Hoje vamos revelar a essência da natureza ondulatória da luz e o fenômeno “grau de polarização” relacionado a este fato.
A capacidade de ver e iluminar
A natureza da luz e a capacidade de ver associada a ela tem preocupado as mentes humanas há muito tempo. Os gregos antigos, tentando explicar a visão, supunham: ou o olho emite certos “raios” que “sentem” os objetos ao redor e, assim, informam a pessoa sobre sua aparência e forma, ou as próprias coisas emitem algo que as pessoas captam e julgam como tudo funciona. As teorias revelaram-se longe da verdade: os seres vivos vêem graças à luz refletida. De perceber esse fato para poder calcular qual é o grau de polarização, f altava um passo - entender que a luz é uma onda.
A luz é uma onda
Com um estudo mais detalhado da luz, descobriu-se que, na ausência de interferência, ela se propaga em linha reta e não gira em qualquer lugar. Se um obstáculo opaco atrapalha o feixe, as sombras são formadas e, para onde a própria luz vai, as pessoas não estão interessadas. Mas assim que a radiação colidiu com um meio transparente, coisas incríveis aconteceram: o feixe mudou de direçãoespalhado e esmaecido. Em 1678, H. Huygens sugeriu que isso pode ser explicado por um único fato: a luz é uma onda. O cientista formou o princípio de Huygens, que mais tarde foi complementado por Fresnel. Graças ao que as pessoas hoje sabem determinar o grau de polarização.
Princípio de Huygens-Fresnel
Segundo este princípio, qualquer ponto do meio atingido pela frente de onda é uma fonte secundária de radiação coerente, e o envelope de todas as frentes desses pontos atua como frente de onda no momento seguinte. Assim, se a luz se propaga sem interferência, a cada momento seguinte a frente de onda será a mesma do anterior. Mas assim que o feixe encontra um obstáculo, outro fator entra em jogo: em meios diferentes, a luz se propaga em velocidades diferentes. Assim, o fóton que conseguiu atingir o outro meio primeiro se propagará nele mais rapidamente do que o último fóton do feixe. Portanto, a frente de onda irá se inclinar. O grau de polarização não tem nada a ver com isso ainda, mas é simplesmente necessário entender completamente esse fenômeno.
Tempo de processo
Deve ser dito separadamente que todas essas mudanças estão acontecendo incrivelmente rápido. A velocidade da luz no vácuo é de trezentos mil quilômetros por segundo. Qualquer meio diminui a luz, mas não muito. O tempo durante o qual a frente de onda é distorcida ao passar de um meio para outro (por exemplo, do ar para a água) é extremamente curto. O olho humano não percebe isso, e poucos aparelhos são capazes de consertarprocessos. Portanto, vale a pena entender o fenômeno puramente teoricamente. Agora, plenamente consciente do que é a radiação, o leitor vai querer entender como encontrar o grau de polarização da luz? Não vamos enganar as expectativas dele.
Polarização da luz
Já mencionamos acima que os fótons de luz têm velocidades diferentes em diferentes meios. Como a luz é uma onda eletromagnética transversal (não é uma condensação e rarefação do meio), ela possui duas características principais:
- vetor de onda;
- amplitude (também uma grandeza vetorial).
A primeira característica indica para onde o feixe de luz é direcionado, e surge o vetor de polarização, ou seja, em qual direção o vetor de intensidade do campo elétrico é direcionado. Isso torna possível girar em torno do vetor de onda. A luz natural, como a emitida pelo sol, não tem polarização. As oscilações são distribuídas em todas as direções com igual probabilidade, não há direção ou padrão escolhido ao longo do qual o final do vetor de onda oscila.
Tipos de luz polarizada
Antes de aprender a calcular a fórmula do grau de polarização e fazer cálculos, você deve entender quais são os tipos de luz polarizada.
- Polarização elíptica. O final do vetor de onda dessa luz descreve uma elipse.
- Polarização linear. Este é um caso especial da primeira opção. Como o nome indica, a imagem é uma direção.
- Polarização circular. De outra forma, também é chamado de circular.
Qualquer luz natural pode ser representada como a soma de dois elementos polarizados mutuamente perpendiculares. Vale lembrar que duas ondas polarizadas perpendicularmente não interagem. Sua interferência é impossível, pois do ponto de vista da interação de amplitudes, elas parecem não existir uma para a outra. Quando eles se encontram, eles simplesmente passam sem mudar.
Luz parcialmente polarizada
A aplicação do efeito de polarização é enorme. Ao direcionar a luz natural para um objeto e receber luz parcialmente polarizada, os cientistas podem julgar as propriedades da superfície. Mas como você determina o grau de polarização da luz parcialmente polarizada?
Existe uma fórmula para N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), onde Itrans é a intensidade da luz na direção perpendicular ao plano do polarizador ou superfície refletora, e I par- paralelo. O valor P pode levar valores de 0 (para luz natural desprovida de qualquer polarização) a 1 (para radiação polarizada plana).
A luz natural pode ser polarizada?
A pergunta é estranha à primeira vista. Afinal, a radiação na qual não há direções distintas é geralmente chamada de natural. No entanto, para os habitantes da superfície da Terra, isso é, de certa forma, uma aproximação. O sol dá um fluxo de ondas eletromagnéticas de vários comprimentos. Esta radiação não é polarizada. Mas passandoatravés de uma espessa camada da atmosfera, a radiação adquire uma leve polarização. Portanto, o grau de polarização da luz natural geralmente não é zero. Mas o valor é tão pequeno que muitas vezes é negligenciado. É levado em consideração apenas no caso de cálculos astronômicos precisos, onde o menor erro pode adicionar anos à estrela ou distância ao nosso sistema.
Por que a luz polariza?
Muitas vezes dissemos acima que os fótons se comportam de maneira diferente em meios diferentes. Mas eles não mencionaram o porquê. A resposta depende de que tipo de ambiente estamos falando, ou seja, em que estado agregado ele está.
- O meio é um corpo cristalino com uma estrutura estritamente periódica. Normalmente, a estrutura de tal substância é representada como uma treliça com bolas fixas - íons. Mas, em geral, isso não é totalmente preciso. Tal aproximação é muitas vezes justificada, mas não no caso da interação de um cristal e radiação eletromagnética. De fato, cada íon oscila em torno de sua posição de equilíbrio, e não aleatoriamente, mas de acordo com os vizinhos que possui, a que distâncias e quantos deles. Como todas essas vibrações são estritamente programadas por um meio rígido, esse íon é capaz de emitir um fóton absorvido apenas de forma estritamente definida. Esse fato dá origem a outro: qual será a polarização do fóton que sai depende da direção em que ele entrou no cristal. Isso é chamado de anisotropia de propriedade.
- Quarta-feira - líquido. Aqui a resposta é mais complicada, pois dois fatores estão em ação - a complexidade das moléculas eflutuações (condensação-rarefação) da densidade. Em si, moléculas orgânicas longas e complexas têm uma certa estrutura. Mesmo as moléculas mais simples de ácido sulfúrico não são um coágulo esférico caótico, mas uma forma cruciforme muito específica. Outra coisa é que, em condições normais, todos eles são organizados aleatoriamente. No entanto, o segundo fator (flutuação) é capaz de criar condições sob as quais um pequeno número de moléculas se forma em um pequeno volume algo como uma estrutura temporária. Nesse caso, todas as moléculas serão co-dirigidas ou serão localizadas em relação umas às outras em alguns ângulos específicos. Se a luz neste momento passar por tal seção do líquido, ela adquirirá polarização parcial. Isso leva à conclusão de que a temperatura afeta fortemente a polarização do líquido: quanto maior a temperatura, mais grave a turbulência, e mais tais áreas serão formadas. A última conclusão existe graças à teoria da auto-organização.
- Quarta-feira - gás. No caso de um gás homogêneo, a polarização ocorre devido a flutuações. É por isso que a luz natural do Sol, ao passar pela atmosfera, adquire uma pequena polarização. E é por isso que a cor do céu é azul: o tamanho médio dos elementos compactados é tal que a radiação eletromagnética azul e violeta é espalhada. Mas se estamos lidando com uma mistura de gases, é muito mais difícil calcular o grau de polarização. Esses problemas são frequentemente resolvidos por astrônomos que estudam a luz de uma estrela que passou por uma densa nuvem molecular de gás. Portanto, é tão difícil e interessante estudar galáxias e aglomerados distantes. Masos astrônomos estão lidando com isso e dando fotos incríveis do espaço profundo para as pessoas.
