Сьогодні розкриємо сутність хвильової природи світла і пов'язане з цим фактом явище «ступінь поляризації».

Здатність бачити і світло

Природа світла і пов'язана з нею здатність бачити хвилював людські уми давно. Стародавні греки, намагаючись пояснити зір, передбачали: або очей випускає якісь «промені», які «обмацують» навколишні предмети і тим самим повідомляють людині їх вид і форму, або самі речі випромінюють щось, що вловлюють люди і судять про те, як все влаштовано. Теорії виявилися далекі від істини: живі істоти бачать завдяки відбитому світлі. Від усвідомлення цього факту до вміння обчислити, чому ступінь поляризації дорівнює, залишався один крок – зрозуміти, що світ є хвилею.

Світло – це хвиля

При більш детальному вивченні світла з'ясувалося: за відсутності перешкод він поширюється по прямій лінії і нікуди не згортає. Якщо на шляху променя постає непрозоре перешкоду, то утворюються тіні, а куди йде сам світ, людей не цікавило. Але коштувало випромінювання зіткнутися з прозорою середовищем, відбувалися дивовижні речі: промінь змінював напрям поширення і тьмянів. У 1678 році Х. Гюйгенс припустив, що це можна пояснити єдиним фактом: світло – це хвиля. Учений сформулював принцип Гюйгенса, який трохи пізніше був доповнений Френелем. Завдяки чому сьогодні люди знають, як визначити ступінь поляризації.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Згідно з цим принципом, будь-яка точка середовища, до якої дійшов фронт хвилі, є вторинним джерелом когерентного випромінювання, а огинаюча всіх фронтів цих точок виступає в якості фронту хвилі в наступний момент часу. Таким чином, якщо світло поширюється без перешкод, у кожен наступний момент фронт хвилі буде таким же, як і в попередній. Але варто променю зустріти перешкода, як набирає чинності інший чинник: в несхожих середовищах світло поширюється з різними швидкостями. Таким чином, той фотон, який встиг дістатися до іншого середовища першим, пошириться в ній швидше, ніж останній фотон з променя. Отже, фронт хвилі нахилиться. Ступінь поляризації тут поки що ні при чому, але розуміти це явище в повній мірі просто необхідно.

Час процесів

Варто окремо сказати, що всі ці зміни відбуваються неймовірно швидко. Швидкість світла у вакуумі становить триста тисяч кілометрів на секунду. Будь середу уповільнює світло, але не набагато. Час, за який фронт хвилі спотвориться при переході з одного середовища в іншу, наприклад з повітря у воду), надзвичайно мало. Людський очей не може цього помітити, так і мало який прилад здатний зафіксувати настільки короткі процеси. Так що розуміти явище варто чисто теоретично. Тепер, усвідомлюючи, що таке випромінювання, читач захоче зрозуміти, як знайти ступінь поляризації світла? Не будемо обманювати його очікувань.

Поляризація світла

Вище ми вже згадували, що в різних середовищах фотони світла мають різну швидкість. Оскільки світло – це поперечна електромагнітна хвиля (не є згущенням і розрідженням середовища), то у неї є дві основні характеристики:

хвильовий вектор;

амплітуда (також векторна величина).

Перша характеристика вказує, куди прямує промінь світла, при цьому виникає вектор поляризації, тобто в який бік спрямований вектор напруженості електричного поля. Це дає можливість обертання навколо хвильового вектора. Природне світло, наприклад, що випромінюється Сонцем, не має поляризації. Коливання поширені в усі боки з однаковою ймовірністю, не існує якого-небудь обраного напрями або фігури, вздовж якої коливається кінець хвильового вектора.

Види поляризованого світла

Перш ніж навчитися обчислювати формулу ступеня поляризації і робити розрахунки, варто зрозуміти, які бувають види поляризованого світла.

Еліптична поляризація. Кінець хвильового вектора такого світла описує еліпс.

Лінійна поляризація. Це приватний випадок першого варіанту. Як зрозуміло з назви, картина при цьому – один напрямок.

Кругова поляризація. По-іншому вона ще називається циркулярної.

Будь природне світло можна представити як суму двох взаємно перпендикулярно поляризованих елементів. При цьому варто пам'ятати, що дві перпендикулярно поляризовані хвилі не взаємодіють. Їх інтерференція неможлива, так як з точки зору взаємодії амплітуд вони як би не існують один для одного. Коли вони зустрічаються, то просто проходять далі, не змінюючись.

Частково поляризоване світло

Застосування ефекту поляризації величезна. Направивши на об'єкт природне світло, а отримавши частково поляризоване, вчені можуть судити про властивості поверхні. Але як визначити ступінь поляризації частково поляризованого світла? Існує формула Н.А. Умова: P=(I пер -I пар )/(I пер +I пар ), де I пер – це інтенсивність світла в напрямку, перпендикулярному площині поляризатора або поверхні, що відбиває, а I пар – паралельному. Величина Р може приймати значення від 0 (для природного світла, позбавленого будь-якої поляризації) до 1 (для плоско поляризованого випромінювання).

Може природне світло бути поляризованим?

Питання на перший погляд дивний. Адже випромінювання, в якому немає яких-небудь виділених напрямів, прийнято називати природним. Однак для мешканців поверхні Землі це в деякому сенсі наближення. Сонце дає потік електромагнітних хвиль різних довжин. Це випромінювання не поляризоване. Але проходячи крізь товстий шар атмосфери, випромінювання набуває незначну поляризацію. Так що ступінь поляризації природного світла в цілому не дорівнює нулю. Але величина настільки мала, що нею часто нехтують. Враховується вона тільки у разі точних астрономічних обчислень, де найменша помилка може додати зірці років або відстані до нашої системи.

Чому світ поляризується?

Вище ми часто говорили, що в несхожих середовищах фотони ведуть себе по-різному. Але чому не згадали. Відповідь залежить від того, про який саме середовищі ми говоримо, іншими словами, у якому агрегатному стані вона знаходиться.

Середа – кристалічне тіло зі строго періодичним будовою. Зазвичай структуру такої речовини представляють як грати з нерухомими кульками – іонами. Але в цілому це не зовсім точно. Таке наближення часто буває виправдано, але не у випадку взаємодії кристала і електромагнітного випромінювання. Насправді кожен іон коливається біля свого положення рівноваги, причому не хаотично, а відповідно з тим, які в нього сусіди, на яких відстанях знаходяться і скільки їх. Так як всі ці коливання суворо запрограмовані жорсткої середовищем, то і излучить поглинений фотон цей іон здатний лише строго визначеної форми. Цей факт породжує інше: яка буде поляризація виходить фотона, залежить від напрямку, в якому він увійшов в кристал. Це називається анізотропією властивостей.

Середовище – рідина. Тут відповідь складніша, так як діють два фактори – складність молекул і флуктуації (згущення-розрідження) щільності. Саме по собі довгі складні органічні молекули мають певну будову. Навіть найпростіші молекули сірчаної кислоти являють собою не хаотичний кулястий згусток, а цілком конкретну крестовідную форму. Інша справа, що всі вони в нормальних умовах розташовуються хаотично. Проте другий фактор (флуктуація) здатний створити такі умови, при яких невелика кількість молекул утворюють у невеликому обсязі щось на зразок тимчасової структури. При цьому всі молекули будуть направлені, або будуть розташовуватися один відносно одного під якимись певними кутами. Якщо світло в цей час пройде крізь таку ділянку рідини, він придбає часткову поляризацію. Звідси випливає висновок, що температура сильно впливає на поляризацію рідини: чим вище температура, тим серйозніше турбулентність, і тим більше таких ділянок буде утворюватися. Останній висновок існує завдяки теорії самоорганізації.

Середовище – газ. У випадку однорідного газу поляризація відбувається за рахунок флуктуацій. Саме тому природне світло Сонця, пройшовши крізь атмосферу, набуває невелику поляризацію. І саме тому колір неба блакитний: середній розмір ущільнених елементів такої, що розсіюється електромагнітне випромінювання блакитного і фіолетового кольорів. Але якщо ми маємо справу із сумішшю газів, то обчислити ступінь поляризації набагато складніше. Часто ці проблеми вирішують астрономи, які досліджують світло зірки, що пройшла крізь щільне молекулярне хмара газу. Тому так складно і цікаво вивчати далекі галактики і скупчення. Але астрономи справляються і дарують дивовижні фотографії глибокого космосу людям.