Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами




Из электромагнитной теории света следует, что плоские световые волны являются поперечными. Электромагнитная волна, у которой направления колебаний электрического вектора E и магнитного H упорядочены каким-либо образом, называется поляризованной волной.

Если колебания вектора E (как и H) происходят только в одной проходящей через луч плоскости, волна называется плоско-поляризованной или линейно-поляризованной. Вектор E называется световым вектором, т.к. только он оказывает оптическое, фотоэлектрическое и другие действия электромагнитной волны на вещество. Плоскость, в которой совершает колебания световой вектор в плоско-поляризованной волне, называется плоскостью колебаний. По историческим причинам плоскость, перпендикулярная к плоскости колебаний, названа плоскостью поляризации.

Излучение светящегося тела, состоящего из множества атомов, представляет собой суперпозицию излучений отдельных атомов. Атомы излучают спонтанно и независимо друг от друга, что приводит к беспорядочному изменению направления светового вектора в рассматриваемой точке. Световая волна, у которой направление светового вектора хаотически меняется, так что для него равновероятны все направления колебаний в плоскости, перпендикулярной лучу, называется естественным (неполяризованным) светом. Согласно данному определению естественный свет в произвольной точке можно рассматривать как суперпозицию некогерентных взаимно перпендикулярных колебаний напряженности электрического и магнитного поля с равной амплитудой. Если амплитуды этих колебаний будут различны, свет называется частично поляризованным.

В отличие от естественного свет плоско-поляризованный следует рассматривать как суперпозицию когерентных взаимно перпендикулярных волн с разностью фаз равной?* n, где n – целое число. Если разность фаз будет иметь произвольное значение отличное от?*n, при различных амплитудах когерентных взаимно перпендикулярных волн свет будет эллиптически-поляризован, а при одинаковых амплитудах – циркулярно-поляризованным. Это означает, что конец светового вектора при движении луча будет двигаться по эллипсу или кругу.

При прохождении линейно поляризованного луча вдоль оптической оси (оптической осью называется направление в кристалле, в котором не происходит двойного лучепреломления) кварцевой пластинки наблюдается поворот плоскости поляризации. Если между скрещенными поляризаторами N1 и N2, дающими темное поле зрения, поместить кварцевую пластинку, то при прохождении линейно поляризованного луча вдоль оптической оси пластинки наблюдается поворот плоскости поляризации (Араго, 1811г.), поле зрения просветляется. Впоследствии это явление было обнаружено в других кристаллах и растворах и получило название вращения плоскости поляризации. Вещества, вращающие плоскость поляризации света, называются оптически активными.

Кварцевая пластинка толщиной в 1 мм поворачивает плоскость поляризации желтых лучей (?=589нм) на 21,7°, ультрафиолетовых лучей (?=214,7нм) на 236°. Эти данные показывают весьма значительную вращательную способность кварца.

Существуют две модификации кристалла кварца – правовращающая и левовращающая. Они характеризуются различными направлениями вращения плоскости поляризации, которые определяются в соответствии с правилом правого или левого винта при распространении света вдоль оптической оси.

Вращение плоскости поляризации света можно объяснить с помощью гипотезы

Френеля (1823 г.). Согласно этой гипотезе линейно-поляризованную плоскую монохроматическую волну можно представить в виде суперпозиции двух одновременно распространяющихся циркулярно-поляризованных плоских волн той же частоты, векторы напряженностей которых равны по модулю и вращаются во взаимно противоположных направлениях с одинаковой угловой скоростью. В оптически активной среде эти волны распространяются с разными фазовыми скоростями. Поэтому после прохождения этими волнами в среде пути l между ними возникает сдвиг по фазе, пропорциональный l. Соответственно в результате наложения этих волн на выходе из слоя толщиной l образуется плоская монохроматическая волна, плоскость поляризации которой повернута относительно плоскости падающей волны на угол?, пропорциональный l.

Вращение плоскости поляризации используется в ряде оптических приборов (оптические затворы, оптические модуляторы).

Некоторые вещества (например, из твердых тел - кварц, сахар, киноварь, из жидкостей - водный раствор сахара, винная кислота, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации.

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать на следующем опыте (см. рис.) Если между скрещенными поляризатором Р и анализатором А, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество (например, кювету с раствором сахара), то поле зрения анализатора просветляется. При повороте анализатора на некоторый угол j можно вновь получить темное поле зрения. Угол j и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор. Так как поворотом анализатора можно получить темное поле зрения, то свет, прошедший через оптически активное вещество, является плоскополяризованным.

Опыт показывает, что все вещества, оптически активные в жидком состоянии, обладают таким же свойством и в кристаллическом состоянии. Однако если вещества активны в кристаллическом состоянии, то не всегда активны в жидком (например, расплавленный кварц). Следовательно, оптическая активность обусловливается как строением молекул вещества (их асимметрией), так и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяются на право- и лево-вращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором - влево (против часовой стрелки). Вращение плоскости поляризации объяснено О. Френелем (1817 г.). Согласно теории Френеля, скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево.

Явление вращения плоскости поляризации и, в частности, формула лежат в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемого поляриметрие1 (сахариметрией). Для этого используется установка, показанная на рис. По найденному углу поворота плоскости поляризации j и известному значению [a] находится концентрация растворенного вещества.

Впоследствии М. Фарадеем было обнаружено вращение плоскости поляризации в оптически неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля. Это явление получило название эффекта Фарадея (или магнитного вращения плоскости поляризации). Оно имело огромное значение для науки, так как было первым явлением, в котором обнаружилась связь между оптическими и электромагнитными процессами.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-11-23 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: