Polariserat och naturligt ljus. Skillnaden mellan polariserat ljus och naturligt

Vågor är av två slag. I longitudinell oscillatorisk störning är parallell med deras propagationsriktning. Ett exempel är ljudets passage i luften. De tvärgående vågorna består av störningar som ligger i en vinkel på 90 ° mot förskjutningsriktningen. Så till exempel orsakar en våg, som passerar horisontellt genom en massa vatten, vertikala svängningar på dess yta.

Upptäckten av fenomen

Ett antal mystiska optiska effekter observerade imitten av 1700-talet förklarades när polariserat och naturligt ljus började betraktas som ett vågfenomen och riktningarna för dess oscillationer upptäcktes. Den första så kallade polarisationseffekten upptäcktes av den danska läkaren Erasmus Bartolin år 1669. Vetenskapsmannen observerade dubbelbrytning, eller dubbelbrytning, i Island spar, eller kalcit (den kristallina formen av kalciumkarbonat). När ljus passerar genom kalcit splittrar kristallen det, vilket ger två bilder förskjutna i förhållande till varandra.

Newton visste om detta fenomen och föreslog att,kanske ljusets kroppsdelar har asymmetri eller "ensidighet", vilket kan vara orsaken till bildandet av två bilder. Huygens, en modern av Newton, kunde förklara dubbelbrytningen av hans teori om elementära vågor, men han förstod inte den verkliga betydelsen av effekten. Dubbel brytning förblev ett mysterium tills Thomas Young och franska fysiker Augustin-Jean Fresnel föreslog att ljusvågor är tvärgående. En enkel idé gjorde det möjligt att förklara vad polariserat och naturligt ljus är. Detta gav en naturlig och okomplicerad grund för analys av polarisationseffekter.

Dubbelbrytning orsakas av en kombination av tvåvinkelräta polarisationer, som var och en har sin egen våghastighet. På grund av skillnaden i hastighet har de två komponenterna olika brytningsindex, och därför bryts de annorlunda genom materialet och producerar två bilder.

Polariserat och naturligt ljus: Maxwells teori

Fresnel utvecklade snabbt en omfattande modelltvärvågor, vilket ledde till dubbelbrytning och ett antal andra optiska effekter. Fyrtio år senare förklarade Maxwells elektromagnetiska teori elegant ljusets tvärgående natur.

Maxwells elektromagnetiska vågor består avmagnetiska och elektriska fält, oscillerande vinkelrätt mot förskjutningsriktningen. Fälten är 90 ° vinkel mot varandra. I detta fall bildar anvisningarna för förökning av de magnetiska och elektriska fälten ett högerhänt koordinatsystem. För en våg med frekvens f och längd λ (de är kopplade av ett beroende λf = s), som rör sig i positiv x-riktning, beskrivs fälten matematiskt:

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

Ekvationerna visar att de elektriska och magnetiska fälten är i fas med varandra. Vid en viss tid når de samtidigt sina maximala värden i rymden lika med E₀ och B₀. Dessa amplituder är inte oberoende. Maxwell-ekvationerna visar att E₀ = cB₀ för alla elektromagnetiska vågor i vakuum.

Polarisationsriktning

I beskrivningen av magnetiska och elektriska orienteringFält av ljusvågor anger vanligen endast riktningen för det elektriska fältet. Magnetfältets vektor bestäms av kravet på fältets vinkelrätthet och deras vinkelräthet mot rörelseriktningen. Naturligt och linjärt polariserat ljus utmärks av det faktum att fälten i den senare svänger i fasta riktningar när vågan rör sig.

Andra polarisationstillstånd är möjliga. Vid cirkulär roterar vektorerna i de magnetiska och elektriska fälten med avseende på utbredningsriktningen med en konstant amplitud. Elliptiskt polariserat ljus ligger i ett mellanläge mellan linjära och cirkulära polarisationer.

Icke-polariserat ljus

Atomer på ytan av ett uppvärmt filament,som alstrar elektromagnetisk strålning, agerar oberoende av varandra. Varje strålning kan ungefär modelleras i form av korta tåg som varar från 10^-9 upp till 10^-8 sekunder. Den elektromagnetiska våg som härrör från filamentet är en överlagring av dessa tåg, vilka var och en har sin egen polarisationsriktning. Summan av slumpmässigt orienterade tåg bildar en våg vars polarisationsvektor varierar snabbt och slumpmässigt. En sådan våg kallas opolariserad. Alla naturliga ljuskällor, inklusive solen, glödlampor, fluorescerande lampor och flammor, producerar sådan strålning. Naturligt ljus är emellertid ofta delvis polariserat på grund av multipel spridning och reflektion.

Sålunda ligger skillnaden mellan polariserat ljus och naturligt ljus i det faktum att oscillationerna i det första görs i ett plan.

Källor för polariserad strålning

Polariserat ljus kan produceras ifall, när den rumsliga orienteringen bestäms. Ett exempel är den synkrotronstrålning, där hög energi laddade partiklar rör sig i ett magnetfält och avger polariserat elektromagnetisk våg. Det finns många kända astronomiska källor som avger naturligt polariserat ljus. Dessa inkluderar nebulae, supernova rester och aktiva galaktiska kärnor. Polariseringen av kosmisk strålning studeras för att bestämma egenskaperna hos dess källor.

Polaroidfilter

Polariserat och naturligt ljus separerasnär de passerar genom ett antal material, den vanligaste av dessa är Polaroid, skapad av den amerikanske fysikern Edwin Land. Filtret består av långa kedjor av kolvätemolekyler orienterade i en riktning av värmebehandlingsprocessen. Molekyl för att selektivt absorbera strålning, är det elektriska fältet parallellt med deras orientering. Ljuset som lämnar polarisatorn är linjärt polariserat. Dess elektriska fält vinkelrätt mot riktningen för molekylär orientering. Polaroid har funnit tillämpning inom många områden, bland annat solglasögon och filter som reducerar effekten av det reflekterade och spridda ljuset.

Naturligt och polariserat ljus: Malus lag

1808 upptäckte fysiker Etienne-Louis Malius detDet reflekterade ljuset från icke-metalliska ytor polariseras delvis. Graden av denna effekt beror på infallsvinkeln och refraktionsindexet för det reflekterande materialet. I ett av de extrema fallen, när tangenten av strålningsvinkeln i luften är lika med refraktionsmaterialets brytningsindex, blir det reflekterade ljuset fullständigt linjärt polariserat. Detta fenomen är känt som Brewster's Law (namngiven efter upptäckaren, skotsk fysiker David Brewster). Riktning av polarisation parallell med reflekterande yta. Eftersom dagsljuset som regel uppstår när det reflekteras från horisontella ytor som vägar och vatten, används filter ofta i solglasögon för att avlägsna horisontellt polariserat ljus och därför selektivt avlägsna reflektioner av ljus.

Rayleigh spridning

Ljusspridning av mycket små föremål, dimensionervilket är mycket mindre än våglängden (den så kallade Rayleigh-spridningen med namnet på den engelska forskaren Lord Rayleigh) skapar också en partiell polarisering. När solstrålning passerar genom jordens atmosfär, släpps den av luftmolekyler. Jorden når ett diffunderat polariserat och naturligt ljus. Graden av dess polarisering beror på spridningsvinkeln. Eftersom en person inte skiljer mellan naturligt och polariserat ljus, kvarstår denna effekt som regel obemärkt. Ändå svarar många insekters ögon på det, och de använder den relativa polariseringen av spridd strålning som ett navigationsverktyg. Ett konventionellt kamera ljusfilter, som används för att minska bakgrundsstrålningen i starkt solljus, är en enkel linjär polarisator som skiljer det naturliga och polariserade Rayleigh-ljuset.

Anisotropa material

Polarisationseffekter observeras optisktanisotropa material (i vilket brytningsindex varierar med polarisationsriktningen), såsom birefringenta kristaller, vissa biologiska strukturer och optiskt aktiva material. Tekniska tillämpningar inkluderar polarisationsmikroskop, flytande kristallskärmar och optiska instrument som används för materialforskning.