Heute werden wir die Essenz der Wellennatur des Lichts und das damit verbundene Phänomen „Polarisationsgrad“enthüllen.
Die Fähigkeit zu sehen und zu beleuchten
Die Natur des Lichts und die damit verbundene Fähigkeit zu sehen, beschäftigt die Menschen seit langem. Die alten Griechen, die versuchten, das Sehen zu erklären, gingen davon aus: Entweder sendet das Auge bestimmte „Strahlen“aus, die die umgebenden Objekte „fühlen“und dadurch die Person über ihr Aussehen und ihre Form informieren, oder die Dinge selbst strahlen etwas aus, das die Menschen erfassen und wie alles beurteilen funktioniert. Theorien erwiesen sich als weit von der Wahrheit entfernt: Lebewesen sehen dank reflektiertem Licht. Von der Erkenntnis dieser Tatsache bis zur Berechnung des Polarisationsgrades war nur noch ein Schritt übrig – zu verstehen, dass Licht eine Welle ist.
Licht ist eine Welle
Bei einer genaueren Untersuchung des Lichts stellte sich heraus, dass es sich ohne Interferenz geradlinig ausbreitet und sich nirgendwohin dreht. Wenn ein undurchsichtiges Hindernis dem Strahl im Weg steht, bilden sich Schatten, und wohin das Licht selbst geht, interessierte die Menschen nicht. Doch sobald die Strahlung auf ein transparentes Medium traf, passierte Erstaunliches: Der Strahl änderte seine Richtunggespreizt und gedimmt. 1678 schlug H. Huygens vor, dass dies durch eine einzige Tatsache erklärt werden kann: Licht ist eine Welle. Der Wissenschaftler formte das Huygens-Prinzip, das später durch Fresnel ergänzt wurde. Dank dem, was die Menschen heute wissen, wie man den Grad der Polarisierung bestimmt.
Huygens-Fresnel-Prinzip
Nach diesem Prinzip ist jeder Punkt des Mediums, der von der Wellenfront erreicht wird, eine sekundäre Quelle kohärenter Strahlung, und die Einhüllende aller Fronten dieser Punkte wirkt im nächsten Moment als Wellenfront. Wenn sich Licht also ungestört ausbreitet, ist die Wellenfront in jedem nächsten Moment dieselbe wie im vorherigen. Doch sobald der Strahl auf ein Hindernis trifft, kommt ein weiterer Faktor hinzu: In ungleichen Medien breitet sich Licht unterschiedlich schnell aus. Somit breitet sich das Photon, das zuerst das andere Medium erreicht hat, darin schneller aus als das letzte Photon des Strahls. Daher wird die Wellenfront kippen. Der Grad der Polarisierung hat damit noch nichts zu tun, aber es ist einfach notwendig, dieses Phänomen vollständig zu verstehen.
Bearbeitungszeit
Es sollte separat gesagt werden, dass all diese Veränderungen unglaublich schnell vonstatten gehen. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt dreihunderttausend Kilometer pro Sekunde. Jedes Medium verlangsamt das Licht, aber nicht viel. Die Zeit, in der die Wellenfront beim Übergang von einem Medium in ein anderes (z. B. von Luft zu Wasser) verzerrt wird, ist extrem kurz. Das menschliche Auge kann dies nicht bemerken, und nur wenige Geräte sind in der Lage, so kurz zu fixierenProzesse. Es lohnt sich also, das Phänomen rein theoretisch zu verstehen. Der Leser ist sich nun bewusst, was Strahlung ist, und möchte verstehen, wie man den Polarisationsgrad von Licht findet. Täuschen wir seine Erwartungen nicht.
Polarisation des Lichts
Wir haben bereits oben erwähnt, dass Lichtphotonen in verschiedenen Medien unterschiedliche Geschwindigkeiten haben. Da Licht eine transversale elektromagnetische Welle ist (es ist keine Verdichtung und Verdünnung des Mediums), hat es zwei Haupteigenschaften:
- Wellenvektor;
- Amplitude (auch eine Vektorgröße).
Das erste Merkmal gibt an, wohin der Lichtstrahl gerichtet ist, und es entsteht der Polarisationsvektor, also in welche Richtung der Vektor der elektrischen Feldstärke gerichtet ist. Dadurch ist eine Rotation um den Wellenvektor möglich. Natürliches Licht, wie es von der Sonne ausgestrahlt wird, hat keine Polarisation. Schwingungen werden mit gleicher Wahrscheinlichkeit in alle Richtungen verteilt, es gibt keine gewählte Richtung oder Muster, entlang dem das Ende des Wellenvektors schwingt.
Arten von polarisiertem Licht
Bevor du lernst, die Formel für den Polarisationsgrad zu berechnen und Berechnungen anzustellen, solltest du verstehen, welche Arten von polarisiertem Licht es gibt.
- Elliptische Polarisation. Das Ende des Wellenvektors eines solchen Lichts beschreibt eine Ellipse.
- Lineare Polarisation. Dies ist ein Spezialfall der ersten Option. Wie der Name schon sagt, ist das Bild eine Richtung.
- Zirkulare Polarisation. Auf andere Weise wird es auch kreisförmig genannt.
Jedes natürliche Licht kann als Summe zweier senkrecht zueinander polarisierter Elemente dargestellt werden. Es sei daran erinnert, dass zwei senkrecht polarisierte Wellen nicht interagieren. Ihre Interferenz ist unmöglich, da sie vom Standpunkt der Wechselwirkung der Amplituden aus nicht füreinander zu existieren scheinen. Wenn sie sich treffen, gehen sie einfach weiter, ohne sich umzuziehen.
Teilweise polarisiertes Licht
Die Anwendung des Polarisationseffekts ist enorm. Indem natürliches Licht auf ein Objekt gerichtet und teilweise polarisiertes Licht empfangen wird, können Wissenschaftler die Eigenschaften der Oberfläche beurteilen. Aber wie bestimmt man den Polarisationsgrad von teilweise polarisiertem Licht?
Es gibt eine Formel für N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), wobei Itrans die Lichtintensität in der Richtung senkrecht zur Ebene des Polarisators oder der reflektierenden Oberfläche und I ist par- parallel. Der P-Wert kann Werte von 0 (für natürliches Licht ohne Polarisation) bis 1 (für linear polarisierte Strahlung) annehmen.
Kann natürliches Licht polarisiert werden?
Die Frage ist auf den ersten Blick seltsam. Schließlich wird Strahlung, bei der es keine ausgeprägten Richtungen gibt, normalerweise als natürlich bezeichnet. Für die Bewohner der Erdoberfläche ist dies jedoch in gewisser Weise eine Annäherung. Die Sonne gibt einen Strom elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Länge ab. Diese Strahlung ist nicht polarisiert. Aber vorbeiDurch eine dicke Schicht der Atmosphäre erhält die Strahlung eine leichte Polarisation. Der Polarisationsgrad des natürlichen Lichts ist also im Allgemeinen nicht Null. Aber der Wert ist so gering, dass er oft vernachlässigt wird. Es wird nur bei präzisen astronomischen Berechnungen berücksichtigt, bei denen der kleinste Fehler den Stern um Jahre oder die Entfernung zu unserem System verlängern kann.
Warum polarisiert Licht?
Wir haben oben oft gesagt, dass sich Photonen in unterschiedlichen Medien unterschiedlich verh alten. Aber sie haben nicht erwähnt, warum. Die Antwort hängt davon ab, um was für eine Umgebung es sich handelt, also in welchem Aggregatzustand sie sich befindet.
- Das Medium ist ein kristalliner Körper mit streng periodischer Struktur. Normalerweise wird die Struktur einer solchen Substanz als Gitter mit festen Kugeln - Ionen - dargestellt. Aber im Allgemeinen ist dies nicht ganz richtig. Eine solche Annäherung ist oft gerechtfertigt, nicht jedoch bei der Wechselwirkung eines Kristalls mit elektromagnetischer Strahlung. Tatsächlich schwingt jedes Ion um seine Gleichgewichtslage, und zwar nicht zufällig, sondern je nachdem, welche Nachbarn es in welchen Abständen und wie viele davon hat. Da all diese Schwingungen durch ein starres Medium streng programmiert sind, kann dieses Ion ein absorbiertes Photon nur in genau definierter Form aussenden. Diese Tatsache führt zu einer weiteren: Welche Polarisation das ausgehende Photon haben wird, hängt von der Richtung ab, in der es in den Kristall eingetreten ist. Dies wird Eigenschaftsanisotropie genannt.
- Mittwoch - flüssig. Hier ist die Antwort komplizierter, da zwei Faktoren am Werk sind - die Komplexität der Moleküle undSchwankungen (Kondensationsverdünnung) der Dichte. An sich haben komplexe lange organische Moleküle eine bestimmte Struktur. Selbst die einfachsten Schwefelsäuremoleküle sind kein chaotischer kugelförmiger Klumpen, sondern eine ganz bestimmte Kreuzform. Eine andere Sache ist, dass sie unter normalen Bedingungen alle zufällig angeordnet sind. Der zweite Faktor (Fluktuation) ist jedoch in der Lage, Bedingungen zu schaffen, unter denen eine kleine Anzahl von Molekülen in einem kleinen Volumen so etwas wie eine temporäre Struktur bilden. In diesem Fall werden entweder alle Moleküle gemeinsam ausgerichtet oder sie werden in bestimmten Winkeln relativ zueinander angeordnet. Wenn Licht zu diesem Zeitpunkt durch einen solchen Abschnitt der Flüssigkeit geht, erhält es eine teilweise Polarisation. Daraus lässt sich schließen, dass die Temperatur die Polarisation der Flüssigkeit stark beeinflusst: Je höher die Temperatur, desto stärker die Turbulenzen und desto mehr solche Bereiche werden gebildet. Die letzte Schlussfolgerung existiert dank der Theorie der Selbstorganisation.
- Mittwoch - Benzin. Bei einem homogenen Gas tritt Polarisation aufgrund von Schwankungen auf. Aus diesem Grund erhält das natürliche Licht der Sonne, das die Atmosphäre durchdringt, eine kleine Polarisation. Und deshalb ist die Farbe des Himmels blau: Die durchschnittliche Größe der kompaktierten Elemente ist so groß, dass blaue und violette elektromagnetische Strahlung gestreut wird. Aber wenn wir es mit einem Gasgemisch zu tun haben, dann ist es viel schwieriger, den Polarisationsgrad zu berechnen. Diese Probleme werden oft von Astronomen gelöst, die das Licht eines Sterns untersuchen, der eine dichte molekulare Gaswolke passiert hat. Daher ist es so schwierig und interessant, entfernte Galaxien und Haufen zu untersuchen. AberAstronomen kommen damit zurecht und geben den Menschen erstaunliche Fotos aus dem Weltraum.
