დღეს ჩვენ გამოვავლენთ სინათლის ტალღური ბუნების არსს და ამ ფაქტთან დაკავშირებულ ფენომენს „პოლარიზაციის ხარისხი“.
ნახვისა და სინათლის უნარი
სინათლის ბუნება და მასთან დაკავშირებული ხედვის უნარი დიდი ხნის განმავლობაში აწუხებდა ადამიანის გონებას. ძველი ბერძნები, რომლებიც ცდილობდნენ აეხსნათ ხედვა, ვარაუდობდნენ: ან თვალი ასხივებს გარკვეულ „სხივებს“, რომლებიც „გრძნობენ“მიმდებარე ობიექტებს და ამით აცნობებენ ადამიანს მის გარეგნობასა და ფორმას, ან თვითონ საგნები ასხივებენ ისეთ რამეს, რასაც ადამიანები იჭერენ და განსჯიან, თუ როგორ ხდება ყველაფერი. მუშაობს. თეორიები შორს იყო სიმართლისგან: ცოცხალი არსებები ხედავენ არეკლილი სინათლის წყალობით. ამ ფაქტის გაცნობიერებიდან პოლარიზაციის ხარისხის გამოთვლამდე დარჩა ერთი ნაბიჯი - იმის გაგება, რომ სინათლე არის ტალღა.
სინათლე არის ტალღა
სინათლის უფრო დეტალური შესწავლით აღმოჩნდა, რომ ჩარევის არარსებობის შემთხვევაში ის ვრცელდება სწორ ხაზზე და არსად ბრუნდება. თუ გაუმჭვირვალე დაბრკოლება ხვდება სხივს, მაშინ წარმოიქმნება ჩრდილები და იქ, სადაც თავად შუქი მიდის, ხალხი არ იყო დაინტერესებული. მაგრამ როგორც კი რადიაცია გამჭვირვალე გარემოს შეეჯახა, საოცარი რამ მოხდა: სხივმა მიმართულება შეიცვალაგავრცელდა და დაბნელდა. 1678 წელს ჰ. ჰაიგენსმა თქვა, რომ ეს შეიძლება აიხსნას ერთი ფაქტით: სინათლე არის ტალღა. მეცნიერმა ჩამოაყალიბა ჰაიგენსის პრინციპი, რომელიც მოგვიანებით შეავსო ფრენელმა. იმის წყალობით, რაც დღეს ადამიანებმა იციან როგორ განსაზღვრონ პოლარიზაციის ხარისხი.
Huygens-Fresnel პრინციპი
ამ პრინციპის მიხედვით, ტალღის ფრონტის მიერ მიღწეული გარემოს ნებისმიერი წერტილი არის თანმიმდევრული გამოსხივების მეორადი წყარო და ამ წერტილების ყველა ფრონტის გარსი მოქმედებს როგორც ტალღის ფრონტი დროის შემდეგ მომენტში. ამრიგად, თუ სინათლე გავრცელდება ჩარევის გარეშე, ყოველ მომდევნო მომენტში ტალღის ფრონტი იგივე იქნება, რაც წინაზე. მაგრამ როგორც კი სხივი შეხვდება დაბრკოლებას, სხვა ფაქტორი მოქმედებს: განსხვავებულ მედიაში სინათლე ვრცელდება სხვადასხვა სიჩქარით. ამგვარად, ფოტონი, რომელმაც პირველმა მოახერხა სხვა გარემოს მიღწევა, მასში უფრო სწრაფად გავრცელდება, ვიდრე ბოლო ფოტონი სხივიდან. ამიტომ, ტალღის ფრონტი დაიხრება. პოლარიზაციის ხარისხს ჯერ არაფერი აქვს საერთო, მაგრამ უბრალოდ აუცილებელია ამ ფენომენის სრულად გაგება.
პროცესის დრო
ცალკე უნდა ითქვას, რომ ყველა ეს ცვლილება წარმოუდგენლად სწრაფად ხდება. სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში არის სამასი ათასი კილომეტრი წამში. ნებისმიერი საშუალება ანელებს სინათლეს, მაგრამ არა დიდად. დრო, რომლის დროსაც ტალღის ფრონტი დამახინჯებულია ერთი საშუალებიდან მეორეზე გადაადგილებისას (მაგალითად, ჰაერიდან წყალში) უკიდურესად მოკლეა. ადამიანის თვალი ამას ვერ ამჩნევს და რამდენიმე მოწყობილობას შეუძლია ასეთი მოკლე დაფიქსირებაპროცესები. ასე რომ, ღირს ფენომენის მხოლოდ თეორიულად გაგება. ახლა, როდესაც აცნობიერებს რა არის რადიაცია, მკითხველს სურს გაიგოს, როგორ იპოვნოს სინათლის პოლარიზაციის ხარისხი? ნუ მოვატყუებთ მის მოლოდინს.
სინათლის პოლარიზაცია
ზემოთ უკვე აღვნიშნეთ, რომ სინათლის ფოტონებს განსხვავებული სიჩქარე აქვთ სხვადასხვა მედიაში. ვინაიდან სინათლე არის განივი ელექტრომაგნიტური ტალღა (ის არ არის გარემოს კონდენსაცია და იშვიათი), მას აქვს ორი ძირითადი მახასიათებელი:
- ტალღის ვექტორი;
- ამპლიტუდა (ასევე ვექტორული რაოდენობა).
პირველი მახასიათებელი მიუთითებს, თუ სად არის მიმართული სინათლის სხივი და წარმოიქმნება პოლარიზაციის ვექტორი, ანუ რა მიმართულებით არის მიმართული ელექტრული ველის სიძლიერის ვექტორი. ეს შესაძლებელს ხდის ტალღის ვექტორის გარშემო ბრუნვას. ბუნებრივ შუქს, როგორიცაა მზისგან გამოსხივებული, არ აქვს პოლარიზაცია. რხევები განაწილებულია ყველა მიმართულებით თანაბარი ალბათობით, არ არსებობს არჩეული მიმართულება ან ნიმუში, რომლის გასწვრივ ირხევა ტალღის ვექტორის ბოლო.
პოლარიზებული სინათლის ტიპები
სანამ ისწავლით როგორ გამოთვალოთ პოლარიზაციის ხარისხის ფორმულა და გააკეთოთ გამოთვლები, უნდა გესმოდეთ რა არის პოლარიზებული შუქი.
- ელიფსური პოლარიზაცია. ასეთი სინათლის ტალღის ვექტორის ბოლო აღწერს ელიფსს.
- წრფივი პოლარიზაცია. ეს არის პირველი ვარიანტის განსაკუთრებული შემთხვევა. როგორც სახელი გულისხმობს, სურათი არის ერთი მიმართულებით.
- წრიული პოლარიზაცია. სხვაგვარად მას წრიულსაც უწოდებენ.
ნებისმიერი ბუნებრივი სინათლე შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც ორი ერთმანეთის პერპენდიკულარული პოლარიზებული ელემენტის ჯამი. უნდა გვახსოვდეს, რომ ორი პერპენდიკულარულად პოლარიზებული ტალღა არ ურთიერთქმედებს. მათი ჩარევა შეუძლებელია, ვინაიდან ამპლიტუდების ურთიერთქმედების თვალსაზრისით ისინი ერთმანეთისთვის არ არსებობენ. როდესაც ისინი ხვდებიან, ისინი უბრალოდ გადადიან შეუცვლელად.
ნაწილობრივ პოლარიზებული სინათლე
პოლარიზაციის ეფექტის გამოყენება უზარმაზარია. ობიექტზე ბუნებრივი სინათლის მიმართვით და ნაწილობრივ პოლარიზებული სინათლის მიღებით, მეცნიერებს შეუძლიათ განიხილონ ზედაპირის თვისებები. მაგრამ როგორ განვსაზღვროთ ნაწილობრივ პოლარიზებული სინათლის პოლარიზაციის ხარისხი?
არსებობს ფორმულა N. A. უმოვი:
P=(Ilan-Iპარ)/(Ilan+I პარ), სადაც Iტრანს არის სინათლის ინტენსივობა პოლარიზატორის ან ამრეკლავი ზედაპირის სიბრტყის პერპენდიკულარული მიმართულებით, და I პარ- პარალელური. P მნიშვნელობას შეუძლია მიიღოს მნიშვნელობები 0-დან (ბუნებრივი სინათლისთვის, ყოველგვარი პოლარიზაციის გარეშე) 1-მდე (სიბრტყის პოლარიზებული გამოსხივებისთვის).
შეიძლება თუ არა ბუნებრივი სინათლის პოლარიზება?
კითხვა ერთი შეხედვით უცნაურია. ყოველივე ამის შემდეგ, რადიაციას, რომელშიც არ არის გამორჩეული მიმართულებები, ჩვეულებრივ უწოდებენ ბუნებრივ. თუმცა, დედამიწის ზედაპირის მაცხოვრებლებისთვის, ეს გარკვეულწილად მიახლოებაა. მზე იძლევა სხვადასხვა სიგრძის ელექტრომაგნიტური ტალღების ნაკადს. ეს გამოსხივება არ არის პოლარიზებული. მაგრამ გავლისატმოსფეროს სქელი ფენის მეშვეობით გამოსხივება იძენს მცირე პოლარიზაციას. ასე რომ, ბუნებრივი სინათლის პოლარიზაციის ხარისხი ზოგადად არ არის ნული. მაგრამ ღირებულება იმდენად მცირეა, რომ მას ხშირად უგულებელყოფენ. ის მხედველობაში მიიღება მხოლოდ ზუსტი ასტრონომიული გამოთვლების შემთხვევაში, სადაც უმცირესი შეცდომა შეიძლება დაემატოს ვარსკვლავს წლებს ან ჩვენს სისტემას მანძილს.
რატომ პოლარიზდება სინათლე?
ჩვენ ხშირად ვამბობდით ზემოთ, რომ ფოტონები განსხვავებულად იქცევიან განსხვავებულ მედიაში. მაგრამ მათ არ უთქვამთ რატომ. პასუხი დამოკიდებულია იმაზე, თუ რა სახის გარემოზეა საუბარი, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, რა აგრეგატურ მდგომარეობაშია.
- საშუალო არის კრისტალური სხეული მკაცრად პერიოდული აგებულებით. ჩვეულებრივ, ასეთი ნივთიერების სტრუქტურა წარმოდგენილია გისოსის სახით ფიქსირებული ბურთულებით - იონებით. მაგრამ ზოგადად, ეს არ არის მთლიანად ზუსტი. ასეთი მიახლოება ხშირად გამართლებულია, მაგრამ არა ბროლისა და ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ურთიერთქმედების შემთხვევაში. სინამდვილეში, თითოეული იონი ირხევა თავისი წონასწორული პოზიციის გარშემო და არა შემთხვევით, არამედ იმის მიხედვით, თუ რა მეზობლები ჰყავს, რა მანძილზე და რამდენი მათგანი. ვინაიდან ყველა ეს ვიბრაცია მკაცრად არის დაპროგრამებული ხისტი საშუალებით, ამ იონს შეუძლია ასხივოს შთანთქმის ფოტონი მხოლოდ მკაცრად განსაზღვრული ფორმით. ეს ფაქტი კიდევ ერთს იძლევა: როგორი იქნება გამავალი ფოტონის პოლარიზაცია, დამოკიდებულია იმაზე, თუ რა მიმართულებით შევიდა იგი კრისტალში. ამას ეწოდება თვისების ანიზოტროპია.
- ოთხშაბათი - თხევადი. აქ პასუხი უფრო რთულია, რადგან ორი ფაქტორი მოქმედებს - მოლეკულების სირთულე დასიმკვრივის რყევები (კონდენსაცია-იშვიათობა). თავისთავად, რთულ გრძელ ორგანულ მოლეკულებს აქვთ გარკვეული სტრუქტურა. გოგირდმჟავას უმარტივესი მოლეკულებიც კი არ არის ქაოტური სფერული შედედება, არამედ ძალიან სპეციფიკური ჯვარცმული ფორმა. სხვა საქმეა, რომ ნორმალურ პირობებში ისინი ყველა შემთხვევით მოწყობილია. თუმცა, მეორე ფაქტორს (რყევას) შეუძლია შექმნას პირობები, რომლებშიც მოლეკულების მცირე რაოდენობა წარმოიქმნება მცირე მოცულობით რაღაც დროებითი სტრუქტურის მსგავსი. ამ შემთხვევაში, ან ყველა მოლეკულა იქნება ერთობლივად მიმართული, ან ისინი განლაგდებიან ერთმანეთთან შედარებით გარკვეული კონკრეტული კუთხით. თუ სინათლე ამ დროს გადის სითხის ასეთ მონაკვეთში, ის შეიძენს ნაწილობრივ პოლარიზაციას. ეს მივყავართ დასკვნამდე, რომ ტემპერატურა ძლიერ გავლენას ახდენს სითხის პოლარიზაციაზე: რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით უფრო სერიოზულია ტურბულენტობა და უფრო მეტი ასეთი არეები წარმოიქმნება. ბოლო დასკვნა არსებობს თვითორგანიზაციის თეორიის წყალობით.
- ოთხშაბათი - გაზი. ერთგვაროვანი აირის შემთხვევაში პოლარიზაცია ხდება რყევების გამო. ამიტომ მზის ბუნებრივი შუქი, რომელიც გადის ატმოსფეროში, იძენს მცირე პოლარიზაციას. და ამიტომ ცის ფერი ცისფერია: შეკუმშული ელემენტების საშუალო ზომა ისეთია, რომ ლურჯი და იისფერი ელექტრომაგნიტური გამოსხივება მიმოფანტულია. მაგრამ თუ საქმე გვაქვს აირების ნარევთან, მაშინ გაცილებით რთულია პოლარიზაციის ხარისხის გამოთვლა. ამ პრობლემებს ხშირად აგვარებენ ასტრონომები, რომლებიც სწავლობენ ვარსკვლავის სინათლეს, რომელმაც გაიარა გაზის მკვრივი მოლეკულური ღრუბელი. მაშასადამე, შორეული გალაქტიკების და გროვების შესწავლა ძალიან რთული და საინტერესოა. მაგრამასტრონომები უმკლავდებიან და ადამიანებს ღრმა სივრცის გასაოცარ ფოტოებს აძლევენ.
