سنكشف اليوم عن جوهر الطبيعة الموجية للضوء وظاهرة "درجة الاستقطاب" المرتبطة بهذه الحقيقة.
القدرة على الرؤية والضوء
طبيعة الضوء والقدرة على الرؤية المرتبطة به كانت مصدر قلق للعقول البشرية لفترة طويلة. افترض الإغريق القدماء ، الذين حاولوا شرح الرؤية ، أن: إما أن تصدر العين "أشعة" معينة "تشعر" بالأشياء المحيطة ، وبالتالي تُعلم الشخص بمظهرها وشكلها ، أو أن الأشياء نفسها تنبعث منها شيئًا يمسك به الناس ويحكمون على كل شيء يعمل. تبين أن النظريات بعيدة كل البعد عن الحقيقة: الكائنات الحية ترى بفضل الضوء المنعكس. من إدراك هذه الحقيقة إلى القدرة على حساب درجة الاستقطاب ، كانت هناك خطوة واحدة متبقية - لفهم أن الضوء عبارة عن موجة.
الضوء موجة
بدراسة أكثر تفصيلاً للضوء ، اتضح أنه في حالة عدم وجود تداخل ، فإنه ينتشر في خط مستقيم ولا يدور في أي مكان. إذا كان هناك عائق غير شفاف يعترض طريق الشعاع ، فإن الظلال تتشكل ، وحيث يتجه الضوء نفسه ، لم يكن الناس مهتمين. ولكن بمجرد أن اصطدم الإشعاع بوسط شفاف ، حدثت أشياء مذهلة: لقد غير الشعاع اتجاههينتشر وخافت. في عام 1678 ، اقترح H. Huygens أنه يمكن تفسير ذلك من خلال حقيقة واحدة: الضوء عبارة عن موجة. قام العالم بتشكيل مبدأ Huygens ، والذي تم استكماله لاحقًا بواسطة Fresnel. بفضل ما يعرفه الناس اليوم كيفية تحديد درجة الاستقطاب.
مبدأ Huygens-Fresnel
وفقًا لهذا المبدأ ، فإن أي نقطة في الوسط تصل إليها مقدمة الموجة هي مصدر ثانوي للإشعاع المتماسك ، ويعمل غلاف جميع جبهات هذه النقاط كواجهة موجة في اللحظة التالية من الزمن. وبالتالي ، إذا انتشر الضوء دون تداخل ، فستكون مقدمة الموجة في كل لحظة تالية هي نفسها في السابقة. ولكن بمجرد أن تلتقي الحزمة بعائق ما ، يلعب عامل آخر: في الوسائط غير المتشابهة ، ينتشر الضوء بسرعات مختلفة. وهكذا ، فإن الفوتون الذي تمكن من الوصول إلى الوسط الآخر أولاً سوف ينتشر فيه أسرع من الفوتون الأخير من الحزمة. لذلك ، سوف تميل مقدمة الموجة. درجة الاستقطاب لا علاقة لها بها حتى الآن ، لكن من الضروري ببساطة فهم هذه الظاهرة بشكل كامل.
وقت المعالجة
يجب أن يقال بشكل منفصل أن كل هذه التغييرات تحدث بسرعة مذهلة. سرعة الضوء في الفراغ هي ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية. أي وسيط يبطئ الضوء ، ولكن ليس كثيرًا. الوقت الذي يتم خلاله تشوه مقدمة الموجة عند الانتقال من وسط إلى آخر (على سبيل المثال ، من الهواء إلى الماء) قصير للغاية. لا يمكن للعين البشرية أن تلاحظ ذلك ، وقليل من الأجهزة قادرة على إصلاح هذا القصورالعمليات. لذا فإن الأمر يستحق فهم الظاهرة من الناحية النظرية البحتة. الآن ، بعد أن أدرك القارئ تمامًا ما هو الإشعاع ، سيرغب في فهم كيفية العثور على درجة استقطاب الضوء؟ دعونا لا نخدع توقعاته
استقطاب الضوء
سبق أن ذكرنا أعلاه أن فوتونات الضوء لها سرعات مختلفة في وسائط مختلفة. نظرًا لأن الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية مستعرضة (فهي ليست تكاثفًا وتخلخلًا للوسط) ، فلها خاصيتان رئيسيتان:
- متجه موجه ؛
- السعة (كمية متجهة أيضًا).
تشير الخاصية الأولى إلى المكان الذي يتم فيه توجيه شعاع الضوء ، وينشأ متجه الاستقطاب ، أي في الاتجاه الذي يتم فيه توجيه متجه شدة المجال الكهربائي. هذا يجعل من الممكن الدوران حول متجه الموجة. الضوء الطبيعي ، مثل الضوء المنبعث من الشمس ، ليس له استقطاب. يتم توزيع التذبذبات في جميع الاتجاهات باحتمالية متساوية ، فلا يوجد اتجاه أو نمط مختار تتأرجح على طوله نهاية متجه الموجة.
أنواع الضوء المستقطب
قبل أن تتعلم كيفية حساب معادلة درجة الاستقطاب وإجراء الحسابات ، يجب أن تفهم أنواع الضوء المستقطب.
- استقطاب بيضاوي. تصف نهاية متجه الموجة لهذا الضوء القطع الناقص.
- استقطاب خطي. هذه حالة خاصة من الخيار الأول. كما يوحي الاسم ، فإن الصورة هي اتجاه واحد.
- استقطاب دائري. بطريقة أخرى ، يطلق عليه أيضًا اسم دائري.
يمكن تمثيل أي ضوء طبيعي على أنه مجموع عنصرين مستقطبين متعامدين بشكل متبادل. يجدر بنا أن نتذكر أن موجتين مستقطبتين عموديًا لا تتفاعل. إن تداخلهم مستحيل ، لأنه من وجهة نظر تفاعل السعات ، لا يبدو أنهم موجودون لبعضهم البعض. عندما يتقابلون ، يمرون دون تغيير.
ضوء مستقطب جزئيًا
تطبيق تأثير الاستقطاب ضخم. من خلال توجيه الضوء الطبيعي إلى جسم ما ، واستقبال ضوء مستقطب جزئيًا ، يمكن للعلماء الحكم على خصائص السطح. لكن كيف تحدد درجة استقطاب الضوء المستقطب جزئيًا؟
هناك صيغة لـ N. أوموف:
P=(Ilan-Ipar) / (Ilan+ Ipar) ، حيث Itransهي شدة الضوء في الاتجاه العمودي على مستوى المستقطب أو السطح العاكس ، وأناpar - متوازي. يمكن أن تأخذ القيمة P قيمًا من 0 (للضوء الطبيعي الخالي من أي استقطاب) إلى 1 (للإشعاع المستقطب المستوي).
هل يمكن استقطاب الضوء الطبيعي؟
السؤال غريب للوهلة الأولى. بعد كل شيء ، عادة ما يسمى الإشعاع الذي لا توجد فيه اتجاهات مميزة بالإشعاع الطبيعي. ومع ذلك ، بالنسبة لسكان سطح الأرض ، يعد هذا تقريبيًا إلى حد ما. تعطي الشمس دفقًا من الموجات الكهرومغناطيسية بأطوال مختلفة. هذا الإشعاع غير مستقطب. لكن يمرمن خلال طبقة سميكة من الغلاف الجوي ، يكتسب الإشعاع استقطابًا طفيفًا. لذا فإن درجة استقطاب الضوء الطبيعي ليست صفرًا بشكل عام. لكن القيمة صغيرة جدًا لدرجة أنها غالبًا ما يتم إهمالها. يؤخذ في الاعتبار فقط في حالة الحسابات الفلكية الدقيقة ، حيث يمكن لأدنى خطأ أن يضيف سنوات إلى النجم أو المسافة إلى نظامنا.
لماذا يستقطب الضوء؟
كثيرًا ما قلنا أعلاه أن الفوتونات تتصرف بشكل مختلف في الوسائط المختلفة. لكنهم لم يذكروا السبب. تعتمد الإجابة على نوع البيئة التي نتحدث عنها ، بمعنى آخر ، في أي حالتها الإجمالية.
- الوسط عبارة عن جسم بلوري له هيكل دوري صارم. عادةً ما يتم تمثيل بنية هذه المادة كشبكة ذات كرات ثابتة - أيونات. لكن بشكل عام ، هذا ليس دقيقًا تمامًا. غالبًا ما يكون هذا التقريب مبررًا ، ولكن ليس في حالة تفاعل البلورة والإشعاع الكهرومغناطيسي. في الواقع ، يتأرجح كل أيون حول موقع توازنه ، وليس بشكل عشوائي ، ولكن وفقًا لجيرانه ، وفي أي مسافات وكم منهم. نظرًا لأن كل هذه الاهتزازات مبرمجة بدقة بواسطة وسط صلب ، فإن هذا الأيون قادر على إصدار فوتون ممتص فقط في شكل محدد بدقة. تؤدي هذه الحقيقة إلى حقيقة أخرى: يعتمد استقطاب الفوتون الخارج على الاتجاه الذي دخل فيه إلى البلورة. وهذا ما يسمى تباين الخاصية.
- الأربعاء - سائل. هنا الإجابة أكثر تعقيدًا ، نظرًا لوجود عاملين في العمل - مدى تعقيد الجزيئات وتقلبات (تكاثف - خلخلة) للكثافة. في حد ذاتها ، الجزيئات العضوية الطويلة المعقدة لها بنية معينة. حتى أبسط جزيئات حمض الكبريتيك ليست جلطة كروية فوضوية ، ولكنها ذات شكل صليبي محدد للغاية. شيء آخر هو أنه في ظل الظروف العادية يتم ترتيبها جميعًا بشكل عشوائي. ومع ذلك ، فإن العامل الثاني (التذبذب) قادر على خلق ظروف يتشكل بموجبها عدد صغير من الجزيئات في حجم صغير يشبه البنية المؤقتة. في هذه الحالة ، سيتم توجيه جميع الجزيئات بشكل مشترك ، أو سيتم تحديد موقعها بالنسبة لبعضها البعض في بعض الزوايا المحددة. إذا مر الضوء في هذا الوقت عبر هذا القسم من السائل ، فسيكتسب استقطابًا جزئيًا. يؤدي هذا إلى استنتاج مفاده أن درجة الحرارة تؤثر بشدة على استقطاب السائل: فكلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت خطورة الاضطراب ، وكلما زادت هذه المناطق. الاستنتاج الأخير موجود بفضل نظرية التنظيم الذاتي
- الأربعاء - غاز. في حالة وجود غاز متجانس ، يحدث الاستقطاب بسبب التقلبات. هذا هو السبب في أن الضوء الطبيعي للشمس ، الذي يمر عبر الغلاف الجوي ، يكتسب استقطابًا صغيرًا. وهذا هو السبب في أن لون السماء أزرق: متوسط حجم العناصر المضغوطة بحيث يتناثر الإشعاع الكهرومغناطيسي الأزرق والبنفسجي. ولكن إذا كنا نتعامل مع خليط من الغازات ، فسيكون من الصعب للغاية حساب درجة الاستقطاب. غالبًا ما يتم حل هذه المشكلات بواسطة علماء الفلك الذين يدرسون ضوء نجم يمر عبر سحابة جزيئية كثيفة من الغاز. لذلك ، من الصعب والممتع دراسة المجرات والعناقيد البعيدة. لكنيتأقلم علماء الفلك ويقدمون صورًا مذهلة للفضاء السحيق للناس.
