростта на светлината. За да се използва разширената формула Malus, не е необходимо да се преодоляват триста хиляди километра в секунда. Релативистката скорост е един процент от скоростта на светлината във вакуум.

Въпреки това, щастливият читател ще попита: "Ами кръговата и елиптичната поляризация?" Както споменахме по-горе, отговорът е прост. Необходимо е да се представи този вид поляризация като сума от две линейно поляризирани вълни.

Сложността на възприемането на поляризацията като концепция

Надяваме се, че сме разбрали понятието за естествена и поляризирана светлина за читателите. Въпреки това, за да се избегнат трудности в пространственото възприемане на тези понятия е невъзможно. Какво трябва да се направи, за да осъзнаем как се върти амплитудният вектор?

Първата бариера може да бъде неразбиране на това какво е вектор. На първо място, това е посоката на движение. Когато човек кара кола, векторът на неговото движение е там, където се насочва носът на колата и в каква посока се въртят гумите, а не там, където гледат очите на човека. Ако всички шофьори разберат това, може би ще има по-малко инциденти на нашите пътища. Както вече споменахме, в случай на вълна, векторът на амплитудата е посоката, в която вълната „осцилира“ в даден момент във времето.

Втората бариера може да бъде липсата на разбиране на процесите на радиация. За да се запълнят празнините, си струва да си припомним какви са електронните нива в атомите и защо преходът между тях е съпроводен или от радиация, или от поглъщане на енергия. Разбирайки откъде идват фотоните, читателят вероятно ще разбере по-добре поляризацията на светлината.

Естествената и поляризирана светлина се различават леко. Ако за един човек не е ясно защо, повтаряме още веднъж: доста е трудно да се получи поляризирана светлина веднага след излъчване. Но да се избере от всички възможни случайно насочени колебания на естествената светлина само някои специфични е много по-просто. Това може да стане с помощта на специални кристални или полимерни вещества.