Палярызаванае і натуральны святло. Адрозненне палярызаванага святла ад натуральнага

Хвалі бываюць двух відаў. У падоўжных вагальны абурэнне паралельна напрамку іх распаўсюду. Прыкладам можа служыць праходжанне гуку ў паветры. Папярочныя хвалі складаюцца з абурэнняў, якія знаходзяцца пад вуглом 90 ° да кірунку перамяшчэння. Так, напрыклад, хваля, праходзячы гарызантальна праз масу вады, выклікае вертыкальныя ваганні на яе паверхні.

адкрыццё з'явы

Шэраг загадкавых аптычных эфектаў, назіраных у сярэдзіне XVII стагоддзя, быў растлумачаны, калі палярызаванае і натуральны святло пачало разглядацца як хвалевай феномен і былі выяўленыя кірункі яго ваганняў. Першы так званы эфект палярызацыі быў адкрыты дацкім лекарам Эразмам Бартолином ў 1669 годзе. Вучоны назіраў падвойную рэфракцыі, ці падвойнае лучепреломление, ў ісландскім шпат, або кальцыя (крышталічнай форме карбанату кальцыя). Калі святло праходзіць праз кальцыт, крышталь расшчапляе яго, вырабляючы два малюнка, змешчаным адносна адзін аднаго.

Ньютан ведаў аб гэтай з'яве і выказаў меркаванне, што, магчыма, корпускул святла валодаюць асіметрыяй або «аднабаковасцю», якая магла б быць прычынай фарміравання двух малюнкаў. Гюйгенс, сучаснік Ньютана, змог растлумачыць падвойнае праламленне сваёй тэорыяй элементарных хваляў, але ён не зразумеў сапраўднага сэнсу эфекту. Падвойнае лучепреломление заставалася загадкай, пакуль Томас Юнг і фізік з Францыі Агюстэн-Жан Фрэнэля ня выказалі здагадку, што светлавыя хвалі з'яўляюцца папярочнымі. Простая ідэя дазволіла растлумачыць, што такое палярызаванае і натуральны святло. Гэта забяспечыла натуральную і няўскладненай аснову для аналізу Палярызацыйна эфектаў.

Падвойнае лучепреломление выклікана камбінацыяй двух перпендыкулярных палярызацыі, кожная з якіх валодае сваёй хуткасцю хвалі. З-за розніцы ў хуткасці дзве складнікі маюць розныя паказчыкі пераламлення, і таму яны па-рознаму пераламляюцца праз матэрыял, вырабляючы два малюнка.

Палярызаванае і натуральны святло: тэорыя Максвелла

Фрэнэля хутка распрацаваў комплексную мадэль папярочных хваль, якія прыводзілі да падвойнаму лучепреломлению і шэрагу іншых аптычных эфектаў. Праз сорак гадоў электрамагнітная тэорыя Максвелла элегантна патлумачыла папярочную прыроду святла.

Электрамагнітныя хвалі Максвелла складзеныя з магнітных і электрычных палёў, што вагаюцца перпендыкулярна кірунку перамяшчэння. Палі знаходзяцца пад вуглом 90 ° адзін аднаму. Пры гэтым кірункі распаўсюджвання магнітнага і электрычнага палёў ўтвараюць правую сістэму каардынатаў. Для хвалі з частатой f і даўжынёй λ (яны звязаны залежнасцю λf = с), якая рухаецца ў станоўчым напрамку х, поля апісваюцца матэматычна:

• E (x, t) = E ₀ cos (2 π x / λ - 2 π ft) y ^;
• B (x, t) = B ₀ cos (2 π x / λ - 2 π ft) z ^.

Ўраўненні паказваюць, што электрычнае і магнітнае поля знаходзяцца ў фазе адзін з адным. У любы дадзены момант часу яны адначасова дасягаюць сваіх максімальных значэнняў у прасторы, роўных Е ₀ і В _0. Гэтыя амплітуды не з'яўляюцца незалежнымі. Ўраўненні Максвелла паказваюць, што Е ₀ = cB ₀ для ўсіх электрамагнітных хваль у вакууме.

напрамкі палярызацыі

У апісанні арыентацыі магнітнага і электрычнага палёў хвалі святла звычайна паказваюць толькі кірунак электрычнага поля. Вектар магнітнага поля вызначаецца патрабаваннем аб перпендыкулярнасці палёў і іх перпендыкулярна да кірунку руху. Натуральны і лінейна палярызаванае святло адрозніваецца тым, што ў апошнім поля осциллируют ў фiксаваных напрамках па меры перамяшчэння хвалі.

Магчымыя і іншыя стану палярызацыі. У выпадку кругавой вектары магнітнага і электрычнага палёў круцяцца адносна кірункі распаўсюджвання з пастаяннай амплітудай. Эліптычныя палярызаванае святло знаходзіцца ў прамежкавым становішчы паміж лінейнай і кругавой палярызацыяй.

Неполяризованный святло

Атамы на паверхні нагрэтай ніткі напальвання, якія генеруюць электрамагнітнае выпраменьванне, дзейнічаюць, незалежна адзін ад аднаго. Кожнае выпраменьванне можна прыблізна змадэляваць ў выглядзе кароткіх цугов працягласцю ад 10 ^-9 да 10 ^-8 секунды. Электрамагнітная хваля, якая зыходзіць ад ніткі напальвання, уяўляе сабой суперпазіцыю гэтых цугов, кожны з якіх мае ўласнае кірунак палярызацыі. Сума арыентаваных выпадковым чынам цугов ўтварае хвалю, вектар палярызацыі якой змяняецца хутка і бязладна. Такая хваля называецца неполяризованной. Усе натуральныя крыніцы святла, уключаючы Сонца, лямпы напальвання, люмінесцэнтныя лямпы і полымя, вырабляюць такое выпраменьванне. Аднак натуральны святло часта бывае часткова палярызаванае з-за множнага рассейвання і адлюстравання.

Такім чынам, адрозненне палярызаванага святла ад натуральнага складаецца ў тым, што ў першым ваганні здзяйсняюцца ў адной плоскасці.

Крыніцы палярызаванага выпраменьвання

Палярызаванае святло можа быць выраблены ў выпадках, калі вызначана прасторавая арыентацыя. Адным з прыкладаў з'яўляецца сынхроны выпраменьванне, пры якім высокоэнергичные зараджаныя часціцы рухаюцца ў магнітным полі і выпраменьваюць палярызаваныя электрамагнітныя хвалі. Існуе шмат вядомых астранамічных крыніц, выпраменьваючых натуральна палярызаванае святло. У іх лік уваходзяць імглістасці, рэшткі звышновых і актыўныя галактычныя ядра. Палярызацыя касмічнага выпраменьвання вывучаецца для таго, каб вызначыць ўласцівасці яго крыніц.

фільтр поляроид

Палярызаванае і натуральны святло падзяляюцца пры праходжанні праз шэраг матэрыялаў, найбольш распаўсюджаным з якіх з'яўляецца поляроид, створаны амерыканскім фізікам Эдвінам Лэнд. Фільтр складаецца з доўгіх размоваў малекул вуглевадародаў, арыентаваных у адным кірунку шляхам працэсу тэрмічнай апрацоўкі. Малекулы выбарча паглынаюць выпраменьванне, электрычнае поле якога паралельна іх арыентацыі. Святло, які выходзіць з поляроида, лінейна палярызаванае. Яго электрычнае поле перпендыкулярна кірунку арыентацыі малекул. Поляроид знайшоў прымяненне ў многіх галінах, уключаючы сонцаахоўныя акуляры і святлафільтры, якія зніжаюць эфект адлюстраванага і безуважлівага святла.

Натуральны і палярызаванае святло: закон Малюса

У 1808 году фізік Эцьен-Луі Малюс выявіў, што святло, адлюстраваны ад неметалічных паверхняў, часткова палярызуецца. Ступень гэтага эфекту залежыць ад кута падзення і паказчыка праламлення адлюстроўвае матэрыялу. У адным з крайніх выпадкаў, калі тангенс кута падзення прамяня ў паветры роўны паказчыку пераламлення адлюстроўвае матэрыялу, адлюстраванае святло становіцца цалкам лінейна палярызаваным. Гэта з'ява вядома як закон Брустара (названы так у гонар яго першаадкрывальніка, шатландскага фізіка Дэвіда Брустара). Кірунак палярызацыі паралельна якая адлюстроўвае паверхні. Так як дзённыя блікі, як правіла, узнікаюць пры адлюстраванні ад гарызантальных паверхняў, такіх як дарогі і вада, у сонечных акулярах часта выкарыстоўваюцца фільтры, каб зняць гарызантальна палярызаванае святло і, такім чынам, выбарачна выдаліць водбліскі святла.

Рэлеевское рассейванне

Рассейванне святла вельмі дробнымі аб'ектамі, памеры якіх нашмат менш даўжыні хвалі (так званае рэлеевское рассейванне па імі ангельскага навукоўца лорда Рэлея), таксама стварае частковую палярызацыю. Калі сонечнае выпраменьванне праходзіць праз зямную атмасферу, яно рассейваецца малекуламі паветра. Зямлі дасягае рассеяны палярызаванае і натуральны святло. Ступень яго палярызацыі залежыць ад кута рассейвання. Паколькі чалавек не адрознівае натуральны і палярызаванае святло, то гэты эфект, як правіла, застаецца незаўважаным. Тым не менш вочы многіх насякомых на яго рэагуюць, і яны выкарыстоўваюць адносную палярызацыю безуважлівага выпраменьвання як навігацыйны інструмент. Звычайны святлафільтр фотаапарата, які ўжываецца для памяншэння фонавага выпраменьвання пры яркім сонечным асвятленні, уяўляе сабой просты лінейны палярызатар, які падзяляе натуральны і палярызаванае святло Рэлея.

анізатропных матэрыялы

Эфекты палярызацыі назіраюцца ў аптычна анізатропных матэрыялах (у якіх паказчык праламлення змяняецца з кірункам палярызацыі), такіх як двулучепреломляющие крышталі, некаторыя біялагічныя структуры і аптычна актыўныя матэрыялы. Тэхналагічнае прымяненне ўключае палярызацыйныя мікраскопы, вадкакрысталічныя дысплеі і аптычныя прыборы, якія выкарыстоўваюцца для даследавання матэрыялаў.