Polarizirano i prirodno svjetlo. Razlika između polarizirane svjetlosti i prirodnog

Valovi su dvije vrste. U uzdužnom oscilirajućem smetnji paralelno je smjeru njihovog širenja. Primjer je prolaz zvuka u zraku. Poprečni valovi sastoje se od perturbacija koje su pod kutom od 90 ° prema smjeru pomaka. Tako, na primjer, val, koji prolazi vodoravno kroz masu vode, uzrokuje okomite oscilacije na površini.

Otkriće fenomena

Mnogo tajanstvenih optičkih efekata koji su zabilježeni sredinom 17. stoljeća objašnjeni su kada se polarizirana i prirodna svjetlost počela smatrati valnim fenomenom, a otkrili su se smjerovi njegovih oscilacija. Prvi takozvani učinak polarizacije otkrio je danski liječnik Erasmus Bartolin 1669. godine. Znanstvenik je opažao dvostruko lomljenje ili dvobojni oblik, u Islandu, ili kalcit (kristalni oblik kalcijevog karbonata). Kada svjetlost prođe kroz kalcit, kristal ga dijeli, stvarajući dvije slike pomaknute jedna prema drugoj.

Newton je znao o tom fenomenu i sugerirao da možda svjetlosni sljezovi posjeduju asimetrija ili "jednostranost", što bi mogao biti uzrok formiranja dviju slika. Huygens, suvremenik Newtona, mogao je objasniti dvostruko lom svoje teorije elementarnih valova, ali nije razumio pravi smisao učinka. Do dvostrukog refrakcije ostao je tajna sve do Thomas Young i fizikalac iz Francuske Augustin-Jean Fresnel nije sugerirao da su svjetlosni valovi poprečni. Jednostavna ideja omogućila je objašnjenje što je polarizirano i prirodno svjetlost. Ovo je pod uvjetom da je prirodna i jednostavna osnova za analizu učinaka polarizacije.

Birefringencija uzrokovana je kombinacijom dvije okomite polarizacije, od kojih svaka ima vlastitu brzinu vala. Zbog razlike u brzini, dvije komponente imaju različite refraktivne indekse i stoga se različito reflektiraju kroz materijal, stvarajući dvije slike.

Polarizirano i prirodno svjetlo: Maxwellova teorija

Fresnel je brzo razvio složeni model poprečnih valova, što je dovelo do birefringencije i brojnih drugih optičkih učinaka. Četrdeset godina kasnije, elektromagnetski Maxwellova teorija elegantno je objasnila poprečnu prirodu svjetlosti.

Elektromagnetski valovi Maxwellovi su sastavljeni od magnetskih i električnih polja, oscilirajući okomito na smjer pomaka. Polja su međusobno pod kutom od 90 °. U tom slučaju, smjerovi širenja magnetskog i električnog polja čine desni koordinatni sustav. Za val s frekvencijom f i duljinu lambda- (oni su povezani ovisnošću lambda-f = s), koji se kreće u pozitivnom smjeru x, polja su matematički opisana:

• E (x, t) = E₀cos (2pi-x / lambda- - 2pi-ft) y ^
• B (x, t) = B₀cos (2pi-x / lambda- - 2pi-ft) z ^.

Jednadžbe pokazuju da su električna i magnetska polja u međusobnoj fazi. U bilo kojem trenutku istodobno postižu svoje maksimalne vrijednosti u prostoru jednaku E₀ i B₀. Te amplitude nisu neovisne. Maxwellove jednadžbe pokazuju da E₀ = cB₀ za sve elektromagnetne valove u vakuumu.

Smjer polarizacije

Pri opisivanju orijentacije magnetskih i električnih polja, svjetlosni valovi obično se označavaju samo smjerom električnog polja. Vektor magnetskog polja određuje se zahtjevom o perpendicionalnosti polja i njihovoj okomitosti prema smjeru kretanja. Prirodna i linearno polarizirana svjetlost razlikuje se činjenicom da u drugom polju osciliraju u fiksnim smjerovima dok se val kreće.

Moguće su i druge polarizacijske stanja. U slučaju kružnog oblika, vektori magnetskog i električnog polja rotiraju s obzirom na smjer propagiranja s konstantnom amplitvijom. Eliptički polarizirana svjetlost nalazi se u međupoložaju između linearnih i kružnih polarizacija.

Nepolarizirano svjetlo

Atomi na površini grijanog vlakna koji generiraju elektromagnetsko zračenje djeluju neovisno jedan o drugome. Svako zračenje može biti približno modelirano u obliku kratkih vlakova koji traju od 10^-9 do 10^-8 sekundi. Elektromagnetski val koji emitira iz niti je superpozicija tih vlakova, od kojih svaka ima vlastiti smjer polarizacije. Zbroj nasumično orijentiranih vlakova tvori val čiji polarizacijski vektor varira brzo i nasumično. Takav val nazvan je nepolariziran. sve prirodni izvori svjetlosti, uključujući sunce, žarulje sa žarnom niti, fluorescentne svjetiljke i plamen, proizvode takvo zračenje. Međutim, prirodno svjetlo često djelomično polarizira zbog višestrukog raspršenja i refleksije.

Dakle, razlika između polarizirane svjetlosti i prirodne svjetlosti leži u činjenici da se u prvom oscilacije vrše u jednoj ravnini.

Izvori polariziranog zračenja

Polarizirana svjetlost može se proizvesti u slučajevima gdje je određena prostorna orijentacija. Jedan primjer je sinkrotron radijacija u kojem se čestice napunjene visokim energijom kreću u magnetskom polju i emitiraju polarizirane elektromagnetne valove. Postoje mnogi poznati astronomski izvori koji emitiraju prirodno polariziranu svjetlost. To uključuje maglice, ostatke supernove i aktivne galaktičke jezgre. Proučavan je polarizacija kozmičkog zračenja kako bi se odredile svojstva njegovih izvora.

Polaroid filtar

Polarizirano i prirodno svjetlo se odvajaju tijekom prolaska kroz niz materijala, najčešće je polaroid stvorio američki fizičar Edwin Land. Filtar se sastoji od dugih lanaca ugljikovodičnih molekula usmjerenih u jednom smjeru kroz proces toplinske obrade. Molekule selektivno apsorbiraju zračenje čije je električno polje paralelno s njihovom orijentacijom. Svjetlo koje izlazi iz polaroida linearno je polarizirano. Njegovo električno polje je okomito na orijentaciju molekula. Polaroid je pronašao aplikaciju u mnogim područjima, uključujući sunčane naočale i svjetlosne filtere, čime se smanjuje učinak reflektirane i raspršene svjetlosti.

Prirodna i polarizirana svjetlost: zakon Malusa

Godine 1808. fizičar Etienne-Louis Malius otkrio je da je svjetlo od ne-metalnih površina djelomično polarizirano. Stupanj ovakvog učinka ovisi o kutu učestalosti i indeksu refrakcije reflektirajućeg materijala. U jednoj od ekstremnim slučajevima kada je tangens kuta upada u zraku jednaka je indeks loma reflektirajuća materijala, reflektirano svjetlo postaje potpuno linearno polarizirane. Taj fenomen poznat je kao Brewsterov zakon (nazvan po svom otkriću, škotskom fizičaru Davidu Brewsteru). Smjer polarizacije paralelno s reflektirajućom površinom. Od fluorescentna odsjaj obično javljaju nakon refleksije od horizontalnim površinama kao što su ceste i filtera za vodu se obično koriste u sunčane naočale za boravak horizontalno polarizirano svjetlo i stoga selektivno uklanjanje refleksije svjetlosti.

Rayleigh raspršivanje

Raspršenje svjetlosti po vrlo malih objekata čije dimenzije su mnogo manje od valne duljine (tzv Rayleigh scattering po engleskom znanstveniku Lord Rayleigh), također stvara djelomični polarizaciju. Kad sunčevo zračenje prođe kroz zemaljsku atmosferu, raspršuje ga molekule zraka. Zemlja doseže raspršenu polariziranu i prirodnu svjetlost. Stupanj njegove polarizacije ovisi o kutu raspršivanja. Budući da osoba ne razlikuje prirodnu i polariziranu svjetlost, taj učinak, u pravilu, ostaje nezapažen. Unatoč tome, oči mnogih insekata reagiraju na njega i koriste relativnu polarizaciju raspršenog zračenja kao navigacijskog alata. Normalno filter aparat koji se koristi za smanjenje pozadinskog zračenja na jakom suncu, je jednostavan linearni polarizator, koji razdvaja polarizirane svjetlosti i prirodne Rayleigh.

Anizotropni materijali

Učinci polarizacije uočeni su u optički anizotropnim materijalima (u kojima indeks loma varira s pravcem polarizacije), kao što su kristali koji se birefririziraju, određene biološke strukture i optički aktivne materijale. Tehnološke primjene uključuju polarizacijske mikroskope, zaslone s tekućim kristalima i optičke instrumente koji se koriste za istraživanje materijala.