11.8. Вращение плоскости поляризации

Воздействие вещества на проходящий свет зависит от состояния поляризации световой волны. Существуют вещества (кристаллы и растворы), которые обладают свойством изменять ориентацию плоскости поляризации линейно поляризованного света, не изменяя вида поляризации. Вещества, обладающие таким свойством, называются оптически активными, а само явление – вращением плоскости поляризации. Угол поворота как показывает опыт, пропорционален длине пути света в оптически активной среде l:

(11.7)

где – величина, называемая постоянной вращения. Оптически активными веществами являются: кварц, камфора, целлофан, скипидар, водные растворы сахара, глюкоза и др. Различные вещества вращают плоскость поляризации либо вправо (против часовой стрелки, если смотреть навстречу лучу, распространяющемуся вдоль оси z > 0), либо влево (по часовой стрелке). В соответствии с этим они подразделяются на правовращающие и левовращающие.

Объяснение вращения плоскости поляризации было дано Френелем. Любую линейно поляризованную волну можно представить как суперпозицию двух волн с правой и левой круговой поляризацией с одинаковыми частотами и амплитудами, равными половине амплитуды исходной волны. Согласно Френелю, вращение плоскости поляризации обусловлено тем, что в оптически активной среде волны с правой и левой круговой поляризацией распространяются с различными фазовыми скоростями:

а) б)

Рис. 11.13

Пусть при входе в вещество (в плоскости z = 0) фазы обеих волн одинаковы. Тогда результирующий вектор E = E_R + E_L будет колебаться вдоль прямой АА (в плоскости XY), совпадающей с осью X и являющейся осью симметрии векторов E_R и E_L (рис. 11.13, а). Так как то при прохождении в веществе расстояния l фаза правой волны измениться на а левой – на Векторы E_R и E_L, вращаясь с одинаковой угловой скоростью w, повернуться на разные углы Поэтому после сложения составляющих E_R и E_L вновь получится линейно поляризованная волна, но ее плоскость поляризации ВВ (плоскость симметрии векторов E_R и E_L окажется повернутой относительно плоскости АА либо вправо (при , как на рис. 11.13, б), либо влево (при ) на угол

или, вводя показатели преломления правой и левой волн,

Полученное соотношение совпадает с экспериментальной формулой (15.7).

Физический смысл формальной теории Френеля связан с существованием двух видов молекул и кристаллов, являющихся зеркальным отображением друг друга. Такие молекулы и кристаллы называют оптическими изомерами. Они содержат атомы, не обладающие центром симметрии и плоскостью симметрии. Совместить друг с другом их невозможно. Из химии известно, что оптической активностью обычно обладают вещества, молекулы которых содержат асимметричный атом углерода. Под асимметричным атомом углерода в химии понимается атом углерода, связанный с четырьмя различными атомами или радикалами. Связи четырехвалентного атома углерода идут примерно под тетраэдрическими углами (примерно ) друг к другу. Возможны две молекулы такого вещества, похожие друг на друга, как предмет и его изображение в зеркале. Другим примером оптического изомера могут служить молекулы в виде правой и левой спирали. Действие левых и правых волн на такие молекулы различно. Поэтому при наличии в веществе молекул обоих типов они и создают суммарный эффект поворота плоскости поляризации.

При прохождении линейно поляризованного света через раствор, содержащий оптически активное вещество, угол поворота плоскости поляризации пропорционален числу асимметричных молекул, встречающихся на пути луча. Но число таких молекул пропорционально концентрации c оптически активного вещества и длине пути луча l. Следовательно, угол поворота плоскости поляризации в растворе

где – коэффициент пропорциональности, называемый удельным вращением. Оптически активным раствором, как уже отмечалось, является, например, раствор сахара. Зависимость угла вращения плоскости поляризации от концентрации лежит в основе метода определения концентрации оптически активного вещества в растворах.

Вещества, не являющиеся оптически активными, становятся таковыми при помещении их в сильное магнитное поле (эффект Фарадея).