Aujourd'hui, nous allons révéler l'essence de la nature ondulatoire de la lumière et le phénomène de "degré de polarisation" lié à ce fait.
La capacité de voir et d'éclairer
La nature de la lumière et la capacité de voir qui lui est associée inquiètent depuis longtemps les esprits humains. Les anciens Grecs, essayant d'expliquer la vision, supposaient: soit l'œil émet certains "rayons" qui "sentent" les objets environnants et informent ainsi la personne de leur apparence et de leur forme, soit les choses elles-mêmes émettent quelque chose que les gens captent et jugent comment tout fonctionne. Les théories se sont avérées loin de la vérité: les êtres vivants voient grâce à la lumière réfléchie. De la prise de conscience de ce fait à la capacité de calculer le degré de polarisation, il ne restait qu'un pas: comprendre que la lumière est une onde.
La lumière est une onde
Avec une étude plus détaillée de la lumière, il s'est avéré qu'en l'absence d'interférence, elle se propage en ligne droite et ne tourne nulle part. Si un obstacle opaque gêne le faisceau, des ombres se forment et là où va la lumière elle-même, les gens n'étaient pas intéressés. Mais dès que le rayonnement est entré en collision avec un milieu transparent, des choses étonnantes se sont produites: le faisceau a changé de directionétalé et atténué. En 1678, H. Huygens suggéra que cela s'expliquait par un seul fait: la lumière est une onde. Le scientifique a formé le principe de Huygens, qui a ensuite été complété par Fresnel. Grâce à ce que les gens savent aujourd'hui déterminer le degré de polarisation.
Principe de Huygens-Fresnel
Selon ce principe, tout point du milieu atteint par le front d'onde est une source secondaire de rayonnement cohérent, et l'enveloppe de tous les fronts de ces points agit comme le front d'onde à l'instant suivant. Ainsi, si la lumière se propage sans interférence, à chaque instant suivant le front d'onde sera le même qu'au précédent. Mais dès que le faisceau rencontre un obstacle, un autre facteur entre en jeu: dans des milieux dissemblables, la lumière se propage à des vitesses différentes. Ainsi, le photon qui a réussi à atteindre l'autre milieu en premier s'y propagera plus rapidement que le dernier photon du faisceau. Par conséquent, le front d'onde s'inclinera. Le degré de polarisation n'a encore rien à voir avec cela, mais il est simplement nécessaire de bien comprendre ce phénomène.
Temps de traitement
Il faut dire séparément que tous ces changements se produisent à une vitesse incroyable. La vitesse de la lumière dans le vide est de trois cent mille kilomètres par seconde. Tout support ralentit la lumière, mais pas de beaucoup. Le temps pendant lequel le front d'onde est déformé lors du passage d'un milieu à un autre (par exemple, de l'air à l'eau) est extrêmement court. L'œil humain ne peut pas s'en apercevoir, et peu d'appareils sont capables de fixer desprocessus. Il vaut donc la peine de comprendre le phénomène purement théoriquement. Maintenant, pleinement conscient de ce qu'est le rayonnement, le lecteur voudra comprendre comment trouver le degré de polarisation de la lumière ? Ne trompons pas ses attentes.
Polarisation de la lumière
Nous avons déjà mentionné ci-dessus que les photons de la lumière ont des vitesses différentes dans différents milieux. La lumière étant une onde électromagnétique transversale (ce n'est pas une condensation et une raréfaction du milieu), elle a deux caractéristiques principales:
- vecteur d'onde;
- amplitude (également une quantité vectorielle).
La première caractéristique indique où le faisceau lumineux est dirigé et le vecteur de polarisation apparaît, c'est-à-dire dans quelle direction le vecteur d'intensité du champ électrique est dirigé. Cela permet de tourner autour du vecteur d'onde. La lumière naturelle, comme celle émise par le soleil, n'a pas de polarisation. Les oscillations sont distribuées dans toutes les directions avec une probabilité égale, il n'y a pas de direction ou de modèle choisi le long duquel l'extrémité du vecteur d'onde oscille.
Types de lumière polarisée
Avant d'apprendre à calculer la formule du degré de polarisation et à faire des calculs, vous devez comprendre quels types de lumière polarisée sont.
- Polarisation elliptique. La fin du vecteur d'onde d'une telle lumière décrit une ellipse.
- Polarisation linéaire. Il s'agit d'un cas particulier de la première option. Comme son nom l'indique, l'image est dans une direction.
- Polarisation circulaire. D'une autre manière, on l'appelle aussi circulaire.
Toute lumière naturelle peut être représentée comme la somme de deux éléments polarisés mutuellement perpendiculaires. Il convient de rappeler que deux ondes polarisées perpendiculairement n'interagissent pas. Leur interférence est impossible, puisque du point de vue de l'interaction des amplitudes, elles ne semblent pas exister l'une pour l'autre. Quand ils se rencontrent, ils passent simplement sans changer.
Lumière partiellement polarisée
L'application de l'effet de polarisation est énorme. En dirigeant la lumière naturelle vers un objet et en recevant une lumière partiellement polarisée, les scientifiques peuvent juger des propriétés de la surface. Mais comment déterminer le degré de polarisation d'une lumière partiellement polarisée ?
Il existe une formule pour N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), où Itrans est l'intensité lumineuse dans la direction perpendiculaire au plan du polariseur ou de la surface réfléchissante, et I par- parallèle. La valeur P peut prendre des valeurs allant de 0 (pour une lumière naturelle dépourvue de toute polarisation) à 1 (pour un rayonnement polarisé plan).
La lumière naturelle peut-elle être polarisée ?
La question est étrange à première vue. Après tout, le rayonnement dans lequel il n'y a pas de directions distinctes est généralement appelé naturel. Cependant, pour les habitants de la surface de la Terre, il s'agit en quelque sorte d'une approximation. Le soleil émet un flux d'ondes électromagnétiques de différentes longueurs. Ce rayonnement n'est pas polarisé. Mais en passantà travers une couche épaisse de l'atmosphère, le rayonnement acquiert une légère polarisation. Ainsi, le degré de polarisation de la lumière naturelle n'est généralement pas nul. Mais la valeur est si petite qu'elle est souvent négligée. Elle n'est prise en compte que dans le cas de calculs astronomiques précis, où la moindre erreur peut ajouter des années à l'étoile ou de la distance à notre système.
Pourquoi la lumière se polarise-t-elle ?
Nous avons souvent dit plus haut que les photons se comportent différemment dans des milieux différents. Mais ils n'ont pas mentionné pourquoi. La réponse dépend du type d'environnement dont nous parlons, en d'autres termes, dans quel état global il se trouve.
- Le milieu est un corps cristallin à structure strictement périodique. Habituellement, la structure d'une telle substance est représentée comme un réseau avec des boules fixes - des ions. Mais en général, ce n'est pas tout à fait exact. Une telle approximation est souvent justifiée, mais pas dans le cas de l'interaction d'un cristal et d'un rayonnement électromagnétique. En fait, chaque ion oscille autour de sa position d'équilibre, et non pas au hasard, mais en fonction de ses voisins, à quelles distances et combien d'entre eux. Toutes ces vibrations étant strictement programmées par un milieu rigide, cet ion n'est capable d'émettre un photon absorbé que sous une forme strictement définie. Ce fait en amène un autre: quelle sera la polarisation du photon sortant dépend de la direction dans laquelle il est entré dans le cristal. C'est ce qu'on appelle l'anisotropie des propriétés.
- Mercredi - liquide. Ici, la réponse est plus compliquée, puisque deux facteurs entrent en jeu - la complexité des molécules etfluctuations (condensation-raréfaction) de densité. En soi, les longues molécules organiques complexes ont une certaine structure. Même les molécules les plus simples d'acide sulfurique ne sont pas un caillot sphérique chaotique, mais une forme cruciforme très spécifique. Une autre chose est que dans des conditions normales, ils sont tous disposés au hasard. Cependant, le deuxième facteur (fluctuation) est capable de créer des conditions dans lesquelles un petit nombre de molécules se forment dans un petit volume comme une structure temporaire. Dans ce cas, soit toutes les molécules seront co-dirigées, soit elles seront situées les unes par rapport aux autres selon des angles spécifiques. Si la lumière à ce moment traverse une telle section du liquide, elle acquerra une polarisation partielle. Cela conduit à la conclusion que la température affecte fortement la polarisation du liquide: plus la température est élevée, plus la turbulence est importante et plus de telles zones se formeront. La dernière conclusion existe grâce à la théorie de l'auto-organisation.
- mercredi - gaz. Dans le cas d'un gaz homogène, la polarisation se produit en raison des fluctuations. C'est pourquoi la lumière naturelle du Soleil, traversant l'atmosphère, acquiert une petite polarisation. Et c'est pourquoi la couleur du ciel est bleue: la taille moyenne des éléments compactés est telle que le rayonnement électromagnétique bleu et violet est diffusé. Mais si nous avons affaire à un mélange de gaz, il est alors beaucoup plus difficile de calculer le degré de polarisation. Ces problèmes sont souvent résolus par les astronomes qui étudient la lumière d'une étoile ayant traversé un nuage moléculaire dense de gaz. Par conséquent, il est si difficile et intéressant d'étudier les galaxies et les amas lointains. Maisles astronomes font face et donnent des photos étonnantes de l'espace lointain aux gens.
