היום נחשוף את מהות אופי הגל של האור ואת תופעת "מידת הקיטוב" הקשורה לעובדה זו.
היכולת לראות ולהאיר
טבעו של האור והיכולת לראות הקשורים אליו הדאיגו את מוחות האדם במשך זמן רב. היוונים הקדמונים, שניסו להסביר את הראייה, הניחו: או שהעין פולטת "קרניים" מסוימות ש"מרגישות" את העצמים שמסביב ובכך מודיעות לאדם על המראה והצורה שלהם, או שהדברים עצמם פולטים משהו שאנשים קולטים ושופטים איך הכל עובד. התברר שהתיאוריות רחוקות מהאמת: יצורים חיים רואים בזכות האור המוחזר. מההבנה של עובדה זו ועד ליכולת לחשב מהי מידת הקיטוב, נותר צעד אחד - להבין שאור הוא גל.
אור הוא גל
עם עיון מפורט יותר של האור, התברר שבהיעדר הפרעות הוא מתפשט בקו ישר ואינו מסתובב לשום מקום. אם מכשול אטום מפריע לקורה, אז נוצרים צללים, ולאן שהאור עצמו הולך, אנשים לא היו מעוניינים. אבל ברגע שהקרינה התנגשה בתווך שקוף, קרו דברים מדהימים: הקרן שינתה כיווןהתפשטה ועמומה. בשנת 1678, H. Huygens הציע שניתן להסביר זאת על ידי עובדה אחת: האור הוא גל. המדען יצר את עקרון הויגנס, אשר לאחר מכן הוסף על ידי פרנל. הודות למה שאנשים היום יודעים לקבוע את מידת הקיטוב.
עקרון הויגנס-פרסנל
לפי עיקרון זה, כל נקודה של המדיום אליה מגיעה חזית הגל היא מקור משני של קרינה קוהרנטית, והמעטפת של כל החזיתות של נקודות אלו פועלת כחזית הגל ברגע הזמן הבא. לפיכך, אם האור מתפשט ללא הפרעות, בכל רגע הבא חזית הגלים תהיה זהה לקודמתה. אבל ברגע שהקרן פוגשת מכשול, גורם נוסף נכנס לפעולה: במדיה לא דומות, האור מתפשט במהירויות שונות. לפיכך, הפוטון שהצליח להגיע ראשון למדיום השני יתפשט בו מהר יותר מהפוטון האחרון מהקרן. לכן, חזית הגלים תיטה. מידת הקיטוב לא קשורה לזה עדיין, אבל פשוט צריך להבין את התופעה הזו במלואה.
זמן תהליך
יש לומר בנפרד שכל השינויים האלה מתרחשים מהר להפליא. מהירות האור בוואקום היא שלוש מאות אלף קילומטרים לשנייה. כל מדיום מאט את האור, אבל לא בהרבה. הזמן שבו חזית הגלים מתעוותת במעבר ממדיום אחד למשנהו (למשל מאוויר למים) הוא קצר ביותר. העין האנושית לא יכולה להבחין בכך, ומעט מכשירים מסוגלים לתקן קצרים כאלהתהליכים. אז כדאי להבין את התופעה באופן תיאורטי בלבד. כעת, כשהוא מודע לחלוטין למהי קרינה, הקורא ירצה להבין כיצד למצוא את מידת הקיטוב של האור? בואו לא נשלה את הציפיות שלו.
קיטוב של אור
כבר הזכרנו למעלה שלפוטונים של אור יש מהירויות שונות במדיות שונות. מכיוון שאור הוא גל אלקטרומגנטי רוחבי (הוא אינו עיבוי והידרדרות של המדיום), יש לו שני מאפיינים עיקריים:
- wave vector;
- amplitude (גם כמות וקטורית).
המאפיין הראשון מציין לאן מכוונת קרן האור, ויוצר וקטור הקיטוב, כלומר לאיזה כיוון מכוון וקטור עוצמת השדה החשמלי. זה מאפשר להסתובב סביב וקטור הגל. לאור טבעי, כמו זה הנפלט מהשמש, אין קיטוב. התנודות מפוזרות לכל הכיוונים בהסתברות שווה, אין כיוון או תבנית נבחרים שלאורכם מתנדנד קצה וקטור הגל.
סוגי אור מקוטב
לפני שתלמדו כיצד לחשב את הנוסחה למידת הקיטוב ולעשות חישובים, כדאי להבין מהם סוגי האור המקוטב.
- קיטוב אליפטי. סוף וקטור הגל של אור כזה מתאר אליפסה.
- קיטוב לינארי. זהו מקרה מיוחד של האפשרות הראשונה. כפי שהשם מרמז, התמונה היא כיוון אחד.
- קיטוב מעגלי. בדרך אחרת, זה נקרא גם מעגלי.
כל אור טבעי יכול להיות מיוצג כסכום של שני יסודות מקוטבים בניצב זה לזה. כדאי לזכור ששני גלים מקוטבים בניצב אינם מקיימים אינטראקציה. ההתערבות שלהם בלתי אפשרית, שכן מנקודת המבט של האינטראקציה של אמפליטודות, נראה שהם אינם קיימים זה עבור זה. כשהם נפגשים, הם פשוט עוברים בלי להשתנות.
אור מקוטב חלקית
היישום של אפקט הקיטוב הוא עצום. על ידי הפניית אור טבעי לעבר אובייקט וקבלת אור מקוטב חלקית, מדענים יכולים לשפוט את תכונות המשטח. אבל איך קובעים את מידת הקיטוב של אור מקוטב חלקית?
יש נוסחה עבור N. A. Umov:
P=(Ilan-Ipar)/(Ilan+I par), כאשר Itrans היא עוצמת האור בכיוון המאונך למישור המקטב או המשטח הרפלקטיבי, ו-I par- מקביל. ערך P יכול לקחת ערכים מ-0 (עבור אור טבעי נטול קיטוב כלשהו) ל-1 (עבור קרינה מקוטבת מישורית).
האם ניתן לקטב אור טבעי?
השאלה מוזרה במבט ראשון. אחרי הכל, קרינה שבה אין כיוונים מובחנים נקראת בדרך כלל טבעית. עם זאת, עבור תושבי פני כדור הארץ, מדובר במובן מסוים בקירוב. השמש נותנת זרם של גלים אלקטרומגנטיים באורכים שונים. קרינה זו אינה מקוטבת. אבל חולףדרך שכבה עבה של האטמוספירה, הקרינה מקבלת קיטוב קל. אז מידת הקיטוב של האור הטבעי בדרך כלל אינה אפס. אבל הערך כל כך קטן שלעתים קרובות הוא מוזנח. זה נלקח בחשבון רק במקרה של חישובים אסטרונומיים מדויקים, שבהם השגיאה הקטנה ביותר יכולה להוסיף שנים לכוכב או מרחק למערכת שלנו.
למה האור מקטב?
אמרנו לעיל לעתים קרובות שפוטונים מתנהגים אחרת במדיה לא דומות. אבל הם לא ציינו למה. התשובה תלויה באיזו סוג של סביבה אנחנו מדברים, במילים אחרות, באיזה מצב מצטבר היא.
- המדיום הוא גוף גבישי בעל מבנה תקופתי לחלוטין. בדרך כלל המבנה של חומר כזה מיוצג כסריג עם כדורים קבועים - יונים. אבל באופן כללי, זה לא לגמרי מדויק. קירוב כזה מוצדק לעתים קרובות, אך לא במקרה של אינטראקציה של גביש וקרינה אלקטרומגנטית. למעשה, כל יון נע סביב מיקום שיווי המשקל שלו, ולא באופן אקראי, אלא בהתאם לאילו שכנים יש לו, באילו מרחקים וכמה מהם. מכיוון שכל התנודות הללו מתוכנתות בקפדנות על ידי תווך קשיח, יון זה מסוגל לפלוט פוטון נספג רק בצורה מוגדרת בהחלט. עובדה זו מולידה אחרת: מה יהיה הקיטוב של הפוטון היוצא תלוי בכיוון שאליו הוא נכנס אל הגביש. זה נקרא אניזוטרופיה של מאפיין.
- יום רביעי - נוזלי. כאן התשובה מורכבת יותר, שכן שני גורמים פועלים - מורכבות המולקולות ותנודות (עיבוי-נדירות) של צפיפות. כשלעצמה, למולקולות אורגניות מורכבות ארוכות יש מבנה מסוים. אפילו המולקולות הפשוטות ביותר של חומצה גופרתית אינן קריש כדורי כאוטי, אלא צורה צלבית מאוד ספציפית. דבר נוסף הוא שבתנאים רגילים כולם מסודרים באופן אקראי. עם זאת, הגורם השני (תנודה) מסוגל ליצור תנאים שבהם מספר קטן של מולקולות יוצרות בנפח קטן משהו כמו מבנה זמני. במקרה זה, או שכל המולקולות יהיו מכוונות יחד, או שהן יהיו ממוקמות זו ביחס לזו בכמה זוויות ספציפיות. אם אור בזמן זה עובר דרך קטע כזה של הנוזל, הוא יקבל קיטוב חלקי. זה מוביל למסקנה שהטמפרטורה משפיעה מאוד על הקיטוב של הנוזל: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך המערבולת חמורה יותר, וכך יווצרו יותר אזורים כאלה. המסקנה האחרונה קיימת הודות לתיאוריית הארגון העצמי.
- רביעי - גז. במקרה של גז הומוגני, קיטוב מתרחש עקב תנודות. זו הסיבה שהאור הטבעי של השמש, העובר דרך האטמוספירה, מקבל קיטוב קטן. וזו הסיבה שצבע השמים כחול: הגודל הממוצע של היסודות הדחוסים הוא כזה שמפוזרת קרינה אלקטרומגנטית כחולה וסגולה. אבל אם בתערובת של גזים עסקינן, אז הרבה יותר קשה לחשב את מידת הקיטוב. בעיות אלו נפתרות לרוב על ידי אסטרונומים החוקרים את אורו של כוכב שעבר דרך ענן מולקולרי צפוף של גז. לכן, כל כך קשה ומעניין לחקור גלקסיות וצבירים מרוחקים. אבלאסטרונומים מתמודדים ונותנים תמונות מדהימות של חלל עמוק לאנשים.
