Polarizované a prirodzené svetlo. Rozdiel medzi polarizovaným svetlom a prirodzeným

Vlny sú dva druhy. Pri pozdĺžnom oscilačnom narušení je paralelné so smerom ich šírenia. Príkladom je prechod zvuku do vzduchu. Priečne vlny pozostávajú z porúch, ktoré sú v uhle 90 ° voči smeru posuvu. Takže napríklad vlna, ktorá prechádza vodorovne cez množstvo vody, spôsobuje na jej povrchu zvislé kmity.

Objav javu

Zaznamenalo sa množstvo záhadných optických účinkovv polovici 17. storočia, bolo vysvetlené, keď sa polarizované a prirodzené svetlo začalo považovať za fenomén vlny a objavili sa smery jeho oscilácií. Prvý takzvaný polarizačný efekt objavil dánsky lekár Erasmus Bartolin v roku 1669. Vedec pozoroval dvojitý lom alebo birefringenciu v islandskej dutine alebo kalcit (kryštalická forma uhličitanu vápenatého). Keď svetlo prechádza cez kalcit, kryštál sa rozdelí a produkuje dva obrazy vytesané vzájomne voči sebe.

Newton vedel o tomto fenoméne a navrhol,možno krvinky svetla majú asymetriu alebo "jednostrannosť", čo môže byť príčinou vzniku dvoch obrazov. Huygens, súčasník Newtonu, dokázal vysvetliť dvojitý lom tejto teórie elementárnych vĺn, ale nerozumel skutočnému zmyslu tohto efektu. Dvojitá refrakcia zostala tajomstvom, kým Thomas Young a francúzsky fyzik Augustin-Jean Fresnel navrhli, že svetlé vlny sú priečne. Jednoduchý nápad umožnil vysvetliť, čo je polarizované a prirodzené svetlo. To poskytlo prirodzený a nekomplikovaný základ pre analýzu polarizačných účinkov.

Dvojité lom je spôsobené kombináciou dvochkolmé polarizácie, z ktorých každá má vlastnú rýchlosť vlny. Vzhľadom na rozdiel v rýchlosti majú tieto dve zložky rôzne indexy lomu, a preto sú iným spôsobom lomené cez materiál a vytvárajú dva obrazy.

Polarizované a prirodzené svetlo: Maxwellova teória

Fresnel rýchlo vyvinul komplexný modelpriečnych vĺn, ktoré viedli k birefringencii a mnohým ďalším optickým efektom. Štyridsať rokov neskôr Maxwellova elektromagnetická teória elegantne vysvetlila priečnu povahu svetla.

Maxwellove elektromagnetické vlny sú tvorenémagnetické a elektrické pole kolmo na smer posuvu. Polia sú v uhle 90 ° navzájom. V tomto prípade smer šírenia magnetických a elektrických polí vytvára pravostranný súradnicový systém. Pre vlnu s frekvenciou F a dĺžka λ (sú spojené závislosťou λf = s), ktorá sa pohybuje v pozitívnom smere x, sú polia opísané matematicky:

• E (x, t) = E₀cos (2πx / λ - 2πft) y ^;
• B (x, t) = B₀cos (2πx / λ - 2πft) z ^.

Rovnice ukazujú, že elektrické a magnetické polia sú navzájom fázové. V každom čase dosiahnu súčasne maximálne hodnoty v priestore rovnajúce sa E₀ a B₀, Tieto amplitúdy nie sú nezávislé. Maxwellove rovnice ukazujú, že E₀ = cB₀ pre všetky elektromagnetické vlny vo vákuu.

Smery polarizácie

Pri opise orientácie magnetického a elektrickéhoOblasti svetelných vĺn zvyčajne ukazujú iba smer elektrického poľa. Vektor magnetického poľa je určený požiadavkou kolmosti polí a ich kolmosti na smer pohybu. Prirodzené a lineárne polarizované svetlo sa vyznačuje tým, že polia oscilujú v pohybe vlny v pevných smeroch.

Iné polarizačné stavy sú možné. V prípade kruhu sa vektory magnetických a elektrických polí otáčajú vzhľadom na smer šírenia konštantnou amplitúdou. Elipticky polarizované svetlo je v medziľahlej polohe medzi lineárnymi a kruhovými polarizáciami.

Nepolarizované svetlo

Atómov na povrchu vyhrievaného vlákna,ktoré vytvárajú elektromagnetické žiarenie, pôsobia nezávisle od seba. Každé žiarenie môže byť približne modelované vo forme krátkych vlakov s trvaním od 10^-9 až do 10^-8 sekúnd. Elektromagnetická vlna vychádzajúca z vlákna je superpozíciou týchto vlakov, z ktorých každá má svoj vlastný smer polarizácie. Súčet náhodne orientovaných vlakov tvorí vlnu, ktorej polarizačný vektor sa rýchlo a náhodne mení. Takáto vlna sa nazýva nepolarizovaná. Všetky prírodné zdroje svetla, vrátane Slnka, žiarovky, žiarivky a plamene, vytvárajú také žiarenie. Prirodzené svetlo je však často čiastočne polarizované kvôli rozptýleniu a odrazu.

Takže rozdiel medzi polarizovaným svetlom a prirodzeným svetlom spočíva v tom, že v prvej sa oscilácie uskutočňujú v jednej rovine.

Zdroje polarizovaného žiarenia

Môže sa vyrábať polarizované svetloprípadov, keď je určená priestorová orientácia. Jedným príkladom je synchrotrónové žiarenie, pri ktorom sa častice s vysokou energiou nabité v magnetickom poli vysielajú polarizované elektromagnetické vlny. Existuje mnoho známych astronomických zdrojov, ktoré emitujú prirodzene polarizované svetlo. Patria medzi ne hmloviny, pozostatky supernov a aktívne galaktické jadrá. Polarizácia kozmického žiarenia sa skúma s cieľom určiť vlastnosti jeho zdrojov.

Polaroid filter

Polarizované a prirodzené svetlo sú oddelenépri prechode mnohými materiálmi, z ktorých najbežnejší je polaroid, ktorý vytvoril americký fyzik Edwin Land. Filter pozostáva z dlhých reťazcov uhľovodíkových molekúl orientovaných v jednom smere procesom tepelného spracovania. Molekuly selektívne absorbujú žiarenie, ktorého elektrické pole je paralelné s orientáciou. Svetlo vychádzajúce z polaroidu je lineárne polarizované. Jeho elektrické pole je kolmé na orientáciu molekúl. Polaroid našiel svoju aplikáciu v mnohých oblastiach, vrátane slnečných okuliarov a svetelných filtrov, ktoré znižujú vplyv odrazeného a rozptýleného svetla.

Prirodzené a polarizované svetlo: zákon Malus

V roku 1808 to fyzik Etienne-Louis Malius zistilSvetlo odrazené od nekovových povrchov je čiastočne polarizované. Stupeň tohto účinku závisí od uhla dopadu a indexu lomu odrážajúceho materiálu. V jednom z extrémnych prípadov, keď dotyčnica uhla výskytu lúča vo vzduchu je rovná indexu lomu odrážajúceho materiálu, odrazené svetlo sa stáva úplne lineárne polarizované. Tento jav je známy ako Brewsterov zákon (pomenovaný po jeho objaviteľovi, škótskym fyzikom Davidom Brewsterom). Smer polarizácie rovnobežná s odraznou plochou. Vzhľadom na to, fluorescenčné oslnenia sa zvyčajne vyskytujú pri odraze od vodorovnej plochy, ako sú cesty a vodných filtrov sa bežne používajú v okuliaroch zostať vodorovne polarizované svetlo, a preto selektívne odstrániť odrazy svetla.

Rayleighov rozptyl

Rozptyl svetla veľmi malými predmetmi, rozmermiktorá je oveľa menšia ako vlnová dĺžka (takzvaný Rayleighov rozptyl pod menom anglického vedca Lorda Rayleigha), tiež vytvára čiastočnú polarizáciu. Ak slnečné svetlo prechádza zemskej atmosféry, je rozptýlený molekúl vzduchu. Krajina a dosahuje rozptýlené polarizované prirodzené svetlo. Stupeň polarizácie je závislý na uhle rozptylu. Vzhľadom k tomu človek nerozlišuje medzi prirodzeným a polarizovaného svetla, tento účinok väčšinou bez povšimnutia. Avšak, oči mnohých druhov hmyzu reagujú na neho, a oni používajú relatívnej polarizáciu rozptýleného žiarenia ako navigačný nástroj. Normálne filter fotoaparát, ktorý sa používa na zníženie žiarenia na pozadí za jasného slnečného svetla, je jednoduchá lineárny polarizátor, ktorý oddeľuje polarizované svetlo a prírodné Rayleigh.

Anizotropné materiály

Polarizačné účinky sa pozorujú optickyanizotropné materiály (v ktorých sa index lomu mení v smere polarizácie), ako sú dvojzložkové kryštály, určité biologické štruktúry a opticky aktívne materiály. Technologické aplikácie zahŕňajú polarizačné mikroskopy, displeje z tekutých kryštálov a optické prístroje používané na materiálový výskum.