ماهو الاستقطاب

مفهوم الاستقطاب:

يعرف الاستقطاب بأنه خاصية بعض الإشعاعات الكهرومغناطيسية التي يرتبط فيها اتجاه وحجم المجال الكهربائي المهتز بطريقة محددة.

ويعني قول موجات الضوء عرضية: أي أن المتجه الكهربائي المهتز المرتبط بكل موجة عمودي على اتجاه الانتشار، و يتكون شعاع الضوء غير المستقطب من موجات تتحرك في نفس الاتجاه مع موجهاتها الكهربائية الموجهة في اتجاهات عشوائية حول محور الانتشار، ويتكون الضوء المستقطب المستوي من موجات يكون فيها اتجاه الاهتزاز هو نفسه لجميع الموجات، وفي الاستقطاب الدائري يدور المتجه الكهربائي حول اتجاه الانتشار مع تقدم الموجة، وقد يتم استقطاب الضوء عن طريق الانعكاس أو بتمريره عبر مرشحات، مثل بلورات معينة تنقل الاهتزازات في مستوى واحد دون مستويات أخرى.

مستوى الاستقطاب:

إذا تم صنع شعاع ضوئي لدخول بلورة صارية آيسلندية بزاوية قائمة على وجه ما، فإنه يستمر في البلورة كشعاع واحد عمودي على الوجه ويظهر كشعاع واحد من خلال وجه موازٍ معاكس، وإذا كان وجه الخروج في زاوية غير متعامدة مع الحزمة، فإن الحزمة الناشئة تنقسم إلى حزمتين بزوايا مختلفة، تسمى الأشعة العادية وغير العادية، وعادة ما تكون ذات شدة مختلفة.

من الواضح أن أي شعاع يدخل بلورة صارية آيسلندية بشكل عمودي على وجهها ويظهر بشكل عمودي على وجه آخر هو ذا طابع متغير – على الرغم من أنه قد لا يبدو تغيرًا ظاهريًا، واعتمادًا على الشدة النسبية وعلاقة الطور لمكوناتها الكهربائية (أي إزاحة طورها)، حيث يتم وصف الحزمة إما على أنها مستقطبة بشكل بيضاوي أو دائري، وهناك طرق أخرى لإنتاج ضوء مستقطب جزئيًا ومستقطب مستوٍ ومستقطب إهليلجي (وكذلك دائري)، لكن هذه الأمثلة توضح الظاهرة بشكل كافٍ.

يمكن إظهار استقطاب الموجة الكهرومغناطيسية رياضياً لربطه بالعلاقة بين الزمان والمكان لمتجه المجال الكهرومغناطيسي (يُعتبر تقليديًا متجهًا كهربائيًا، وهي كمية تمثل حجم واتجاه المجال الكهربائي) أثناء انتقال الموجة، وإذا حافظ متجه المجال على اتجاه ثابت، فيُقال إن الموجة مستقطبة مستويًا، ومستوى الاستقطاب هو المستوى الذي يحتوي على اتجاه الانتشار والمتجه الكهربائي.

في حالة الاستقطاب الإهليلجي، يولد متجه المجال قطع ناقص في مستوى عمودي على اتجاه الانتشار أثناء تقدم الموجة، والاستقطاب الدائري هو حالة خاصة من الاستقطاب البيضاوي حيث يتحول القطع الناقص الموصوف إلى دائرة.

تتمثل إحدى الطرق السهلة لإنتاج ضوء مستقطب دائريًا في مرور الضوء بشكل عمودي عبر بلورة رقيقة، مثل الميكا على سبيل المثال، ويتم اختيار عينة الميكا بحيث يكون فرق المسار للأشعة العادية وغير العادية ربع الطول الموجي للضوء المستخدم أحادي اللون أو الطول الموجي الأحادي، وتسمى هذه البلورة بلوحة ربع موجة، وتظهر حقيقة الاستقطاب الدائري من خلال حقيقة أنه عندما يتم تعليق لوحة ربع الموجة وتشعيعها بشكل مناسب، يمكن إظهار عزم دوران صغير – أي قوة الالتواء – أن تمارس عليه وبالتالي، فإن عمل البلورة على الموجة الضوئية هو استقطابها؛ العمل المرتبط بالضوء على البلورة هو إنتاج عزم دوران حول محوره.

معامل الانعكاس للاستقطاب:

نسبة شدة الضوء المنعكس إلى شدة الضوء الساقط تسمى معامل الانعكاس، ويعتمد هذا القياس الكمي للانعكاس على زوايا الوقوع والانكسار، أو معامل الانكسار، وكذلك على طبيعة الاستقطاب.

يمكن إثبات أن معامل الانعكاس عند أي زاوية للسقوط يكون أكبر في حالة الاستقطاب العمودي على مستوى السقوط منه في حالة الاستقطاب في مستوى الوقوع، ونتيجة لذلك إذا وقع ضوء غير مستقطب على سطح مستو يفصل بين وسيطين، فسيكون الضوء المنعكس مستقطبًا جزئيًا عموديًا على مستوى السقوط، وسيكون الضوء المنكسر مستقطبًا جزئيًا في مستوى الوقوع.

حالة استثنائية هي زاوية بروستر، بحيث يكون مجموع زاويتا السقوط والانكسار 90 درجة، وعندما يحدث ذلك فإن معامل الانعكاس للاستقطاب في مستوى السقوط يساوي صفرًا، وهكذا، عند زاوية بروستر، يكون الضوء المنعكس مستقطبًا بالكامل متعامدًا على مستوى السقوط، وعند السطح البيني الزجاجي، تبلغ زاوية بروستر حوالي 56 درجة، حيث يبلغ معامل الانعكاس للاستقطاب العمودي 14 بالمائة.

زاوية أخرى شديدة الأهمية للانكسار هي زاوية السقوط الحرجة عندما يمر الضوء من وسط أكثر كثافة إلى وسط نادر، وهذه هي الزاوية التي تكون فيها زاوية الانكسار 90 درجة (في هذه الحالة تكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط)، وبالنسبة لزوايا السقوط الأكبر من الزاوية الحرجة، لا يوجد شعاع منكسر؛ ينعكس الضوء تمامًا داخليًا، وبالنسبة للواجهة الزجاجية، تكون للزاوية الحرجة قيمة 41 ° 48.

معامل الانكسار للاستقطاب:

يسمى الاختلاف في معامل الانكسار مع التردد التشتت، حيث إنها خاصية المنشور التي تؤثر على فصل اللون أو تشتت الضوء الأبيض، وتسمى المعادلة التي تربط معامل الانكسار بالتردد علاقة التشتت بالنسبة للضوء المرئي، يزداد مؤشر الانكسار قليلاً مع التردد، وهي ظاهرة تسمى التشتت الطبيعي.

درجة الانكسار تعتمد على معامل الانكسار، وبالتالي فإن الانحناء المتزايد للضوء البنفسجي فوق الأحمر بواسطة منشور زجاجي هو نتيجة التشتت الطبيعي ومع ذلك، إذا تم إجراء تجارب، مع وجود ضوء له تردد قريب من تردد الإلكترون الطبيعي، تظهر بعض التأثيرات الغريبة، وعندما يكون تردد الإشعاع أكبر قليلاً، على سبيل المثال يصبح مؤشر الانكسار أقل من الوحدة (<1) وينخفض ​​مع زيادة التردد؛ تسمى الظاهرة الأخيرة التشتت الشاذ.

يشير معامل الانكسار الأقل من الوحدة بشكل صحيح إلى حقيقة أن سرعة الضوء في الوسط عند هذا التردد أكبر من سرعة الضوء في الفراغ ومع ذلك، فإن السرعة المشار إليها هي سرعة المرحلة أو السرعة التي تنتشر بها قمم الموجة الجيبية، وسرعة انتشار إشارة فعلية أو سرعة المجموعة دائمًا أقل من سرعة الضوء في الفراغ لذلك، لا يتم انتهاك نظرية النسبية، حيث يتم توجيه مصدر الضوء مبدئيًا في إتجاه محدد أ، ويدور المصدر بطريقة تتحرك فيها سرعة صورة الضوء من اتجاة إلى أخر مع سرعة تقترب من سرعة الضوء c وبالتالي، فإن سرعة المرحلة التي تنتقل بها الصورة أكبر من c، لكن مبدأ النسبية لا ينتهك لأن سرعة انتقال المادة أو الطاقة لا تتجاوز سرعة الضوء.

أثناء المرور عبر المادة، تقل شدة الضوء أضعافا مضاعفة مع المسافة في الواقع، الخسارة الجزئية هي نفسها بالنسبة لمسافات الاختراق المتساوية، ويظهر فقد الطاقة من الضوء كطاقة مضافة إلى الوسط، أو ما يعرف بالامتصاص، ويمكن للوسط أن يمتص بشكل ضعيف في منطقة واحدة من الطيف الكهرومغناطيسي ويمتص بقوة في منطقة أخرى، وإذا كان الوسيط يمتص بشكل ضعيف، فيمكن قياس تشتت وامتصاصه مباشرة من شدة الضوء المنكسر أو المنقول، ومن ناحية أخرى إذا كان يمتص بقوة، فإن الضوء لا ينجو حتى ولو لموجات قليلة من الاختراق، وعندئذٍ يكون الضوء المنكسر أو المرسل ضعيفًا جدًا بحيث تكون القياسات صعبة في أحسن الأحوال.

ومع ذلك، قد يتم تحديد الامتصاص والتشتت في مثل هذه الحالات من خلال دراسة الضوء المنعكس فقط، وهذا الإجراء ممكن لأن شدة الضوء المنعكس لها مؤشر انكسار يفصل رياضياً إلى مساهمات من التشتت والامتصاص، في الأشعة فوق البنفسجية البعيدة هي الوسيلة العملية الوحيدة لدراسة الامتصاص، دراسة كشفت عن معلومات قيمة حول مستويات الطاقة الإلكترونية وخسائر الطاقة الجماعية في المواد المكثفة.