วันนี้เราจะเปิดเผยสาระสำคัญของธรรมชาติคลื่นของแสงและปรากฏการณ์ "ระดับของโพลาไรซ์" ที่เกี่ยวข้องกับข้อเท็จจริงนี้
ความสามารถในการมองเห็นและแสง
ธรรมชาติของแสงและความสามารถในการมองเห็นที่เกี่ยวข้องกันนั้นทำให้จิตใจมนุษย์วิตกกังวลมาช้านาน ชาวกรีกโบราณพยายามที่จะอธิบายการมองเห็นสันนิษฐานว่า: ดวงตาปล่อย "รังสี" บางอย่างที่ "รู้สึก" กับวัตถุรอบข้างและด้วยเหตุนี้จึงแจ้งให้บุคคลทราบถึงรูปร่างหน้าตาหรือสิ่งต่าง ๆ ที่ปล่อยสิ่งที่ผู้คนจับได้และตัดสินว่าทุกอย่างเป็นอย่างไร ทำงาน. ทฤษฏีกลับกลายเป็นว่าห่างไกลจากความจริง: สิ่งมีชีวิตมองเห็นได้ด้วยแสงสะท้อน จากการตระหนักถึงข้อเท็จจริงนี้ไปจนถึงการคำนวณระดับของโพลาไรเซชัน เหลือขั้นตอนเดียวคือการเข้าใจว่าแสงเป็นคลื่น
แสงคือคลื่น
จากการศึกษารายละเอียดของแสงมากขึ้น ปรากฏว่าเมื่อไม่มีสิ่งรบกวน แสงจะแพร่กระจายเป็นเส้นตรงและไม่หันไปทางใดทางหนึ่ง หากมีสิ่งกีดขวางทึบแสงขวางทางลำแสง เงาก็จะก่อตัวขึ้นและที่ที่แสงไปเอง ผู้คนจะไม่สนใจ แต่ทันทีที่รังสีชนกับตัวกลางโปร่งใส สิ่งมหัศจรรย์ก็เกิดขึ้น: ลำแสงเปลี่ยนทิศทางกระจายและจางลง ในปี 1678 H. Huygens เสนอว่าสิ่งนี้สามารถอธิบายได้ด้วยข้อเท็จจริงเพียงข้อเดียว: แสงคือคลื่น นักวิทยาศาสตร์ได้ก่อตั้งหลักการของ Huygens ซึ่งต่อมาได้รับการเสริมด้วย Fresnel ขอบคุณสิ่งที่คนทุกวันนี้รู้วิธีกำหนดระดับของโพลาไรซ์
หลักการของ Huygens-Fresnel
ตามหลักการนี้ จุดใดๆ ของตัวกลางที่หน้าคลื่นไปถึงจะเป็นแหล่งกำเนิดรังสีรอง และซองจดหมายของแนวหน้าทั้งหมดของจุดเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นหน้าคลื่นในช่วงเวลาถัดไป ดังนั้น หากแสงแพร่กระจายโดยไม่มีการรบกวน ในแต่ละช่วงเวลาถัดไป หน้าคลื่นจะเหมือนกับครั้งก่อน แต่ทันทีที่ลำแสงไปชนกับสิ่งกีดขวาง ปัจจัยอื่นก็เข้ามามีบทบาท: ในสื่อที่ไม่เหมือนกัน แสงจะแพร่กระจายด้วยความเร็วที่ต่างกัน ดังนั้นโฟตอนที่เข้าถึงตัวกลางอื่นก่อนจะแพร่กระจายเร็วกว่าโฟตอนสุดท้ายจากลำแสง ดังนั้นหน้าคลื่นจะเอียง ระดับของโพลาไรเซชันยังไม่เกี่ยวข้องอะไรกับมัน แต่จำเป็นต้องเข้าใจปรากฏการณ์นี้อย่างถ่องแท้
เวลาดำเนินการ
ควรพูดแยกต่างหากว่าการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อ ความเร็วแสงในสุญญากาศคือสามแสนกิโลเมตรต่อวินาที สื่อใดๆ ก็ตามจะลดความเร็วลงแต่ไม่มาก เวลาที่หน้าคลื่นบิดเบี้ยวเมื่อเคลื่อนที่จากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง (เช่น จากอากาศสู่น้ำ) นั้นสั้นมาก สายตามนุษย์ไม่สามารถสังเกตเห็นสิ่งนี้ได้ และมีอุปกรณ์เพียงไม่กี่เครื่องที่สามารถแก้ไขได้กระบวนการ ดังนั้นจึงคุ้มค่าที่จะเข้าใจปรากฏการณ์นี้ในทางทฤษฎีอย่างหมดจด ตอนนี้ รู้อย่างถ่องแท้แล้วว่ารังสีคืออะไร ผู้อ่านจะต้องการทำความเข้าใจว่าจะหาระดับของโพลาไรซ์ของแสงได้อย่างไร อย่าหลอกลวงความคาดหวังของเขา
โพลาไรเซชันของแสง
เราได้กล่าวไปแล้วข้างต้นว่าโฟตอนของแสงมีความเร็วต่างกันในสื่อต่างๆ เนื่องจากแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง (ไม่ใช่การควบแน่นและการเกิดหายากของตัวกลาง) จึงมีลักษณะสำคัญสองประการ:
- เวฟเวกเตอร์;
- แอมพลิจูด (ปริมาณเวกเตอร์ด้วย)
คุณลักษณะแรกบ่งชี้ว่าลำแสงพุ่งไปที่ใด และเวกเตอร์โพลาไรซ์เกิดขึ้น นั่นคือทิศทางที่เวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้าถูกชี้นำ ทำให้สามารถหมุนรอบเวกเตอร์คลื่นได้ แสงธรรมชาติ เช่น แสงอาทิตย์ที่ปล่อยออกมาไม่มีขั้ว การแกว่งจะถูกกระจายในทุกทิศทางด้วยความน่าจะเป็นเท่ากัน ไม่มีทิศทางหรือรูปแบบที่เลือกที่จุดสิ้นสุดของเวกเตอร์คลื่นสั่น
ประเภทของแสงโพลาไรซ์
ก่อนที่คุณจะเรียนรู้วิธีคำนวณสูตรสำหรับระดับของโพลาไรซ์และทำการคำนวณ คุณควรทำความเข้าใจว่าแสงโพลาไรซ์คืออะไร
- โพลาไรเซชันวงรี. จุดสิ้นสุดของเวกเตอร์คลื่นของแสงดังกล่าวอธิบายวงรี
- โพลาไรซ์เชิงเส้น. นี่เป็นกรณีพิเศษของตัวเลือกแรก ตามชื่อครับ ภาพเป็นทิศทางเดียว
- โพลาไรซ์แบบวงกลม. เรียกอีกอย่างว่าวงกลม
แสงธรรมชาติใดๆ สามารถแสดงเป็นผลรวมขององค์ประกอบโพลาไรซ์ที่ตั้งฉากกันสองชิ้น เป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การจดจำว่าคลื่นโพลาไรซ์สองคลื่นในแนวตั้งฉากไม่มีปฏิสัมพันธ์กัน การรบกวนของพวกเขาเป็นไปไม่ได้เนื่องจากจากมุมมองของปฏิสัมพันธ์ของแอมพลิจูดดูเหมือนว่าพวกเขาจะไม่มีกันและกัน พอเจอกันก็ปล่อยผ่านไม่เปลี่ยน
แสงโพลาไรซ์บางส่วน
การประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์โพลาไรซ์นั้นใหญ่มาก นักวิทยาศาสตร์สามารถตัดสินคุณสมบัติของพื้นผิวได้โดยการนำแสงธรรมชาติไปที่วัตถุและรับแสงโพลาไรซ์บางส่วน แต่คุณจะกำหนดระดับการโพลาไรซ์ของแสงโพลาไรซ์บางส่วนได้อย่างไร
มีสูตร N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par) โดยที่ Itrans คือความเข้มของแสงในทิศทางตั้งฉากกับระนาบของโพลาไรเซอร์หรือพื้นผิวสะท้อนแสง และ I พาร์- ขนาน. ค่า P สามารถรับค่าได้ตั้งแต่ 0 (สำหรับแสงธรรมชาติที่ไม่มีโพลาไรซ์ใดๆ) ถึง 1 (สำหรับรังสีโพลาไรซ์ของระนาบ)
แสงธรรมชาติสามารถโพลาไรซ์ได้หรือไม่
คำถามเเปลกๆในแวบแรก ท้ายที่สุดแล้วรังสีที่ไม่มีทิศทางที่ชัดเจนมักเรียกว่าธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้อยู่อาศัยบนพื้นผิวโลก นี่เป็นการประมาณการในแง่หนึ่ง ดวงอาทิตย์ให้กระแสคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวต่างกัน รังสีนี้ไม่มีโพลาไรซ์ แต่ผ่านไปรังสีจะได้รับโพลาไรซ์เล็กน้อยผ่านชั้นบรรยากาศหนา ดังนั้น ระดับของโพลาไรซ์ของแสงธรรมชาติจึงมักไม่เป็นศูนย์ แต่คุณค่านั้นน้อยจนมักถูกละเลย มันถูกนำมาพิจารณาเฉพาะในกรณีของการคำนวณทางดาราศาสตร์ที่แม่นยำเท่านั้น ซึ่งข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อยสามารถเพิ่มปีให้กับดาวหรือระยะทางในระบบของเรา
ทำไมแสงถึงโพลาไรซ์
เรามักกล่าวไว้ข้างต้นว่าโฟตอนมีพฤติกรรมต่างกันในสื่อที่ไม่เหมือนกัน แต่พวกเขาไม่ได้พูดถึงว่าทำไม คำตอบขึ้นอยู่กับชนิดของสภาพแวดล้อมที่เรากำลังพูดถึง หรืออีกนัยหนึ่งคือ สภาพโดยรวมเป็นอย่างไร
- สื่อเป็นวัตถุผลึกที่มีโครงสร้างเป็นระยะอย่างเคร่งครัด โดยปกติโครงสร้างของสารดังกล่าวจะแสดงเป็นตาข่ายที่มีลูกบอล - ไอออนคงที่ แต่โดยทั่วไปแล้ว สิ่งนี้ไม่ถูกต้องทั้งหมด การประมาณดังกล่าวมักจะมีเหตุผล แต่ไม่ใช่ในกรณีของปฏิกิริยาของผลึกและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า อันที่จริง ไอออนแต่ละตัวจะแกว่งไปมารอบๆ ตำแหน่งสมดุล ไม่ใช่แบบสุ่ม แต่เป็นไปตามสิ่งที่อยู่ใกล้เคียง ระยะทางเท่าใดและจำนวนเท่าใด เนื่องจากการสั่นสะเทือนทั้งหมดเหล่านี้ได้รับการตั้งโปรแกรมไว้อย่างเข้มงวดโดยตัวกลางที่แข็ง ไอออนนี้สามารถเปล่งโฟตอนที่ถูกดูดซับได้เฉพาะในรูปแบบที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดเท่านั้น ความจริงข้อนี้ก่อให้เกิดสิ่งอื่น: โพลาไรซ์ของโฟตอนขาออกจะเป็นอย่างไรขึ้นอยู่กับทิศทางที่มันเข้าไปในผลึก สิ่งนี้เรียกว่าคุณสมบัติ anisotropy
- วันพุธ - ของเหลว. คำตอบนี้ซับซ้อนกว่า เนื่องจากมีปัจจัยสองประการที่ทำงานอยู่ - ความซับซ้อนของโมเลกุลและความผันผวน (การรวมตัวของการเกิดปฏิกิริยาการเกิดปฏิกิริยา) ของความหนาแน่น ในตัวมันเอง โมเลกุลอินทรีย์ยาวที่ซับซ้อนมีโครงสร้างบางอย่าง แม้แต่โมเลกุลที่ง่ายที่สุดของกรดซัลฟิวริกก็ไม่ใช่ก้อนทรงกลมที่วุ่นวาย แต่มีรูปร่างคล้ายไม้กางเขนที่เฉพาะเจาะจงมาก อีกสิ่งหนึ่งคือภายใต้สภาวะปกติพวกมันทั้งหมดจะถูกจัดเรียงแบบสุ่ม อย่างไรก็ตาม ปัจจัยที่สอง (ความผันผวน) สามารถสร้างสภาวะที่โมเลกุลจำนวนน้อยก่อตัวขึ้นในปริมาตรเล็กน้อยบางอย่างเช่นโครงสร้างชั่วคราว ในกรณีนี้ โมเลกุลทั้งหมดจะถูกชี้นำร่วม หรือจะตั้งอยู่สัมพันธ์กันในมุมที่เฉพาะเจาะจงบางมุม หากแสงผ่านส่วนของของเหลวในเวลานี้ แสงจะได้รับโพลาไรซ์บางส่วน สิ่งนี้นำไปสู่ข้อสรุปว่าอุณหภูมิส่งผลกระทบอย่างมากต่อโพลาไรซ์ของของเหลว: ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น ความปั่นป่วนรุนแรงมากขึ้นเท่านั้น และพื้นที่ดังกล่าวก็จะยิ่งก่อตัวมากขึ้น ข้อสรุปสุดท้ายเกิดขึ้นได้ด้วยทฤษฎีการจัดการตนเอง
- วันพุธ - แก๊ส. ในกรณีของก๊าซที่เป็นเนื้อเดียวกัน โพลาไรซ์จะเกิดขึ้นเนื่องจากความผันผวน นั่นคือเหตุผลที่แสงธรรมชาติของดวงอาทิตย์ที่ผ่านชั้นบรรยากาศทำให้เกิดโพลาไรซ์เล็กน้อย และนั่นคือสาเหตุที่สีของท้องฟ้าเป็นสีฟ้า: ขนาดเฉลี่ยขององค์ประกอบที่อัดแน่นนั้นทำให้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าสีน้ำเงินและสีม่วงกระจัดกระจาย แต่ถ้าเรากำลังเผชิญกับส่วนผสมของก๊าซ การคำนวณระดับของโพลาไรเซชันจะยากกว่ามาก ปัญหาเหล่านี้มักได้รับการแก้ไขโดยนักดาราศาสตร์ที่ศึกษาแสงของดาวฤกษ์ที่ผ่านเมฆก๊าซโมเลกุลหนาแน่น ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากและน่าสนใจที่จะศึกษากาแลคซีและกระจุกที่อยู่ห่างไกลออกไป แต่นักดาราศาสตร์กำลังเผชิญหน้าและให้ภาพถ่ายอันน่าทึ่งของห้วงอวกาศแก่ผู้คน
