Вращение плоскости поляризации

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 (рис.285). 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 можно вновь получить темное поле зрения. Угол 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.

Рис. 285

Опыт показывает, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей для оптически активных растворов

(196.1)

где d — расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, ([ ]) — так называемое удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концентрации — для растворов), С — массовая концентрация оптически активного вещества в растворе, кг/м3. Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме.

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 левовращающие. 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 (196.1) лежат в основе точного, метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, называемого поляриметрией (сахариметрией). Для этого используется установка, показанная на рис. 285. По найденному углу поворота плоскости поляризации и известному значению [ ] из (196.1) находится концентрация растворенного вещества.

Впоследствии М. Фарадеем 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.

Контрольные вопросы

• Что называется естественным светом? плоскополяризованным светом? частично поляризованным светом? эллиптически поляризованным светом?
• Как практически можно отличить плоскополяризованный свет от естественного?
• Интенсивность естественного света, пропущенного через два поляризатора, уменьшилась вдвое. Как ориентированы поляризаторы?
• Чем замечателен угол Брюстера?
• Покажите, что при выполнении закона Брюстера отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны.
• Что называется оптической осью кристалла? Чем отличаются двуосные кристаллы от одноосных?
• Чем обусловлено двойное лучепреломление в оптически анизотропном одноосном кристалле?
• Чем отличаются отрицательные кристаллы от положительных? Приведите построение волновых поверхностей для обыкновенного и необыкновенного лучей.
• Какие поляризационные приборы вы знаете? В чем заключается принцип их действия?
• Что называется пластинкой в четверть волны? в полволны?
• Можно ли с помощью только поляризатора отличить эллиптически поляризованный свет от частично поляризованного? Почему?
• На поляризатор падает циркулярно поляризованный свет, интенсивность которого равна .
• Какова интенсивность света за поляризатором?
• Как, используя пластинку в четверть волны и поляризатор, отличить циркулярно поляризованный свет от естественного?
• Каково будет действие пластинки в полволны на естественный свет? на плоскополяризованный свет, плоскость поляризации которого составляет угол 45° с оптической осью пластинки?
• Что такое эффект Керра? Какова физическая причина его возникновения?
• Какие вещества называются оптически активными?
• В чем отличие оптической активности от двойного лучепреломления?

Задачи

25.1. Определить, во сколько раз уменьшится интенсивность естественного света, прошедшего через два поляризатора, расположенные так, что угол между их главными плоскостями равен 45°, а в каждом из николей теряется5 % интенсивности падающего на него света. [В 4,43 раза]

25.2. Предельный угол полного отражения для пучка света на границе кристалла каменной соли с воздухом равен 40,5°. Определить угол Брюстера при падении света из воздуха на поверхность этого кристалла. [57°]

25.3. Плоскополяризованный свет, длина волны которого в вакууме = 600 нм, падает на пластинку исландского шпата перпендикулярно его оптической оси. Принимая показатели преломления для исландского шпата для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно = 1,66 и = 1,49, определить длины волн этих лучей в кристалле. [ = 361 нм, = 403 нм]

25.4 Определить наименьшую толщину кристаллической пластинки в полволны для = 589 нм, если разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей для данной длины волны = 0,17. [1,73 мкм]

25.5. Естественный монохроматический свет падает на систему из двух скрещенных николей, между которыми находится кварцевая пластинка толщиной 4 мм, вырезанная перпендикулярно оптической оси. Во сколько раз уменьшится интенсивность света, прошедшего через эту систему, если удельное вращение кварца равно 15 угл. град/мм? [В 2,67 раза]