Далее: Лекция 17. Вверх: Лекция 16. Назад: Искусственное двойное

Вращение плоскости поляризации

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

Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота $\varphi$ пропорционален пути $\ell$, пройденному лучом в кристалле:

$$\varphi=\alpha\ell .$$ (12)

Коэффициент $\alpha_{}$ называют постоянной вращения. Эта постоянная зависит от длины волны (дисперсия вращательной способности).

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе $\ell$ и концентрации активного вещества $c_{}$:

$$\varphi=[\alpha]c\ell .$$ (13)

Здесь $[\alpha]$ — величина, называемая удельной постоянной вращения.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. Направление пращения (относительно луча) не зависит от направления луча. Поэтому, если луч, прошедший через оптически активный кристалл вдоль оптической оси, отразить зеркалом и заставить пройти через кристалл еще раз в обратном направлении, то восстанавливается первоначальное положение плоскости поляризации.

Все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях — правовращающей и левовращающей. Существуют 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.9).

Рис. 9

Буквами $c_{}$, $X, Y, Z$ и $T_{}$ обозначены отличающиеся друг от друга атомы или группировки атомов (радикалы). Молекула б является зеркальным отражением молекулы а. Если смотреть на тетраэдр, изображенный на рис.9, вдоль направления $CX_{}$, то при обходе по часовой стрелке будет иметь место чередование $ZYTZ_{}$ для молекулы а и $ZTYZ_{}$ для молекулы б. То же самое наблюдается для любого из направлений $C_{}Y$, $CZ_{}$ и $CT_{}$. Чередование радикалов $X, Y, Z, T$ в молекуле б противоположно их чередованию в молекуле а. Поэтому если, например, вещество, образованное молекулами а, правовращающее, то вещество, образованное молекулами б, будет левовращающим.

Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество (кристалл кварца, прозрачную кювету с раствором сахара и т. п.), то поле зрение просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть один из поляризаторов на угол $\varphi$, определяемый выражением (12) или (13). В случае раствора, зная удельную постоянную вращения $[\alpha]$ данного вещества и длину $\ell$, можно, измерив угол поворота $\varphi$, определить по формуле (13) концентрацию раствора $c_{}$. Такой способ определения концентрации применяется в производстве различных веществ, в частности в сахароварении (соответствующий прибор называется сахариметром).

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

Угол поворота плоскости поляризации $\varphi$ пропорционален пути $\ell$, проходимому светом в веществе, и намагниченности вещества. Намагниченность в свою очередь пропорциональна напряженности магнитного поля $H_{}$ (в соответствии с формулой $\mathbf{J}=\chi\mathbf{H}_{}$, см. И.В.Савельев ``Курс общей физики'' кн.2). Поэтому можно написать, что

$$\varphi = V\ell H.$$ (14)

Коэффициент $v_{}$ называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением. Постоянная $v_{}$, как и постоянная вращения $\alpha_{}$, зависит от длины полны.

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

Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под дейставием магнитного поля прецессией электронных орбит (см. И.В.Савельев ``Курс общей физики'', §7.7 кн.2).

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

Далее: Лекция 17. Вверх: Лекция 16. Назад: Искусственное двойное