Поляризований і природне світло. Відмінність поляризованого світла від природного
Хвилі бувають двох видів. У поздовжніх коливальний обурення паралельно напрямку їх поширення. Прикладом може служити проходження звуку в повітрі. поперечні хвилі складаються з збурень, які знаходяться під кутом 90 ° до напрямку переміщення. Так, наприклад, хвиля, проходячи горизонтально через масу води, викликає вертикальні коливання на її поверхні.
відкриття явища
Ряд загадкових оптичних ефектів, які спостерігаються в середині XVII століття, був пояснений, коли поляризований і природне світло почав розглядатися як хвильовий феномен і були виявлені напрямки його коливань. Перший так званий ефект поляризації був відкритий датським лікарем Еразм Бартоліні в 1669 році. Вчений спостерігав подвійну рефракцію, або подвійне променезаломлення, в ісландському шпату, або кальциті (кристалічній формі карбонату кальцію). Коли світло проходить через кальцит, кристал розщеплює його, виробляючи два зображення, зміщені відносно один одного.
Ньютон знав про це явище і припустив, що, можливо, корпускули світла мають асиметрією або «однобічністю», яка могла б бути причиною формування двох зображень. Гюйгенс, сучасник Ньютона, зміг пояснити подвійне переломлення своєю теорією елементарних хвиль, але він не зрозумів справжнього змісту ефекту. Подвійне променезаломлення залишалося загадкою, поки Томас Юнг і фізик з Франції Огюстен-Жан Френель не допустити, що світлові хвилі є поперечними. Проста ідея дозволила пояснити, що таке поляризоване і природне світло. Це забезпечило природну і неускладнену основу для аналізу поляризаційних ефектів.
Подвійне променезаломлення викликано комбінацією двох перпендикулярних поляризацій, кожна з яких має свою швидкістю хвилі. Через різницю в швидкості дві складові мають різні показники заломлення, і тому вони по-різному переломлюються через матеріал, виробляючи два зображення.
Поляризований і природне світло: теорія Максвелла
Френель швидко розробив комплексну модель поперечних хвиль, які приводили до подвійного променезаломлення і ряду інших оптичних ефектів. Через сорок років електромагнітна теорія Максвелла елегантно пояснила поперечну природу світла.
Електромагнітні хвилі Максвелла складені з магнітних і електричних полів, тих, хто вагається перпендикулярно напрямку переміщення. Поля знаходяться під кутом 90 ° один одному. При цьому напрямку поширення магнітного і електричного полів утворюють праву систему координат. Для хвилі з частотою f і довжиною &lambda- (вони пов`язані залежністю &lambda-f = з), Яка рухається в позитивному напрямку х, поля описуються математично:
- E (x, t) = E0cos (2&pi-x /&lambda- - 2&pi-ft) y ^ -
- B (x, t) = B0cos (2&pi-x /&lambda- - 2&pi-ft) z ^.
Рівняння показують, що електричне і магнітне поля знаходяться в фазі один з одним. У будь-який даний момент часу вони одночасно досягають своїх максимальних значень в просторі, рівних Е0 і В0. Ці амплітуди не є незалежними. Рівняння Максвелла показують, що Е0 = cB0 для всіх електромагнітних хвиль у вакуумі.
напрямку поляризації
В описі орієнтації магнітного і електричного полів хвилі світла зазвичай вказують тільки напрямок електричного поля. Вектор магнітного поля визначається вимогою про перпендикулярність полів і їх перпендикулярності до напрямку руху. Природний і лінійно поляризоване світло відрізняється тим, що в останньому поля осцилюють в фіксованих напрямках по мірі переміщення хвилі.
Можливі й інші стану поляризації. У разі кругової вектори магнітного і електричного полів обертаються щодо напрямку поширення з постійною амплітудою. Еліптично поляризоване світло знаходиться в проміжному положенні між лінійної і кругової поляризациями.
неполяризоване світло
Атоми на поверхні нагрітої нитки розжарювання, які генерують електромагнітне випромінювання, діють, незалежно один від одного. Кожне випромінювання можна приблизно змоделювати у вигляді коротких цугов тривалістю від 10-9 до 10-8 секунди. Електромагнітна хвиля, яка виходить від нитки розжарювання, являє собою суперпозицію цих цугов, кожен з яких має власний напрям поляризації. Сума орієнтованих випадковим чином цугов утворює хвилю, вектор поляризації якої змінюється швидко і безладно. Така хвиля називається неполяризована. Всі природні джерела світла, включаючи Сонце, лампи розжарювання, люмінесцентні лампи і полум`я, справляють таке випромінювання. Однак природне світло часто буває частково поляризований через множинного розсіювання і відображення.
Відео: Поляризація природного світла при відбитті від скла
Таким чином, відмінність поляризованого світла від природного полягає в тому, що в першому коливання відбуваються в одній площині.
Відео: Поляризація світла, 1981
Джерела поляризованого випромінювання
Поляризоване світло може бути проведений у випадках, коли визначена просторова орієнтація. Одним із прикладів є синхротронне випромінювання, при якому високоенергійні заряджені частинки рухаються в магнітному полі і випромінюють поляризовані електромагнітні хвилі. Існує багато відомих астрономічних джерел, випромінюючих природно поляризоване світло. В їх число входять туманності, залишки наднових і активні галактичні ядра. Поляризація космічного випромінювання вивчається для того, щоб визначити властивості його джерел.
Фільтр поляроїд
Поляризований і природне світло поділяються при проходженні через ряд матеріалів, найбільш поширеним з яких є поляроїд, створений американським фізиком Едвіном Лендом. Фільтр складається з довгих ланцюжків молекул вуглеводнів, орієнтованих в одному напрямку шляхом процесу термічної обробки. Молекули вибірково поглинають випромінювання, електричне поле якого паралельно їх орієнтації. Світло, що виходить з поляроїда, лінійно поляризований. Його електричне поле перпендикулярно напрямку орієнтації молекул. Поляроїд знайшов застосування в багатьох областях, включаючи сонцезахисні окуляри і світлофільтри, що знижують ефект відбитого і розсіяного світла.
Відео: Цікава фотографія, випуск 5: поляризоване світло
Природний і поляризоване світло: закон Малюса
У 1808 році фізик Етьєн-Луї Малюс виявив, що світло, відбите від неметалічних поверхонь, частково поляризується. Ступінь цього ефекту залежить від кута падіння і показника заломлення відображає матеріалу. В одному з крайніх випадків, коли тангенс кута падіння променя в повітрі дорівнює показнику заломлення відображає матеріалу, відбите світло стає повністю лінійно поляризованим. Це явище відоме як закон Брюстера (названий так на честь його першовідкривача, шотландського фізика Девіда Брюстера). Напрямок поляризації паралельно поверхні, що відбиває. Так як денні відблиски, як правило, виникають при відображенні від горизонтальних поверхонь, таких як дороги і вода, в сонячних окулярах часто використовуються фільтри, щоб зняти горизонтально поляризоване світло і, отже, вибірково видалити відблиски світла.
релєєвськоє розсіювання
Розсіювання світла дуже дрібними об`єктами, розміри яких набагато менше довжини хвилі (так зване релєєвськоє розсіювання по імені англійського вченого лорда Релея), також створює часткову поляризацію. Коли сонячне випромінювання проходить через земну атмосферу, воно розсіюється молекулами повітря. Землі досягає розсіяний поляризований і природне світло. Ступінь його поляризації залежить від кута розсіювання. Оскільки людина не розрізняє природний і поляризоване світло, то цей ефект, як правило, залишається непоміченим. Проте очі багатьох комах на нього реагують, і вони використовують відносну поляризацію розсіяного випромінювання як навігаційний інструмент. Звичайний світлофільтр фотоапарата, застосовуваний для зменшення фонового випромінювання при яскравому сонячному освітленні, являє собою простий лінійний поляризатор, який розділяє природний і поляризоване світло Релея.
Відео: Поляризація світла
анізотропні матеріали
Ефекти поляризації спостерігаються в оптично анізотропних матеріалах (в яких показник заломлення змінюється з напрямком поляризації), таких як двулучепреломляющие кристали, деякі біологічні структури і оптично активні матеріали. Технологічне застосування включає поляризаційні мікроскопи, рідкокристалічні дисплеї та оптичні прилади, які використовуються для дослідження матеріалів.
