Естественный световой луч представляет собой достаточно сложное явление, так как имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних случаях он начинает вести себя как электромагнитные, систематизированные волны, в других случаях — как хаотичный частиц (фотонов и квантов).
При исследовании процесса поляризации свет проявляет луч демонстрирует свойства поперечных электромагнитных волн.
Поляризованный свет – это свет, в котором все колебательные направления упорядочены каким-либо образом и действуют по определенной схеме.
Свет с преимущественным направлением колебаний осей называют в физике частично поляризованным светом. В природе также существует огромный класс электромагнитных волн, в которых движения магнитного и электрического полей совершаются по конкретным сторонам.
Такое свойство определяет дальнейшее состояние поляризации световой волны. Если вектор напряженности электромагнитной волны колеблется и направляется в неопределенном пространстве, говорят о линейной поляризации, а вот волна света в этом случае полностью поляризована.
Поляризованный и естественный свет: закон Максвелла
Максвелл быстро разработал комплексную и эффективную модель поперечных световых волн, которые приводили в итоге к явлению двойного лучепреломления и ряду иных оптических эффектов. Спустя 40 лет теория ученого точно описала и объяснила поперечную природу света.
Электромагнитные волны Максвелла включали:
- поля, которые колеблются перпендикулярно направлению центрального перемещения;
- колебательные упорядоченные направления светового вектора, называемые поляризованными;
- систематизированный волны светового луча.
Элементы расположены под углом 90° относительно друг друга. Для исследования поляризации света достаточно знать изначальное положение только одного из световых векторов. Обычно для этого используется ось $E$.
При этом распространения электрического и магнитного полей формируют комплексную правую систему координат. Уравнения доказывают, что частицы поля находятся в фазовой среде и в любой момент времени могут одновременно достигать максимальных значений в пространстве. Закон максвелла предполагает, что абсолютно для всех электромагнитных волн в пустоте поляризованный свет возможно получить из естественного посредством поляризаторов, способных пропускать световые лучи только в одном направлении (кварц, исландский шпат турмалин).
Рисунок 1. Поляризация света, теория Максвелла. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Закон Брюстера и корпускулярно-волновой дуализм
Рисунок 2. Закон Брюстера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Закон Брюстер гласит, что преломление сред зависит от угла, которые устанавливает основные показатели светового луча.
Таким образом, если тангенс угла падения пучка света на границу раздела двух одинаковых диэлектриков равен относительному параметру преломления, то отраженный элемент полностью поляризован в той плоскости, которая перпендикулярна к поверхности падения.
Вращение плоскости световой поляризации – систематический поворот поверхности линейно поляризованного светового луча при его прохождении через определенное вещество.
Такой эффект часто наблюдается в средах, которые оснащены круглым двойным лучепреломлением, то есть различными показателями преломления для поляризованных по кругу векторов. Линейно поляризованный световой луч можно представить, как итог сложения двух осей, что распределяются в одном направлении. Если такие два элемента распространяются в физическом теле с различными скоростями, то это приводит к внезапному повороту плоскости поляризации суммарного луча. Следовательно, вращение плоскости, согласно закону Брюстера, может быть обусловлено внешним магнитным полем или внутренней структуры вещества.
Для исследования поляризованного света существуют и часто используются специальные поляризационные устройства. Они обладают свойством пропускать основные составляющие луча с определенным направлением электрической оси, которое называется коэффициентом пропускания поляризационного объекта.
Опыты русского ученого Лебедева в корпускулярно-волновом дуализме показали, что свет может оказывать существенной давление на окружающие вещи. Перед ученым возникло огромное количество технических сложностей. Несмотря на это, он экспериментально доказал, что фотоны светового луча передают поверхностям ненулевой импульс, когда встречают серьезные преграды.
В результате исследователям пришлось признать: любая элементарная частица – это одновременно и материальный объект, и волна. Фотоны обладают как признаками осциллятора, так и характеристиками материального вещества. Это и есть ключевой принцип корпускулярно-волнового дуализма. Также необходимо было понять, как именно движется и существует в пространстве бесконечная волна с конечной массой. На помощь пришло определение «квант», представляющий собой минимальный пакет общего целого, взаимодействующий с веществом.
На сегодняшний день физики выделяют такие кванты:
- гравитационного поля - предсказаны только с теоретической точки зрения и не имеют научного доказательства;
- глюонного поля – его элементы были найдены, в отличии от гравитонов;
- коллективного взаимодействия узлов - отвечают за превращение электромагнитного излучения в звук.
Закон Малюса
Рисунок 3. Закон Малюса. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Закон Малюса базируется на том, что прямая зависимость интенсивности полностью поляризованного света после его прохождения заключается в определенном анализаторе, действующего от угла между плоскостями до падающего света и анализатора.
Свет с другой поляризацией может быть представлен в виде общей суммы двух линейных составляющих, к каждой из которых возможно применить теорию Малюса. Интенсивность светового луча, прошедшего через поляризатор, прямо пропорциональна показателю интенсивности падающего поляризованного вектора квадрату косинуса угла, расположенного между плоскостью преломленного света и плоскостью поляризатора.
Все кристаллы являются мощными анизотропными, то есть их свойства напрямую зависят от исходного направления. Эффект двойного лучепреломления впервые был обнаружен Барталином в 1667 году на кристалле исландского шпата. Данное явление в теории Малюса заключается в следующем: световой луч, падающий на анизотропный элемент, разделяется на два фрагмента: необыкновенный и обычный, который в итоге распространяются с разными скоростями в различных направлениях. Интересно, что у двуосных кристаллов всегда имеется два направления, вдоль которых не наблюдается двойное лучепреломление.
Для релятивистского случая необходимо добавить циклические частоты поляризованных световых волн. Но эти компоненты будут учитываться, только если сам источник света движется со скоростью, максимально близкой к скорости света. Для использования на практике расширенной формулы Малюса не обязательно преодолевать двести тысяч километров в секунду. Релятивистской считается та скорость, которая равна одному проценту от скорости светового луча в вакууме.
