Поляризационные очки и КЭД
Поляризационные очки пропускают свет только одной линейной поляризации. Они полезны потому, что рассеянный и отражённый свет частично поляризован: при рассеянии света на электронах интенсивность рассеянного излучения зависит от его поляризации и угла рассеяния. В этом проекте вы покажете, что квантовая электродинамика точно предсказывает эту зависимость.
Рассмотрите рассеяние фотона на свободном электроне. Найдите дифференциальное сечение \(d\sigma/d\Omega\) в зависимости от поляризаций падающего и рассеянного фотонов.
Предположив, что падающий свет неполяризован, покажите, что рассеянный фотон оказывается частично линейно поляризованным. Получите выражение для степени поляризации \(\mathcal{P}(\theta)\) как функции угла между падающим и рассеянным фотоном: \[\mathcal{P}(\theta) = \frac{\sin^2\theta}{1+\cos^2\theta}.\]
Подсказка. Задача сильно упрощается, если энергия электрона в результате рассеяния света почти не меняется.
- Постройте график зависимости \(\mathcal{P}(\theta)\). При каком угле рассеяния достигается максимальная поляризация?
Применения в физике и астрофизике
Поляризация неба. Объясните, почему солнечный свет, рассеянный атмосферой, становится частично линейно поляризованным. При каком угле рассеяния поляризация максимальна? Почему это важно для астрономической фотографии, навигации и поляризационных очков?
Почему дальнобойщики носят поляризационные очки? Объясните, почему свет, отражённый от мокрого асфальта, частично поляризован. При каком угле падения поляризация максимальна? Достаточно ли расчёта в рамках КЭД (рассеяние на электроне), чтобы это описать, или нужно учитывать что-то ещё?
Реликтовое излучение и эксперименты BICEP/Keck. Объясните, как линейная поляризация реликтового излучения возникает в результате комптоновского рассеяния фотонов на электронах в ранней Вселенной.
Поляризация звёздного света межзвёздной пылью. Свет звёзд, прошедший через межзвёздную пыль, частично поляризован: вытянутые пылинки, выстроенные магнитным полем, поглощают одну поляризацию сильнее другой. Как это помогает изучать структуру магнитных полей в Галактике? Чем этот механизм отличается от поляризации при рассеянии?
Диагностика плазмы. Томсоновское рассеяние используется для измерения температуры и плотности электронов в лабораторной плазме. Объясните, как на практике использовать зависимость степени поляризации \(\mathcal{P}(\theta)\) для диагностики, если известно направление падающего лазерного луча.
- Выберите одно из применений и подробно обсудите его.