Polarisasi dan semula jadi ringan. cahaya terkutub tidak seperti semula jadi

Gelombang ada dua macam. The usikan getaran membujur selari dengan arah mereka pembiakan. Satu contoh ialah peredaran bunyi di udara. gelombang melintang terdiri daripada gangguan yang pada sudut 90 ° dengan arah pergerakan. Sebagai contoh, gelombang lulus mendatar melalui jisim air menyebabkan getaran menegak di permukaannya.

Penemuan

Beberapa kesan optik misteri diperhatikan pada pertengahan abad XVII, telah menjelaskan, apabila cahaya polarisasi dan semula jadi mula dianggap sebagai satu fenomena gelombang dan arah getaran yang ditemui. Kesan polarisasi dipanggil pertama telah ditemui oleh doktor Denmark Erasmus Bartholin pada tahun 1669. Saintifik diperhatikan pembiasan kelamin atau birefringence dalam Iceland (bentuk kristal kalsium karbonat) spar atau kalsium. Apabila cahaya melalui kristal calcite berpecah ia, menghasilkan dua imej beralih relatif kepada satu sama lain.

Newton tahu tentang fenomena ini dan mencadangkan bahawa butir mungkin terang dapat asimetri atau "berat sebelah", yang boleh menjadi punca pembentukan dua imej. Huygens, sezaman dengan Newton dapat menjelaskan teori pembiasan double gelombang rendah, tetapi dia tidak memahami maksud sebenar kesan. Birefringence kekal misteri sehingga Thomas Young dan ahli fizik Perancis Augustin-Zhan Frenel tidak mencadangkan bahawa gelombang cahaya yang melintang. Satu idea yang mudah telah dibenarkan untuk menjelaskan apa polarisasi dan semula jadi ringan. Ini menyediakan rangka kerja semula jadi dan tidak rumit untuk menganalisis kesan polarisasi.

birefringence adalah disebabkan oleh gabungan dua polarizations ortogon, setiap yang mempunyai halaju gelombangnya. Kerana perbezaan dalam kelajuan kedua-dua komponen mempunyai indeks biasan yang berbeza, dan oleh itu mereka berbeza dibiaskan melalui bahan, menghasilkan dua imej.

Polarisasi dan semula jadi cahaya: teori Maxwell

Fresnel cepat maju model yang komprehensif gelombang melintang, yang membawa kepada birefringence dan beberapa kesan optik lain. Empat puluh tahun kemudian, elektromagnet teori Maxwell elegan menerangkan sifat melintang cahaya.

Gelombang elektromagnet Maxwell terdiri daripada medan magnet dan elektrik serenjang dengan arah berayun pergerakan. Ladang-ladang yang pada sudut 90 ° satu sama lain. Dalam kes ini, arah perambatan daripada medan magnet dan elektrik membentuk satu sistem tangan kanan menyelaras. Untuk gelombang dengan f kekerapan dan λ panjang (ia berkaitan pergantungan λf = c), yang bergerak dalam arah x positif, bidang dinyatakan secara matematik:

• E (x, t) = E ₀ cos (2 π x / λ - 2 π ft) y ^;
• B (x, t) = B ₀ cos (2 π x / λ - 2 π ft) z ^.

Persamaan menunjukkan bahawa medan elektrik dan magnet adalah dalam fasa satu sama lain. Pada bila-bila masa, mereka pada masa yang sama mencapai nilai maksimum dalam ruang yang sama dengan E ₀ dan B _0. Ini amplitud yang tidak bebas. persamaan Maxwell mendedahkan bahawa E ₀ = CB ₀ untuk semua gelombang elektromagnet dalam vacuo.

arah polarisasi

Dalam keterangan orientasi medan magnet dan elektrik gelombang cahaya biasanya hanya menunjukkan arah medan elektrik. Bidang vektor magnet ditentukan oleh keperluan bidang tegak lurus dan tegak lurus kepada arah pergerakan. cahaya semula jadi dan secara linear polarized dicirikan dalam bahawa dalam berayun medan terakhir dalam arah yang tetap sebagai pergerakan gelombang.

Terdapat lain-lain mungkin negeri polarisasi. Dalam kes vektor pekeliling daripada medan magnet dan elektrik adalah relatif diputar ke arah luang pada amplitud malar. cahaya Elliptically polarisasi di kedudukan pertengahan antara linear dan polarizations bulat.

cahaya unpolarized

Atom di permukaan filamen dipanaskan, yang menjana radiasi elektromagnet, adalah, bebas daripada satu sama lain. Setiap radiasi boleh anggaran dimodelkan sebagai kereta api dalam jangka masa pendek 10 ^-9 hingga 10 ^-8 saat. Gelombang elektromagnet dari filamen, ialah tindihan kereta api ini, setiap yang mempunyai arah polarisasi sendiri. secara rawak berorientasikan jumlah melatih bentuk vektor gelombang polarisasi yang berbeza-beza dengan cepat dan tidak menentu. Seperti gelombang dipanggil unpolarized. Semua sumber semula jadi cahaya, termasuk Sun, lampu pijar, lampu neon dan api, menghasilkan sinaran itu. Walau bagaimanapun, cahaya semula jadi sering sebahagiannya polarisasi kerana pelbagai berselerak dan renungan.

Oleh itu, perbezaan dari cahaya terkutub semula jadi terdiri daripada fakta bahawa dalam ayunan pertama berlaku dalam kapal terbang.

Sumber sinaran polarized

cahaya terkutub boleh dihasilkan apabila orientasi spatial ditentukan. Salah satu contoh adalah radiasi sinkrotron, di mana-tenaga yang tinggi dikenakan zarah bergerak dalam medan magnet dan memancarkan gelombang elektromagnet polarisasi. Terdapat banyak sumber astronomi terkenal yang mengeluarkan cahaya semula jadi polarisasi. Ini termasuk nebula, sisa-sisa supernova, dan nukleus galaksi aktif. kosmik polarisasi radiasi dikaji untuk menentukan sifat-sifat dari puncanya.

penapis polaroid

cahaya terkutub dan semula jadi dipisahkan dengan melalui beberapa bahan-bahan, yang paling biasa yang merupakan polaroid, yang dicipta oleh ahli fizik Amerika Edwin Land. penapis ini terdiri daripada rantaian panjang molekul hidrokarbon berorientasikan dalam satu arah oleh proses rawatan haba. Molekul untuk terpilih menyerap radiasi, medan elektrik adalah selari dengan orientasi mereka. Cahaya meninggalkan polarizer itu linear polarisasi. medan elektrik yang berserenjang dengan arah orientasi molekul. Polaroid telah mendapati permohonan dalam pelbagai bidang, termasuk cermin mata hitam dan penapis yang mengurangkan kesan cahaya yang terpantul dan bertaburan.

Semula jadi dan polarisasi cahaya: hukum Malus

Pada tahun 1808, ahli fizik Etienne Louis Malus mendapati bahawa cahaya yang dipantulkan daripada permukaan bukan logam, sebahagiannya polarisasi. Sejauh mana kesan ini bergantung kepada sudut tuju dan indeks biasan bahan reflektif. Dalam salah satu kes yang teruk apabila tangen sudut tuju di udara adalah sama dengan indeks biasan bahan reflektif, cahaya yang terpantul menjadi benar-benar linear polarisasi. Fenomena ini dikenali sebagai undang-undang Brewster (dinamakan sempena penemunya, ahli fizik Scotland David Brewster). Arah polarisasi selari dengan permukaan mencerminkan. Sejak silau pendarfluor biasanya berlaku apabila pantulan daripada permukaan mendatar seperti jalan raya dan penapis air yang biasa digunakan dalam cermin mata hitam untuk tinggal cahaya mendatar polarisasi dan oleh itu terpilih mengeluarkan pantulan cahaya.

Rayleigh berselerak

Penyerakan cahaya oleh objek yang sangat kecil yang dimensi yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang (yang dipanggil Rayleigh berselerak selepas ahli sains Inggeris Lord Rayleigh), juga mewujudkan polarisasi sebahagian. Apabila cahaya matahari melalui atmosfera bumi, ia tersebar oleh molekul udara. Bumi dan mencapai bertaburan cahaya semula jadi polarisasi. Tahap polarisasi adalah bergantung kepada serakan sudut. Oleh kerana manusia tidak membezakan antara cahaya semula jadi dan polarisasi, kesan ini biasanya tidak disedari. Walau bagaimanapun, mata ramai serangga bertindak balas kepadanya, dan mereka menggunakan polarisasi relatif radiasi yang bertaburan sebagai alat navigasi. kamera penapis biasa yang digunakan untuk mengurangkan radiasi latar belakang dalam cahaya matahari yang cerah, adalah polarizer linear mudah, yang memisahkan cahaya polarisasi dan semula jadi Rayleigh.

bahan anisotropic

kesan polarisasi dipatuhi dalam bahan optik anisotropic (di mana indeks biasan berbeza dengan arah polarisasi), seperti kristal birefringent, beberapa struktur biologi dan bahan-bahan aktif dari segi optik. aplikasi teknologi termasuk mikroskop polarisasi, paparan kristal cecair dan instrumen optik yang digunakan untuk bahan-bahan penyelidikan.