Hoy revelaremos la esencia de la naturaleza ondulatoria de la luz y el fenómeno "grado de polarización" relacionado con este hecho.
La capacidad de ver e iluminar
La naturaleza de la luz y la capacidad de ver asociada con ella ha preocupado a las mentes humanas durante mucho tiempo. Los antiguos griegos, tratando de explicar la visión, asumieron: el ojo emite ciertos "rayos" que "sienten" los objetos circundantes y, por lo tanto, informan a la persona sobre su apariencia y forma, o las cosas mismas emiten algo que la gente capta y juzga cómo todo. funciona Las teorías resultaron estar lejos de la verdad: los seres vivos ven gracias a la luz reflejada. Desde darse cuenta de este hecho hasta poder calcular cuál es el grado de polarización, quedaba un paso: comprender que la luz es una onda.
La luz es una onda
Con un estudio más detallado de la luz, resultó que en ausencia de interferencia, se propaga en línea recta y no gira a ningún lado. Si un obstáculo opaco se interpone en el camino del rayo, se forman sombras y, adonde va la luz, a la gente no le interesa. Pero tan pronto como la radiación chocó con un medio transparente, sucedieron cosas asombrosas: el haz cambió de dirección.extendido y atenuado. En 1678, H. Huygens sugirió que esto puede explicarse por un solo hecho: la luz es una onda. El científico formó el principio de Huygens, que luego fue complementado por Fresnel. Gracias a lo que la gente hoy en día sabe determinar el grado de polarización.
Principio de Huygens-Fresnel
Según este principio, cualquier punto del medio alcanzado por el frente de onda es una fuente secundaria de radiación coherente, y la envolvente de todos los frentes de estos puntos actúa como frente de onda en el siguiente instante de tiempo. Así, si la luz se propaga sin interferencias, en cada instante siguiente el frente de onda será el mismo que en el anterior. Pero tan pronto como el rayo encuentra un obstáculo, entra en juego otro factor: en medios diferentes, la luz se propaga a diferentes velocidades. Así, el fotón que logró llegar primero al otro medio se propagará en él más rápido que el último fotón del haz. Por lo tanto, el frente de onda se inclinará. El grado de polarización no tiene nada que ver con eso todavía, pero es simplemente necesario para entender completamente este fenómeno.
Tiempo de proceso
Debe decirse por separado que todos estos cambios están ocurriendo increíblemente rápido. La velocidad de la luz en el vacío es de trescientos mil kilómetros por segundo. Cualquier medio ralentiza la luz, pero no mucho. El tiempo durante el cual se distorsiona el frente de onda al pasar de un medio a otro (por ejemplo, del aire al agua) es extremadamente breve. El ojo humano no puede notar esto, y pocos dispositivos son capaces de arreglar tan cortoprocesos. Por lo tanto, vale la pena entender el fenómeno puramente teóricamente. Ahora, plenamente consciente de lo que es la radiación, el lector querrá comprender ¿Cómo encontrar el grado de polarización de la luz? No engañemos sus expectativas.
Polarización de la luz
Ya hemos mencionado anteriormente que los fotones de luz tienen diferentes velocidades en diferentes medios. Dado que la luz es una onda electromagnética transversal (no es una condensación y rarefacción del medio), tiene dos características principales:
- vector de onda;
- amplitud (también una cantidad vectorial).
La primera característica indica hacia dónde se dirige el haz de luz y surge el vector de polarización, es decir, en qué dirección se dirige el vector de intensidad del campo eléctrico. Esto hace posible rotar alrededor del vector de onda. La luz natural, como la emitida por el sol, no tiene polarización. Las oscilaciones se distribuyen en todas las direcciones con la misma probabilidad, no se elige una dirección o patrón a lo largo del cual oscile el extremo del vector de onda.
Tipos de luz polarizada
Antes de aprender a calcular la fórmula para el grado de polarización y hacer cálculos, debe comprender qué tipos de luz polarizada son.
- Polarización elíptica. El final del vector de onda de dicha luz describe una elipse.
- Polarización lineal. Este es un caso especial de la primera opción. Como su nombre lo indica, la imagen es de una sola dirección.
- Polarización circular. De otra manera, también se le llama circular.
Cualquier luz natural puede representarse como la suma de dos elementos polarizados mutuamente perpendiculares. Vale la pena recordar que dos ondas polarizadas perpendicularmente no interactúan. Su interferencia es imposible, ya que desde el punto de vista de la interacción de amplitudes, no parecen existir el uno para el otro. Cuando se encuentran, simplemente pasan sin cambiar.
Luz parcialmente polarizada
La aplicación del efecto de polarización es enorme. Dirigiendo la luz natural a un objeto y recibiendo luz parcialmente polarizada, los científicos pueden juzgar las propiedades de la superficie. Pero, ¿cómo se determina el grado de polarización de la luz parcialmente polarizada?
Hay una fórmula para N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), donde Itrans es la intensidad de la luz en la dirección perpendicular al plano del polarizador o superficie reflectante, e I par- paralelo. El valor P puede tomar valores desde 0 (para luz natural desprovista de polarización) hasta 1 (para radiación plana polarizada).
¿Se puede polarizar la luz natural?
La pregunta es extraña a primera vista. Después de todo, la radiación en la que no hay direcciones distinguidas se suele llamar natural. Sin embargo, para los habitantes de la superficie terrestre, esto es en cierto sentido una aproximación. El sol emite una corriente de ondas electromagnéticas de varias longitudes. Esta radiación no está polarizada. pero pasandoa través de una gruesa capa de la atmósfera, la radiación adquiere una ligera polarización. Entonces, el grado de polarización de la luz natural generalmente no es cero. Pero el valor es tan pequeño que a menudo se descuida. Se tiene en cuenta únicamente en el caso de cálculos astronómicos precisos, donde el más mínimo error puede sumar años a la estrella o distancia a nuestro sistema.
¿Por qué se polariza la luz?
A menudo hemos dicho anteriormente que los fotones se comportan de manera diferente en medios diferentes. Pero no mencionaron por qué. La respuesta depende de qué tipo de entorno estamos hablando, en otras palabras, en qué estado agregado se encuentra.
- El médium es un cuerpo cristalino con una estructura estrictamente periódica. Por lo general, la estructura de dicha sustancia se representa como una red con bolas fijas: iones. Pero en general, esto no es del todo exacto. Tal aproximación a menudo está justificada, pero no en el caso de la interacción de un cristal y la radiación electromagnética. De hecho, cada ion oscila alrededor de su posición de equilibrio, y no al azar, sino de acuerdo con qué vecinos tiene, a qué distancias y cuántos de ellos. Dado que todas estas vibraciones están estrictamente programadas por un medio rígido, este ion es capaz de emitir un fotón absorbido solo en una forma estrictamente definida. Este hecho da lugar a otro: cuál será la polarización del fotón saliente depende de la dirección en la que entró en el cristal. Esto se llama anisotropía de propiedad.
- miércoles - líquido. Aquí la respuesta es más complicada, ya que intervienen dos factores: la complejidad de las moléculas yfluctuaciones (condensación-rarefacción) de densidad. En sí, las moléculas orgánicas largas y complejas tienen una cierta estructura. Incluso las moléculas más simples de ácido sulfúrico no son un coágulo esférico caótico, sino una forma cruciforme muy específica. Otra cosa es que en condiciones normales estén todos dispuestos al azar. Sin embargo, el segundo factor (fluctuación) es capaz de crear condiciones bajo las cuales un pequeño número de moléculas forman en un pequeño volumen algo así como una estructura temporal. En este caso, todas las moléculas estarán codirigidas o estarán ubicadas entre sí en algunos ángulos específicos. Si la luz en este momento pasa a través de tal sección del líquido, adquirirá una polarización parcial. Esto lleva a la conclusión de que la temperatura afecta fuertemente la polarización del líquido: cuanto mayor sea la temperatura, más grave será la turbulencia y más áreas de este tipo se formarán. La última conclusión existe gracias a la teoría de la autoorganización.
- Miércoles - gasolina. En el caso de un gas homogéneo, la polarización se produce debido a las fluctuaciones. Por eso la luz natural del Sol, al atravesar la atmósfera, adquiere una pequeña polarización. Y es por eso que el color del cielo es azul: el tamaño medio de los elementos compactados es tal que se dispersa la radiación electromagnética azul y violeta. Pero si se trata de una mezcla de gases, entonces es mucho más difícil calcular el grado de polarización. Estos problemas a menudo los resuelven los astrónomos que estudian la luz de una estrella que ha atravesado una densa nube molecular de gas. Por lo tanto, es tan difícil e interesante estudiar galaxias y cúmulos distantes. Perolos astrónomos están haciendo frente y dando fotos asombrosas del espacio profundo a las personas.
