Luce polarizzata e naturale: concetto, differenze, leggi

Oggi parleremo della luce polarizzata e naturale. Quali sono le loro differenze e come viene creata la polarizzazione quando si passa attraverso una sostanza?

La luce è un'onda

Prima di intraprendere concetti più complessi, dobbiamo prima spiegare cos'è la luce.

Per molto tempo, gli esperimenti con la riflessione e la rifrazione hanno convinto gli scienziati: la luce ha la natura di un'onda, cioè è un'oscillazione di un campo. Ad esempio, Huygens derivò e Fresnel completò il principio. Secondo quest'ultimo, ogni punto del mezzo, a cui il fronte d'onda ha raggiunto, diventa una fonte secondaria di luce. Ma la luce polarizzata e la luce naturale sono diverse, non solo perché sono onde. Newton credeva: i raggi sono composti da alcune delle particelle più piccole - i corpuscoli. Così, ha anticipato la teoria quantistica degli elementi più piccoli del nostro mondo, questi includono i fotoni.

Dualismo a onde corpuscolari

Esperimenti Lebedev ha convinto il mondo scientifico: la luce è in grado di esercitare pressione sulle cose circostanti. Prima del ricercatore c'erano molte difficoltà tecniche. Nonostante ciò, ha dimostrato che i fotoni di luce trasmettono un moto non-zero alle superfici quando incontrano un ostacolo. Questo fenomeno ha lasciato perplessi gli scienziati. Com'è stato possibile collegare insieme le proprietà ondulatorie e la materialità della massa?

Di conseguenza, i ricercatori dovevano ammettere: ogni particella elementare è sia un'onda che un oggetto materiale. I fotoni hanno come segni di un oscillatore (Lunghezza d'onda, frequenza e ampiezza) e caratteristiche della sostanza materiale (massa, quantità di moto ed energia). Questo è il principio della dualità onda-particella. Doveva anche capire esattamente come un'onda apparentemente infinita con una massa finita esiste e si muove nello spazio. Il concetto di "quantum" è venuto in soccorso: è il pacchetto più piccolo di un certo insieme comune che si muove e interagisce con una sostanza. Ad esempio, la luce polarizzata e la luce naturale sono quanti del campo elettromagnetico. Ma un tale ambiente non è l'unico soggetto alla quantizzazione. Ci sono anche quanti:

• campo gravitazionale (i gravitoni sono previsti solo teoricamente, gli scienziati sono arrivati ​​molto vicino a dimostrare la loro esistenza);
• campo gluoni (i gluoni, a differenza dei gravitoni, trovati);
• interazione collettiva dei nodi reticolo cristallino i solidi (i fononi, ad esempio, sono responsabili della conversione della radiazione elettromagnetica nei cristalli nel suono).

Tuttavia, per immaginare perché la luce è polarizzata, la conoscenza descritta sopra non è sufficiente. È necessario sforzare l'immaginazione spaziale.

Come è polarizzata la luce?

Come abbiamo spiegato sopra, la luce è un'onda. Ma le oscillazioni elettromagnetiche, a differenza del mare, non si limitano a muovere il campo su e giù. La direzione di propagazione delle onde mostra l'onda vettoriale. vettore ampiezza in grado di ruotare attorno all'onda. Ci possono essere molti tipi di questa rotazione. Il vettore dell'ampiezza è inteso come la direzione in cui si muove l'ampiezza dell'onda in un dato momento.

Qualsiasi fonte estesa come una lampada a incandescenza o il Sole genera fotoni di tutti i tipi possibili. Il vettore dell'ampiezza è diretto a tale radiazione caoticamente. Adesso immagina un cappello a cilindro. Si muove in avanti lungo il suo asse principale, ma allo stesso tempo ruota attorno ad esso. E il punto sul lato del cilindro mostrerà la forma del movimento del vettore di ampiezza di un'onda circolarmente polarizzata. Un altro concetto è collegato alle costruzioni spaziali: "vettore di luce". Indica la direzione della densità del flusso. Questo valore imposta l'intensità e la direzione del trasferimento di energia della luce. Questo termine è usato di rado, di regola, nei testi tecnici applicati, in cui è risolto il problema dell'illuminazione di luoghi specifici con lampade o proiettori. I libri di fisica, ad esempio, libri di testo e libri di riferimento costano concetti semplici e fondamentali.

Perché la luce è polarizzata?

I fotoni vengono emessi quando gli elettroni negli atomi si spostano da una posizione più alta a una più bassa. Considera un singolo fotone emesso da un atomo. La caratteristica di un tale quantum è abbastanza concreta. Questo fotone oscilla in una certa direzione e il suo vettore di ampiezza giace su un piano. Pertanto, un singolo fotone è sempre polarizzato linearmente. Di conseguenza, uno dei metodi per produrre luce polarizzata è un'emissione stimolata coerente da molti atomi identici. Ma questo metodo non è sempre applicabile e i dispositivi corrispondenti (laser) non sono disponibili per tutti. Tuttavia, la luce del sole o una normale lampada a incandescenza è abbastanza semplice da ottenere Per polarizzarli, è necessario mettere un tale ostacolo nel percorso della radiazione, che passa solo un tipo di oscillazione e ritarda tutti gli altri. Quindi, altri modi di produrre luce polarizzata sono associati alla creazione di filtri per la radiazione naturale.

Di regola, i cristalli con una data struttura o membrane polimeriche, in cui le fibre si trovano in una certa direzione, sono in grado di farlo. Il primo polarizzatore naturale scoperto dagli scienziati era il quarzo cristallino proveniente dall'Islanda, il cosiddetto longherone dell'Islanda. E il primo polarizzatore artificiale era una membrana organica con l'aggiunta di ioni di iodio. Ora film polaroid commercialmente usati, inseriti tra due bicchieri piatti.

Tipi di luce polarizzata

Leggermente più in alto, abbiamo già dato la polarizzazione circolare e la sua distribuzione di oscillazioni nello spazio. Ma ci sono altri tipi di polarizzazione. Come il lettore probabilmente ha già capito, la luce polarizzata e naturale si compenetrano l'una con l'altra: la prima è facilmente ottenibile dalla seconda.

polarizzazione onde elettromagnetiche succede nella forma:

• circolare (circolare);
• lineari;
• ellittica.

Inoltre, secondo il grado di polarizzazione del cambiamento è:

• completare;
• parziale.

La polarizzazione, oltre che lineare, è una proprietà collettiva, non individuale. In altre parole, un singolo fotone non può essere polarizzato ellitticamente, richiede una certa quantità di quanti di luce. Ecco perché, nelle manipolazioni matematiche, la luce polarizzata ellitticamente e circolarmente è disposta in due componenti perpendicolari.

Esempi di polarizzazione parziale

Un esempio di polarizzazione parziale è la luce del sole, che ha attraversato l'atmosfera della terra. Uno spesso strato di una miscela di gas è sempre in movimento, alcune aree sono compattate, altre sono rarefatte.

Questi sigilli diffondono una parte delle oscillazioni elettromagnetiche, in modo che la luce raggiunga la superficie del pianeta parzialmente polarizzata. Ma il grado di questi cambiamenti è piccolo: le leggi della luce polarizzata sono applicate solo in calcoli astronomici molto accurati. In altri casi, la radiazione del Sole sulla superficie della Terra è considerata naturale.

Rotazione del polarizzatore

Sul percorso della luce naturale, è necessario inserire il filtro appropriato per ottenere la polarizzazione. Dopo il filtro, il vettore dell'ampiezza della radiazione elettromagnetica oscillerà in un solo modo, ad esempio, in modo lineare. Ma cosa succede se metti un altro polarizzatore sul percorso del flusso di luce già cambiato?

Ci sono due opzioni:

1. L'asse di trasmissione del secondo polarizzatore è allineato con l'asse del primo. In questo caso, la luce passerà semplicemente il secondo filtro, come se non lo "notasse".
2. L'asse di trasmissione del secondo filtro si trova ad un angolo rispetto all'asse del primo. Per ottenere il risultato, è necessario applicare la legge di Malus per la luce polarizzata.

Le formule e la loro interpretazione saranno fornite di seguito.

Legge di Malus

Se sembra al lettore che i due polarizzatori siano un gioco del genere, qualcosa come un esercizio per la mente, allora è sbagliato. Usando il secondo filtro, puoi determinare la direzione e il grado di polarizzazione del flusso di luce. Questi dati sono usati sia direttamente, per esempio, nel valutare le proprietà di galassie lontane e nebulose, sia indirettamente, per valutare la qualità delle superfici.

La legge di Malus per luce polarizzata è espressa dalla formula:

• I = k x I ₀ x cos ² φ, dove
  I è l'intensità del flusso finale di luce,
  I ₀ - primario,
  k è la trasmittanza del polarizzatore,
  φ è l'angolo tra i piani di polarizzazione della luce incidente e il polarizzatore.

Per il caso relativistico, vengono aggiunte le frequenze cicliche delle onde polarizzate. Ma questi componenti vengono presi in considerazione solo se la sorgente di luce si sposta a una velocità vicina la velocità della luce. Per utilizzare la formula estesa di Malus, non è necessario superare trecentomila chilometri al secondo. Una velocità relativistica è pari all'uno percento della velocità della luce nel vuoto.

Tuttavia, il lettore meticoloso chiederà: "Ma per quanto riguarda la polarizzazione circolare ed ellittica?" Come accennato in precedenza, la risposta è semplice. È necessario presentare questo tipo di polarizzazione come somma di due onde linearmente polarizzate.

La complessità di percepire la polarizzazione come un concetto

Speriamo di aver chiarito ai lettori il concetto di luce naturale e polarizzata. Tuttavia, per evitare difficoltà nella percezione spaziale di questi concetti è impossibile. Cosa deve essere fatto per capire come ruota il vettore dell'ampiezza?

La prima barriera potrebbe essere un fraintendimento di cosa sia un vettore. Prima di tutto, questa è la direzione del movimento. Quando una persona guida un'auto, il vettore del suo movimento è dove viene diretto il muso dell'auto e in quale direzione vengono girati i pneumatici, e non dove gli occhi della persona stanno guardando. Se tutti i piloti lo capissero, forse ci sarebbero meno incidenti sulle nostre strade. Come abbiamo già menzionato, nel caso di un'onda, il vettore di ampiezza è la direzione in cui l'onda "oscilla" in un determinato punto nel tempo.

La seconda barriera potrebbe essere una mancanza di comprensione dei processi di radiazione. Per colmare le lacune, vale la pena ricordare quali sono i livelli elettronici negli atomi e perché la transizione tra loro è accompagnata da radiazioni o assorbimento di energia. Avendo capito da dove provengono i fotoni, il lettore probabilmente comprenderà meglio la polarizzazione della luce.

La luce naturale e polarizzata differiscono leggermente. Se non è chiaro per una persona perché, ripetiamo ancora una volta: è piuttosto difficile ottenere la luce polarizzata immediatamente dopo la radiazione. Ma per selezionare tra tutte le oscillazioni di luce naturale dirette in modo casuale, solo alcune specifiche sono molto più semplici. Questo può essere fatto con l'aiuto di speciali sostanze cristalline o polimeriche.