Dnes odhalíme podstatu vlnové podstaty světla as tím související jev „stupeň polarizace“.
Schopnost vidět a svítit
Povaha světla as ním spojená schopnost vidění znepokojovala lidskou mysl po dlouhou dobu. Staří Řekové ve snaze vysvětlit vidění předpokládali: buď oko vyzařuje určité „paprsky“, které „cítí“okolní předměty, a tím informují osobu o jejich vzhledu a tvaru, nebo věci samy vyzařují něco, co lidé zachycují a soudí, jak vše funguje. Ukázalo se, že teorie jsou daleko od pravdy: živé bytosti vidí díky odraženému světlu. Od uvědomění si této skutečnosti k možnosti vypočítat, jaký je stupeň polarizace, zbýval jeden krok – pochopit, že světlo je vlna.
Světlo je vlna
Při podrobnějším studiu světla se ukázalo, že bez rušení se šíří přímočaře a nikam se neotáčí. Pokud se paprsku dostane do cesty neprůhledná překážka, pak se tvoří stíny a kam jde samotné světlo, to lidi nezajímalo. Ale jakmile se záření srazilo s průhledným médiem, staly se úžasné věci: paprsek změnil směrrozprostřel a ztlumil. V roce 1678 H. Huygens navrhl, že to lze vysvětlit jediným faktem: světlo je vlna. Vědec vytvořil Huygensův princip, který později doplnil Fresnel. Díky tomu, co dnes lidé vědí, jak určit stupeň polarizace.
Huygens-Fresnelův princip
Podle tohoto principu je jakýkoli bod média, do kterého se vlnoplocha dostane, sekundárním zdrojem koherentního záření a obálka všech čel těchto bodů působí v příštím časovém okamžiku jako čelo vlny. Pokud se tedy světlo šíří bez interference, v každém dalším okamžiku bude čelo vlny stejné jako v předchozím. Jakmile ale paprsek narazí na překážku, vstupuje do hry další faktor: v odlišných prostředích se světlo šíří různou rychlostí. Foton, kterému se podařilo dosáhnout druhého média jako prvnímu, se v něm tedy bude šířit rychleji než poslední foton z paprsku. Čelo vlny se proto nakloní. Míra polarizace s tím zatím nemá nic společného, ale je prostě nutné tomuto jevu plně porozumět.
Čas procesu
Je třeba zvlášť říci, že všechny tyto změny probíhají neuvěřitelně rychle. Rychlost světla ve vakuu je tři sta tisíc kilometrů za sekundu. Jakékoli médium zpomaluje světlo, ale ne o mnoho. Doba, po kterou je vlnoplocha deformována při pohybu z jednoho prostředí do druhého (například ze vzduchu do vody), je extrémně krátká. Lidské oko si toho nevšimne a jen málo zařízení je schopno opravit tak krátkou dobuprocesy. Vyplatí se tedy chápat jev čistě teoreticky. Nyní, s plným vědomím toho, co je záření, bude čtenář chtít pochopit, jak zjistit stupeň polarizace světla? Neklamme jeho očekávání.
Polarizace světla
Výše jsme již zmínili, že fotony světla mají v různých médiích různé rychlosti. Protože světlo je příčná elektromagnetická vlna (nejedná se o kondenzaci a zředění média), má dvě hlavní charakteristiky:
- vlnový vektor;
- amplituda (také vektorová veličina).
První charakteristika udává, kam je směrován světelný paprsek, a vzniká polarizační vektor, tedy jakým směrem je směrován vektor intenzity elektrického pole. To umožňuje rotaci kolem vlnového vektoru. Přirozené světlo, jako je to vyzařované sluncem, nemá žádnou polarizaci. Oscilace jsou distribuovány ve všech směrech se stejnou pravděpodobností, neexistuje žádný zvolený směr nebo vzor, podél kterého kmitá konec vlnového vektoru.
Typy polarizovaného světla
Než se naučíte vypočítat vzorec pro stupeň polarizace a provést výpočty, měli byste pochopit, jaké typy polarizovaného světla jsou.
- Eliptická polarizace. Konec vlnového vektoru takového světla popisuje elipsu.
- Lineární polarizace. Toto je zvláštní případ první možnosti. Jak název napovídá, obrázek je jednosměrný.
- Kruhová polarizace. Jiným způsobem se také nazývá kruhový.
Jakékoli přirozené světlo může být reprezentováno jako součet dvou vzájemně kolmých polarizovaných prvků. Stojí za to připomenout, že dvě kolmo polarizované vlny neinteragují. Jejich interference je nemožná, protože z hlediska vzájemného působení amplitud se zdá, že jedna pro druhou neexistují. Když se potkají, jen předávají dál, aniž by se změnili.
Částečně polarizované světlo
Použití polarizačního efektu je obrovské. Nasměrováním přirozeného světla na objekt a přijetím částečně polarizovaného světla mohou vědci posoudit vlastnosti povrchu. Jak ale určíte stupeň polarizace částečně polarizovaného světla?
Existuje vzorec pro N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), kde Itrans je intenzita světla ve směru kolmém k rovině polarizátoru nebo odrazné plochy a I par- paralelní. Hodnota P může nabývat hodnot od 0 (pro přirozené světlo bez jakékoli polarizace) do 1 (pro rovinně polarizované záření).
Lze přirozené světlo polarizovat?
Ta otázka je na první pohled zvláštní. Koneckonců, záření, ve kterém neexistují žádné rozlišené směry, se obvykle nazývá přirozené. Pro obyvatele zemského povrchu jde však v jistém smyslu o přiblížení. Slunce dává proud elektromagnetických vln různých délek. Toto záření není polarizované. Ale míjenípřes silnou vrstvu atmosféry získává záření mírnou polarizaci. Stupeň polarizace přirozeného světla tedy obecně není nulový. Ale hodnota je tak malá, že je často opomíjena. Bere se v úvahu pouze v případě přesných astronomických výpočtů, kde sebemenší chyba může přidat roky hvězdě nebo vzdálenosti do naší soustavy.
Proč se světlo polarizuje?
Často jsme výše říkali, že fotony se v odlišných médiích chovají odlišně. Ale nezmínili proč. Odpověď závisí na tom, o jakém prostředí mluvíme, jinými slovy, v jakém agregovaném stavu se nachází.
- Médium je krystalické těleso s přísně periodickou strukturou. Obvykle je struktura takové látky reprezentována jako mřížka s pevnými kuličkami - ionty. Ale obecně to není úplně přesné. Taková aproximace je často oprávněná, ale ne v případě interakce krystalu a elektromagnetického záření. Ve skutečnosti každý ion kmitá kolem své rovnovážné polohy, a ne náhodně, ale podle toho, jaké má sousedy, v jakých vzdálenostech a kolik jich. Protože všechny tyto vibrace jsou přísně naprogramovány tuhým médiem, je tento iont schopen emitovat absorbovaný foton pouze v přesně definované formě. Z této skutečnosti vyplývá další: jaká bude polarizace odcházejícího fotonu závisí na směru, kterým vstoupil do krystalu. Tomu se říká anizotropie vlastností.
- Středa – tekutá. Zde je odpověď složitější, protože působí dva faktory - složitost molekul akolísání (kondenzace-rarefakce) hustoty. Složité dlouhé organické molekuly mají samy o sobě určitou strukturu. Ani ty nejjednodušší molekuly kyseliny sírové nejsou chaotickou kulovou sraženinou, ale velmi specifickým křížovým tvarem. Další věc je, že za normálních podmínek jsou všechny uspořádány náhodně. Druhý faktor (fluktuace) je však schopen vytvořit podmínky, za kterých malý počet molekul tvoří v malém objemu něco jako dočasnou strukturu. V tomto případě budou buď všechny molekuly společně nasměrovány, nebo budou umístěny vzájemně vůči sobě v určitých specifických úhlech. Pokud světlo v tomto okamžiku prochází takovým úsekem kapaliny, získá částečnou polarizaci. To vede k závěru, že teplota silně ovlivňuje polarizaci kapaliny: čím vyšší teplota, tím závažnější turbulence a tím více takových oblastí vznikne. Poslední závěr existuje díky teorii sebeorganizace.
- Středa – plyn. V případě homogenního plynu dochází vlivem kolísání k polarizaci. Proto přirozené světlo Slunce, procházející atmosférou, získává malou polarizaci. A proto je barva oblohy modrá: průměrná velikost zhutněných prvků je taková, že modré a fialové elektromagnetické záření je rozptýleno. Ale pokud máme co do činění se směsí plynů, pak je mnohem obtížnější vypočítat stupeň polarizace. Tyto problémy často řeší astronomové, kteří studují světlo hvězdy, která prošla hustým molekulárním oblakem plynu. Proto je tak obtížné a zajímavé studovat vzdálené galaxie a kupy. Aleastronomové se vyrovnávají a dávají lidem úžasné fotografie hlubokého vesmíru.
