Polariseret og naturligt lys. Forskellen mellem polariseret lys og naturligt

Bølger er af to slags. I langsgående oscillatoriske forstyrrelser er parallel med retningen af ​​deres udbredelse. Et eksempel er lydens passage i luften. De tværgående bølger består af forstyrrelser, der er i en vinkel på 90 ° til forskydningsretningen. Så for eksempel forårsager en bølge, der passerer vandret gennem en masse vand, lodrette svingninger på overfladen.

Opdagelsen af ​​fænomenet

En række mystiske optiske effekter observeret ii midten af ​​det 17. århundrede blev forklaret, da polariseret og naturligt lys begyndte at betragtes som et bølgefænomen, og retningerne af dets svingninger blev opdaget. Den første såkaldte polarisationseffekt blev opdaget af den danske læge Erasmus Bartolin i 1669. Videnskabsmanden observerede dobbeltbrydning, eller dobbeltbrydelse, i Islands spar eller calcit (den krystallinske form af calciumcarbonat). Når lyset passerer gennem kalcit, splittes krystalet og producerer to billeder forskudt i forhold til hinanden.

Newton vidste om dette fænomen og foreslog, at,måske lysets legemer har asymmetri eller "ensidighed", som kunne være årsagen til dannelsen af ​​to billeder. Huygens, en moderne af Newton, kunne forklare den dobbelte brydning af hans teori om elementære bølger, men han forstod ikke virkelighedenes virkelige betydning. Dobbeltbrydning forblev et mysterium, indtil Thomas Young og fransk fysiker Augustin-Jean Fresnel foreslog, at lysbølger er tværgående. En simpel idé gjorde det muligt at forklare, hvad polariseret og naturligt lys er. Dette gav et naturligt og ukompliceret grundlag for analysen af ​​polarisationseffekter.

Dobbelt brydning er forårsaget af en kombination af tovinkelrette polarisationer, der hver har sin egen bølgehastighed. På grund af hastighedsforskellen har de to komponenter forskellige brydningsindekser, og derfor brydes de forskelligt gennem materialet og producerer to billeder.

Polariseret og naturligt lys: Maxwells teori

Fresnel udviklede hurtigt en omfattende modeltværgående bølger, hvilket førte til dobbeltbrydelse og en række andre optiske effekter. Fyrre år senere forklarede Maxwells elektromagnetiske teori elegant lysets tværgående natur.

Maxwells elektromagnetiske bølger består afmagnetiske og elektriske felter, der svinger vinkelret på forskydningsretningen. Feltene er 90 ° vinkel mod hinanden. I dette tilfælde danner retningen for udbredelse af de magnetiske og elektriske felter et højrehåndet koordinatsystem. For en bølge med frekvens f og længde λ (de er forbundet med en afhængighed λf = s), som bevæger sig i den positive x-retning, er felterne beskrevet matematisk:

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

Ligningerne viser, at de elektriske og magnetiske felter er i fase med hinanden. På et hvilket som helst tidspunkt når de samtidig deres maksimale værdier i rummet svarende til E₀ og b₀. Disse amplituder er ikke uafhængige. Maxwell ligningerne viser, at E₀ = cB₀ for alle elektromagnetiske bølger i et vakuum.

Retningslinjer for polarisering

I beskrivelse af orienteringen af ​​magnetiske og elektriskeLette bølgebelys angiver normalt kun retningen af ​​det elektriske felt. Vektoren af ​​magnetfeltet bestemmes af kravet om vinkelrethed af markerne og deres vinkelrethed til bevægelsesretningen. Naturligt og lineært polariseret lys skelnes af, at i sidstnævnte svinger felterne i faste retninger, når bølgen bevæger sig.

Andre polarisationstilstande er mulige. I tilfælde af cirkulære roterer vektorerne af de magnetiske og elektriske felter i forhold til udbredelsesretningen med en konstant amplitude. Elliptisk polariseret lys er i en mellemstilling mellem lineære og cirkulære polarisationer.

Ikke-polariseret lys

Atomer på overfladen af ​​et opvarmet filament,som frembringer elektromagnetisk stråling, handler uafhængigt af hinanden. Hver stråling kan tilnærmelsesvis modelleres i form af korte tog, der varer fra 10^-9 op til 10^-8 sekunder. Elektromagnetiske bølger fra glødetråden, er en superposition af disse tog, som hver har sin egen polarisering retning. Summen af ​​tilfældigt orienterede tog danner en bølge, hvis polarisationsvektor varierer hurtigt og tilfældigt. En sådan bølge kaldes upolariseret. Alle naturlige lyskilder, herunder solen, glødelamper, fluorescerende lamper og flammer, producerer sådan stråling. Naturligt lys er dog ofte delvist polariseret på grund af flere spredning og refleksion.

Således ligger forskellen mellem polariseret lys og naturligt lys i det faktum, at oscillationerne i den første er lavet i et plan.

Kilder til polariseret stråling

Polariseret lys kan produceres itilfælde, når den rumlige orientering er bestemt. Et eksempel er synkrotronstråling, hvor højenergiladede partikler bevæger sig i et magnetfelt og udsender polariserede elektromagnetiske bølger. Der er mange kendte astronomiske kilder, der udsender naturligt polariseret lys. Disse omfatter nebulae, supernova rester og aktive galaktiske kerner. Polariseringen af ​​kosmisk stråling studeres for at bestemme egenskaberne af dets kilder.

Polaroid filter

Polariseret og naturligt lys adskillesnår de passerer gennem en række materialer, hvoraf den mest almindelige er polaroidet, skabt af den amerikanske fysiker Edwin Land. Filteret består af lange kæder af carbonhydridmolekyler, der er orienteret i en retning gennem en varmebehandlingsproces. Molekyler optager selektivt stråling, hvis elektriske felt er parallelt med deres orientering. Lyset der kommer fra polaroid er lineært polariseret. Dets elektriske felt er vinkelret på molekylernes orientering. Polaroid har fundet anvendelse på mange områder, herunder solbriller og lysfiltre, hvilket reducerer effekten af ​​reflekteret og spredt lys.

Naturligt og polariseret lys: Malus lov

I 1808 opdagede fysiker Etienne-Louis Malius detLyset reflekteret fra ikke-metalliske overflader er delvist polariseret. Graden af ​​denne effekt afhænger af indfaldsvinklen og refraktionsindekset af det reflekterende materiale. I et af de ekstreme tilfælde, når tangentet af strålingsvinklen i luften er lig med refleksionsmaterialets brydningsindeks, bliver det reflekterede lys fuldstændigt lineært polariseret. Dette fænomen er kendt som Brewster's lov (opkaldt efter sin opdagelsesrejsende, den skotske fysiker David Brewster). Polariseringsretning parallelt med reflekterende overflade. Da dagslysblænding som regel forekommer, når det afspejles fra vandrette overflader som veje og vand, anvendes filtre ofte i solbriller for at fjerne vandret polariseret lys og fjerner derfor reflektioner af lys selektivt.

Rayleigh spredning

Lysspredning ved meget små genstande, dimensionersom er meget mindre end bølgelængden (den såkaldte Rayleigh-spredning ved navn engelskforsker Lord Rayleigh) skaber også en delvis polarisering. Når solstråling passerer gennem jordens atmosfære, bliver den forsvundet af luftmolekyler. Jorden når et diffunderet polariseret og naturligt lys. Graden af ​​dens polarisering afhænger af spredningsvinklen. Da en person ikke skelner mellem naturligt og polariseret lys, forbliver denne virkning som regel ubemærket. Ikke desto mindre reagerer mange insecters øjne på det, og de bruger den relative polarisation af spredt stråling som et navigationsværktøj. Et konventionelt kamera lysfilter, der bruges til at reducere baggrundsstråling i stærkt sollys, er en simpel lineær polarisator, der adskiller det naturlige og polariserede Rayleigh-lys.

Anisotrope materialer

Polarisationseffekter observeres optiskanisotrope materialer (hvori brydningsindekset varierer med polarisationsretningen), såsom dobbeltbrydende krystaller, nogle biologiske strukturer og optisk aktive materialer. Teknologiske anvendelser omfatter polariserende mikroskoper, LCD-skærme og optiske instrumenter, der anvendes til materialer forskning.