1. البصريات المتقدمة م10 تمثيل حي لانتشار الأمواج الكهرومغناطيسية الاستقطاب اعداد د. محمد سعيد معروف الاستقطاب اعداد د. محمد سعيد معروف

2. * تنتشر الأمواج الكهرومغناطيسية بشكل متغير لكل من الحقل المغناطيسي والحقل الكهربائي زمنياً ومكانياً وسنرمز لها بـ EM waves. ويمكن أن نوضح ذلك كما في الشكل:

3. سرعة انتشار الأمواج الكهرطيسية Emتعطى بالعلاقة:

4. اتجاه انتشار الأمواج الكهرطسيسة يتولد الحقلان الكهربائي والمغناطيسي، بشحن وجريان التيار، ولكن هذه الحقول تمتد إلى أن تحيط بكل الفراغ المحيط.

5. Polarization : استقطاب الأمواج هي خاصية تصف توجيه تذبذب(تقلب) الأمواج. إذا كان شعاع الحقل الكهربائي يتقلب (مقاساً عند نقطة ثابتة من الفضاء) على طول خط مستقيم إذاً الأمواج تدعى أمواج مستقطبة خطياً (طولياً). -التمثيل الحي animation التالي يعطي موجة مستقطبة طولياً plane- polarized في مستوي شاقولي. مقطع مستوي يبين السعة وفق منظر أمامي

6. الموجة المستقطبة أفقياً بشكل عرضاني: التمثيل الحي التالي يبين الموجة المستقطبة في مستوي أفقي (عرضاني) (plane-polarized in a horizontal plane.) مقطع مستوي يبين السعة وفق منظر أمامي

7. تراكب لأمواج مستقطبة مستوية ومتعامدة (1): عندما تكون موجتين كهرطيسيتين مستقطبتين بشكلٍ مستوٍ في مستويين متعامدين، وتتقدمان بشكلٍ متزامن، عندئذٍ الحقول الكهربائية ستضيف وفقاً لقوانين الأشعة شعاعاً إضافياً (قانون متوازي الأضلاع المستخدم في تركيب وجمع الأشعة) ، ويمكننا أن نبين ذلك بالرسم التوضيحي الحي التالي: مقطع مستوي يبين السعة وفق منظر أمامي

8. تراكب لأمواج مستقطبة مستوية ومتعامدة (2) : تراكب موجتين لهما نفس السعة ونفس طول الموجة ومستقطبتين في مستويين متعامدين، وفرق الطور بينهما هنا 90 وهذا يعني أنه عندما تكون إحدى الموجتين عند القمة peak تكون الأخرى عند الصفر. مقطع مستوي يبين السعة وفق منظر أمامي استقطاب موجبRight polarization.

9. مع الأسف لدينا تاريخياً وجهتا نظر متعارضتان في الفيزياء والفلك والبصريات. في الفيزياء والفلك الاستقطاب يحدد كما رأينا من المستقبل مثل التلسكوب telescope أو التلسكوب الراديوي radio telescope (منبع الأمواج الإلكترومغناطيسية EM waves). telescope radio telescope وفق هذا التعريف، إذا أردنا إيقاف الزمن والنظر إلى الحقل الكهربائي على طول الحزمة، فإن أثر الحلزون (اللولب) سيكون له نفس الشكل، مثل ساعد اللولب. مع الأسف لدينا تاريخياً وجهتا نظر متعارضتان في الفيزياء والفلك والبصريات. في الفيزياء والفلك الاستقطاب يحدد كما رأينا من المستقبل مثل التلسكوب telescope أو التلسكوب الراديوي radio telescope (منبع الأمواج الإلكترومغناطيسية EM waves). telescope radio telescope وفق هذا التعريف، إذا أردنا إيقاف الزمن والنظر إلى الحقل الكهربائي على طول الحزمة، فإن أثر الحلزون (اللولب) سيكون له نفس الشكل، مثل ساعد اللولب.

10. استقطاب الموجة باتجاه اليد اليمنى (أو اتجاه عقارب الساعة) : الموجة المستقطبة قطعياً أو دائرياً، إن أي شعاع للحقل الكهربائي، مراقب في أي مستوي ثابت، الناظم على اتجاه الانتشار، بينما النظر في اتجاه الانتشار، الدوران مع الزمن في اتجاه اليد اليمنى أو اتجاه عقارب الساعة، يوافق موجة مستقطبة باتجاه عقارب الساعة. استقطاب الموجة باتجاه اليد اليمنى (أو اتجاه عقارب الساعة) : الموجة المستقطبة قطعياً أو دائرياً، إن أي شعاع للحقل الكهربائي، مراقب في أي مستوي ثابت، الناظم على اتجاه الانتشار، بينما النظر في اتجاه الانتشار، الدوران مع الزمن في اتجاه اليد اليمنى أو اتجاه عقارب الساعة، يوافق موجة مستقطبة باتجاه عقارب الساعة.

11. تراكب الأمواج المستقطبة – المستوية (3): التمثيل الحي التالي يعرض ما يحدث لتركيب موجتين مستويتين متعامدتين (كما عرضنا في الصفحة السابقة)، يضاف فرق الطور ((-90 درجة. مقطع مستوي يبين السعة وفق منظر أمامي

12. الأمواج المستقطبة دائرياً (Circularly polarized waves). -يبين التمثيل الحي نوعين من الاستقطاب الدائري للضوء(أيمن وأيسر) يعرضان معاً لكي نتمكن من المقارنة بينهما بشكل أسهل.

13. تركيب موجتين مستقطبتين دائرياً: وهي عملية إضافة موجتين الأولى مستقطبة دائرياً يساراً والأخرى يميناً وكما نرى، نتيجة تركيب موجتين مستقطبتين دائرياً يميناً ويساراً، والمقطع في مستوي عمودي على منحى الانتشار. مقطع مستوي يبين السعة وفق منظر أمامي

14. انتشار الأمواج EM في المواد. إذا دخلت الأمواج الكهرومغناطيسية EM waves إلى المواد فإن خواص هذه الأمواج ربما تتغير. وهي: الشدة (المطال)، الاستقطاب، السرعة، طول الموجة إلخ... وربما تتغير، الظاهرتان الأساسيتان لتفاعل الضوء مع المادة، وهما :الامتصاص ونقصان السرعة. نقصان السرعة (الإبطاء) للأمواج الكهرومغناطيسية EM waves في المادة سببه هذا الأثر، أن المواد تملك معامل انكسار (refractive index) n=c/v ph =sqrt (ε*μ ), أن سرعة الأمواج EM waves في المواد اصغر من سرعتها في الخلاء. ونذكّر بأن قرينة الانكسار هي نسبة سرعة الضوء في الخلاء إلى السرعة في المادة المدروسة. إذا دخلت الأمواج الكهرومغناطيسية EM waves إلى المواد فإن خواص هذه الأمواج ربما تتغير. وهي: الشدة (المطال)، الاستقطاب، السرعة، طول الموجة إلخ... وربما تتغير، الظاهرتان الأساسيتان لتفاعل الضوء مع المادة، وهما :الامتصاص ونقصان السرعة. نقصان السرعة (الإبطاء) للأمواج الكهرومغناطيسية EM waves في المادة سببه هذا الأثر، أن المواد تملك معامل انكسار (refractive index) n=c/v ph =sqrt (ε*μ ), أن سرعة الأمواج EM waves في المواد اصغر من سرعتها في الخلاء. ونذكّر بأن قرينة الانكسار هي نسبة سرعة الضوء في الخلاء إلى السرعة في المادة المدروسة.

15. انتشار الأمواج المستقطبة المستوية في وسط ماص (absorbing medium) قرينة الانكسار هي: 1=( n=c/vph =sqrt(ε*μ) the intersecting planes looked at from the front. مقطع مستوي يبين السعة وفق منظر أمامي

16. انتشار الأمواج EM wave المستقطبة بشكل دائري في وسط ماص. الأمواج EM wave المستقطبة دائرياً تعيق امتصاص الضوء وقرينة الانكسار n=c/vph =sqrt(ε*μ)=1

17. إذا كان الامتصاص في المواد اللونية مختلف، فمن أجل حالات خطية مختلفة للاستقطاب، المواد تسمى لونية خطية. إذا كان هناك اختلاف في الضوء المستقطب دائرياً يساراً ويمينياً. وهذا يسمى لوني دائري، وبشكل مشابه، هناك بلورات (كريستالات) لونية قطعية. إذا كان الامتصاص في المواد اللونية مختلف، فمن أجل حالات خطية مختلفة للاستقطاب، المواد تسمى لونية خطية. إذا كان هناك اختلاف في الضوء المستقطب دائرياً يساراً ويمينياً. وهذا يسمى لوني دائري، وبشكل مشابه، هناك بلورات (كريستالات) لونية قطعية.

18. انتشار الأمواج المستقطبة- المستوية (Plane-polarized waves) في وسط كاسر للضوء. تنتشر الموجة المستقطبة المستوية في وسط غير ماص للضوء وقرينة انكساره أكبر من الواحد. لايتغير التردد، غير أن، طول موجتها يتناقص (حاصل ضرب التردد في طول الموجة يجب أن يساوي سرعة الضوء) f*λ=c في هذا التمثيل الحي animations ، استخدمنا قرينة انكسار n=2.2 وهذا يعني أن سرعة الأمواج EM في الوسط هي: v p =(1/2.2)*c=0.4545*c وطول موجتها قد تناقص (1/2.2) مرة عن قيمتها الأصلية. وعندما يخرج الضوء من المادة (مغادراً)، فإن سرعته وطول موجته سيعودان إلى قيمتهما الأصلية (القيمة في الفراغ). وذلك لأن المادة لا تمتص الضوء (غير ماصة للضوء)،فإن شدة الموجة EM لا تنقص. لايتغير التردد، غير أن، طول موجتها يتناقص (حاصل ضرب التردد في طول الموجة يجب أن يساوي سرعة الضوء) f*λ=c في هذا التمثيل الحي animations ، استخدمنا قرينة انكسار n=2.2 وهذا يعني أن سرعة الأمواج EM في الوسط هي: v p =(1/2.2)*c=0.4545*c وطول موجتها قد تناقص (1/2.2) مرة عن قيمتها الأصلية. وعندما يخرج الضوء من المادة (مغادراً)، فإن سرعته وطول موجته سيعودان إلى قيمتهما الأصلية (القيمة في الفراغ). وذلك لأن المادة لا تمتص الضوء (غير ماصة للضوء)،فإن شدة الموجة EM لا تنقص.

19. انتشار الأمواج المستقطبة- المستوية في وسط كاسر مع قرينة انكسار n=c/vp=sqrt(μ*ε)=2.2 المسافة بين المستويات المتقاطعة أمام وخلف قطعة من المادة هي بالضبط ثمانية أضعاف طول الموجة في الخلاء من الأمواج Emوشعاعا الحقل عند المستويات المتقاطعة لا تتذبذبان (not oscillate ) معاً في نفس الطور، ولكن أطول من ذلك. كما هو موضح في التمثيل التالي:

20. انتشار الأمواج المستقطبة دائرياً في وسط كاسر للضوء: تنتشر الموجة المستقطبة دائرياً في وسط غير ماص للضوء قرينة انكساره أكبر من الواحد كما في الشكل المجاور.

21. انتشارا لأمواج المستقطبة –المستوية في وسط تبدي لونية دائرية circular dichroism. وتمتص الضوء المستقطب دائرياً باتجاه اليسار left circularly polarized بشكل مختلف عن الضوء المستقطب دائرياً باتجاه اليمين right circularly polarized. اللونية الدائرية تجعل الضوء المستقطب-المستوي بشكل قطبي قطعي elliptically polar.

22. انتشار الأمواج المستقطبة –المستوية في وسط يبدي استقطاب على شكل أهداب دائرية.(مميز بانكسار مضاعف) المواد تملك خاصية مميزة أخرى : قرينة انكسارها مختلفة من أجل الضوء المستقطب دائرياً باتجاه اليمين أو باتجاه اليسار. الاستقطاب بأهداب دائرية يدور مستوي الاستقطاب ليصبح الضوء مستقطب-مستوي.

23. انتشار الأمواج المستقطبة-المستوية في وسط يبدي استقطاب أهداب دائري circular birefringence واستقطاب دائري لوني circular dichroism

24. الفعالية الضوئية لمادة chiral والأمواج EM waves المستقطبة. الدوران الضوئي Chiral: هي مادة ذات جزيئات غير مستوية التناظر، لها مركز عكس، أو يدعى محاور تناظر الدوران غير النظامية، على سبيل المثال: جزيئات الماء لها مستوي تناظر، ولكن جزيئات السكر ليس لها. السكر وكذلك الأحماض الأمينية amino acidsومعظم الجزيئات الحيوية الأخرى التي تأتي من مصدرين تعطي صور مرآتيه كل واحدة مختلفة عن الأخرى. كل هذه تؤدي إلى دوران الموجة المستقطبة وفق زاوية كما هو موضح في التمثيل الحي لها:.

25. نهاية المحاضرة 10 شكراً لحسن الإصغاء