Polarizované a přirozené světlo. Rozdíl mezi polarizovaným světlem a přirozeným

Vlny jsou dva druhy. Při podélném oscilačním rušení je rovnoběžná se směrem jejich šíření. Příkladem je průchod zvuku ve vzduchu. Příčné vlny se skládají z poruch, které jsou v úhlu 90 ° vůči směru posunutí. Takže například vlna, která prochází vodorovně přes hromadu vody, způsobuje svislé oscilace na povrchu.

Objev fenoménu

Několik záhadných optických efektů pozorovaných vv polovině 17. století, bylo vysvětleno, když se polarizované a přirozené světlo začalo považovat za vlnový jev a objevily se směry jeho oscilací. První takzvaný polarizační efekt objevil dánský doktor Erasmus Bartolin v roce 1669. Vědec zaznamenal dvojí refrakci nebo birefringence v islandské oblasti nebo kalcit (krystalická forma uhličitanu vápenatého). Když světlo prochází kalcitou, krystal se rozdělí, čímž se vytvoří dva obrazy přemístěné relativně vůči sobě.

Newton věděl o tomto fenoménu a navrhl,případně krvinky světla mají asymetrii nebo „jednostranná“, která by mohla být příčinou vzniku dvěma obrazy. Huygens, současník Newton byl schopný vysvětlit jeho teorii dvojitého lomu elementárních vln, ale nechápal pravý význam tohoto efektu. Dvojitá refrakce zůstala tajemstvím, dokud Thomas Young a francouzský fyzik Augustin-Jean Fresnel navrhli, že světlá vlny jsou příčné. Jednoduchý nápad umožnil vysvětlit, jaké polarizované a přirozené světlo je. To poskytlo přirozený a nekomplikovaný základ pro analýzu polarizačních účinků.

Dvojitá refrakce je způsobena kombinací dvoukolmá polarizace, z nichž každá má svou vlastní vlnovou rychlost. Kvůli rozdílu rychlosti mají tyto dvě složky různé indexy lomu, a proto jsou odlišně lomené přes materiál a vytvářejí dva obrazy.

Polarizované a přirozené světlo: Maxwellova teorie

Fresnel rychle vyvinul komplexní modelpříčné vlny, které vedly k dvojímu prokrvení a řadě dalších optických efektů. Čtyřicet let později Maxwellova elektromagnetická teorie elegantně vysvětlila příčnou povahu světla.

Maxwellovy elektromagnetické vlny jsou tvořenymagnetických a elektrických polí kolísácích kolmo ke směru posunutí. Políčka jsou v úhlu 90 ° vůči sobě. V tomto případě směry šíření magnetických a elektrických polí vytvářejí pravoúhlou souřadnicovou soustavu. Pro vlnu s frekvencí f a délka λ (jsou spojeny závislostí λf = s), která se pohybuje v kladném směru x, jsou pole popsána matematicky:

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

Rovnice ukazují, že elektrické a magnetické pole jsou vzájemně fázové. V každém okamžiku současně dosáhnou svých maximálních hodnot v prostoru rovnajících se E₀ a B₀. Tyto amplitudy nejsou nezávislé. Maxwellovy rovnice ukazují, že E₀ = cB₀ pro všechny elektromagnetické vlny ve vakuu.

Pokyny pro polarizaci

Při popisu orientace magnetického a elektrickéhoPole světla obvykle ukazují pouze směr elektrického pole. Vektor magnetického pole je určen požadavkem na kolmici polí a jejich kolmosti ke směru pohybu. Přirozené a lineárně polarizované světlo se vyznačuje skutečností, že v těchto polích kmitá vlna pohybuje v pevných směrech.

Jiné polarizační stavy jsou možné. V případě kruhu se vektory magnetických a elektrických polí otáčejí vzhledem ke směru šíření konstantní amplitudou. Elipticky polarizované světlo je v mezilehlé poloze mezi lineárními a kruhovými polarizacemi.

Nepolarizované světlo

Atomy na povrchu vyhřívaného vlákna,které generují elektromagnetické záření, působí nezávisle na sobě. Každé ozařování může být přibližně modelováno ve formě krátkých vlaků, které trvají od 10 let^-9 až 10^-8 sekund. Elektromagnetická vlna vycházející z vlákna je superpozicí těchto vlaků, z nichž každá má svůj vlastní směr polarizace. Součet náhodně orientovaných vlaků tvoří vlnu, jejíž polarizační vektor se mění rychle a náhodně. Taková vlna se nazývá nepolarizovaná. Všechny přírodní zdroje světla, včetně slunce, žárovky, zářivky a plameny, vytvářejí takové záření. Přirozené světlo je však často částečně polarizováno kvůli rozptýlení a odrazu.

Rozdíl mezi polarizovaným světlem a přirozeným světlem tedy spočívá v tom, že v prvním je oscilace provedena v jedné rovině.

Zdroje polarizovaného záření

Polarizované světlo může být produkováno vpřípadů, kdy je určena prostorová orientace. Jedním z příkladů je synchrotronové záření, ve kterém se částice s vysokou energií nabití pohybují v magnetickém poli a vyzařují polarizované elektromagnetické vlny. Existuje mnoho známých astronomických zdrojů, které vyzařují přirozeně polarizované světlo. Mezi ně patří mlhoviny, pozůstatky supernovy a aktivní galaktické jádra. Polarizace kosmického záření je studována za účelem určení vlastností jeho zdrojů.

Polaroidní filtr

Polarizované a přirozené světlo je oddělenopři průchodu řadou materiálů, z nichž nejčastější je Polaroid, vytvořený americký fyzik Edwin Land. Filtr se skládá z dlouhých řetězců uhlovodíkových molekul orientovaných v jednom směru v procesu tepelného zpracování. Molekula selektivně absorbuje záření, je elektrické pole rovnoběžné s jejich orientaci. Světlo opouští polarizátor je lineárně polarizované. Jeho elektrické pole kolmé ke směru molekulární orientace. Polaroid našel uplatnění v mnoha oblastech, včetně slunečních brýlí a filtry, které snižují efekt odraženého a rozptýleného světla.

Přírodní a polarizované světlo: zákon Malus

V roce 1808 objevil fyzik Etienne-Louis Maliussvětlo odražené od nekovových povrchů, částečně polarizované. Rozsah tohoto účinku závisí na úhlu dopadu a indexu lomu reflexního materiálu. V jednom z krajních případech, kdy je tangens úhlu dopadu na vzduchu se rovná indexu lomu reflexního materiálu, odražené světlo se zcela lineárně polarizované. Tento jev je známý jako Brewster zákona (pojmenované po svém objeviteli, skotský fyzik David Brewster). Směr polarizace rovnoběžná s odraznou plochou. Vzhledem k tomu, fluorescenční oslnění se obvykle vyskytují při odrazu od vodorovné plochy, jako jsou silnice a vodních filtrů se běžně používají v brýlích zůstat vodorovně polarizované světlo, a proto selektivně odstranit odrazy světla.

Rayleighův rozptyl

Rozptýlení světla velmi malými objekty, rozměrykterý je mnohem menší než vlnová délka (takzvaný Rayleighův rozptyl jménem anglického vědce Lorda Rayleigha), také vytváří částečnou polarizaci. Když sluneční záření prochází zemskou atmosférou, rozptýlí se molekuly vzduchu. Země dosáhne rozptýleného polarizovaného a přirozeného světla. Stupeň polarizace závisí na úhlu rozptylu. Vzhledem k tomu, že osoba nerozlišuje mezi přirozeným a polarizovaným světlem, tento účinek zpravidla zůstává bez povšimnutí. Nicméně na ně reagují oči mnoha hmyzů a využívají relativní polarizaci rozptýleného záření jako navigačního nástroje. Konvenční fotoaparátový světelný filtr, používaný ke snížení záření na pozadí při jasném slunečním světle, je jednoduchý lineární polarizátor, který odděluje přirozené a polarizované světlo Rayleigh.

Anizotropní materiály

Polarizační účinky jsou pozorovány optickyanizotropní materiály (ve kterých se index lomu mění se směrem polarizace), jako jsou birefringentní krystaly, určité biologické struktury a opticky aktivní materiály. Technologické aplikace zahrnují polarizační mikroskopy, displeje z tekutých krystalů a optické přístroje používané pro materiálový výzkum.