Вопрос 2. Вращение плоскости поляризации.

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. К числу таких веществ относятся некоторые кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин, винная кислота) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

Кристаллические вещества сильнее вращают плоскость поляризации, если свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота плоскости поляризации j для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей пропорционален пути l, пройденному лучом в активном веществе:

j = al. (14.6)

Коэффициент a называется постоянной вращения.Эта постоянная зависит от длины волны света (дисперсия вращательной способности).

Для оптически активных растворов угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе и концентрации активного вещества С:

j = g С l, (14.7)

где g - удельная постоянная вращения.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации подразделяются на право- и левовращающие. Правовращающие вещества вращают плоскость поляризации по часовой стрелке, если наблюдатель смотрит навстречу лучу, левовращающие – против часовой стрелки. Все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях - правовращающей и левовращающей. Существует право- и левовращающий кварц, право- и левовращающий сахар и т.д. Молекулы или кристаллы одной разновидности являются зеркальным отражением молекул или кристаллов другой разновидности.

Рис.14.3.

Буквами обозначены отличающиеся друг от друга атомы или группы атомов (радикалы). Молекула б) является зеркальным отражением молекулы а), рис.14.3.

Наблюдают вращение плоскости поляризации следующим образом. Если между двумя скрещенными поляризаторами, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество (кристалл кварца, прозрачную кювету с раствором сахара и т.п.), то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть один из поляризаторов на угол j, определяемый выражением (14.6) или (14.7), и можно определить концентрацию раствора С. Такой способ применяется для определения концентрации различных веществ с помощью приборов, которые называютсяполяриметрами.Поляриметры, используемые для определения сахара в растворе, называются сахариметрами.

Вращение плоскости поляризации объяснил Френель. Согласно Френелю явление вращения плоскости поляризации сводится к особому типу двойного лучепреломления. Причиной вращения плоскости поляризации является различие скоростей распространения в оптически активных веществах для левого и правого циркулярно поляризованного света.

Магнитное вращение плоскости поляризации.Оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление было обнаружено Фарадеем и называется иногда эффектом Фарадея.Оно наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности. Поэтому для наблюдения эффекта Фарадея в полюсных наконечниках просверливают отверстия, через которые пропускают световой луч. Исследуемое вещество помещается между полюсами магнита (рис. 14.4).

Рис. 14.4

Угол поворота плоскости поляризации j пропорционален пути l, проходимому светом в веществе, и намагниченности вещества. Намагниченность в свою очередь пропорциональна напряженности магнитного поля Н. Поэтому

j = VlH. (14.8)

Коэффициент V называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением.Постоянная V, как и постоянная вращения a, зависит от природы вещества, длины волны света и для большинства веществ практически не зависит от температуры.

Направление вращения плоскости поляризации определяется направлением магнитного поля. От направления светового луча знак вращения плоскости поляризации не зависит. Поэтому, если отразить луч зеркалом и заставить его пройти через намагниченное вещество ещё раз в обратном направлении, то поворот плоскости поляризации удвоится.

Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит в атомах.

Оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поляризации, которая складывается с их естественной способностью.

Контрольные вопросы:

1. Что такое эффект Керра? Какова физическая причина его возникновения? Где применяется?

2. Объясните действие светового затвора ячейки Керра в сочетании с поляризатором и анализатором.

3. Какие вещества называются оптически активными?

4. В чем отличие оптической активности от двойного лучепреломления?

5. Назовите практическое применение явления вращения плоскости поляризации.