4.5.3. Поляриметрия

Электромагнитная волна, в которой вектор E лежит в одной определенной плоскости, называется плоскополяризованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор E в направлении распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом.

В естественном свете, идущем от солнца, накаленной нити лампы, газоразрядной трубки и т.д., складываются неупорядоченные излучения множества хаотически ориентируемых атомов, и поэтому направление вектора E не находится в одной плоскости.

Таким образом, свет можно рассматривать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы которых ориентированы по всевозможным перпендикулярным лучу направлениям.

Устройство, позволяющее получить поляризованный свет из естественного, называется поляризатором.

При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоско-поляризованного света. Следовательно, поляризатор можно использовать для анализа поляризованного света. В данном случае его называют анализатором.

Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрического вектора E₀ падает на анализатор, то он пропустит некоторую составляющую

, (4.13)

где φ – угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора.

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то

, (4.14)

где J₀ – интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор;

J – интенсивность света, выходящего из анализатора.

Уравнение (4.14) является законом Малюса.

Плоскополяризованный луч можно получить при отражении света от границы двух диэлектриков.

По закону Брюггера, если угол падения удовлетворяет условию

, (4.15)

где i – угол полной поляризации;

n – относительный показатель преломления двух сред,

то отраженный луч полностью будет плоскополяризован.

Плоскополяризованный луч можно получить при явлении двойного лучепреломления, которое наблюдается у ряда кристаллов.

Сущность двойного лучепреломления заключается в том, что при попадании света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются законы преломления. Поэтому этот луч называют обыкновенным. Для другого луча эти законы не выполняются. Его называют необыкновенным.

Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости кристалла, а у необыкновенного лежат в главной плоскости. Оба луча поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двойное лучепреломление объясняется особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах – амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направлений этих колебаний.

Кристаллы, обладающие свойствами двойного лучепреломления, непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей слишком слабо разведенны, а в некоторых случаях перекрывают друг друга.

Однако из этих кристаллов изготавливают специальные поляризованные призмы. К таким наиболее распространенным призмам относится призма Николя. Она представляет собой призму, изготовленную из кристалла исландского шпата, который разрезан по диагонали и склеен клеем канадским бальзамом (рис. 4.16), для которого n= 1,550; что соответствует показателю преломления обыкновенного луча. Это позволяет, подобрав соответствующим образом углы призмы, обеспечить полное отражение обыкновенного луча (о) на границе с канадским бальзамом.

Рис. 4.16. Призма Николя

Необыкновенный луч (е) выходит из призмы Николя параллельно нижней грани.

Существуют другого вида поляризаторы – турмалин, а также поляроиды, которые состоят из мелких кристалликов герапатита, выложенных с помощью электрического поля на целлулоидной пленке.

Основными недостатками турмалина и поляроидов, по сравнению с призмой Николя, являются их плохие спектральные характеристики.

Вещества, обладающие свойством вращать плоскость поляризационного луча, называются оптическими.

Если между анализатором и поляризатором поместить кварцевую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то свет дойдет до наблюдателя.

Если же анализатор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться затемнения; используя свет различной длины, можно обнаружить дисперсию вращению плоскости поляризации, то есть зависимость угла поворота плоскости поляризационного луча от длины волны.

Для определенной длины волны угол поворота плоскости поляризации (α) пропорционален расстоянию ( ), пройденному светом в оптически активном веществе.

, или ,

где - коэффициент пропорциональности или постоянная вращения, град/мм.

Для растворов был установлен закон

,

где С – концентрация оптически активного вещества;

- толщина слоя раствора;

[ ] - удельное вращение; ~1/λ² и зависит от температуры и свойств растворителя.

Оптически активные вещества делятся на правовращающиеся, то есть вращение плоскости поляризации происходит по часовой стрелке, и вращающиеся против часовой стрелки, левовращающиеся, вещества.

Постоянная вращения в обоих случаях одинакова. К оптически активным веществам относятся чистые жидкости (скипидар), растворы активных веществ в неактивных растворителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфоры).

Метод измерения концентрации растворенных веществ называется поляриметрией.

Метод измерения сахара в моче, в биофизических исследованиях, а также в пищевой промышленности называется сахарометрией.

Соответствующие измерительные приборы называются поляриметрами и сахариметрами. Поляриметр позволяет измерять не только концентрацию, но и удельное вращение.

Используя светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны, то есть дисперсию оптической активности. Приборы, используемые для этой цели, называются спектрополяриметрами.

Поляриметрия в молекулярной биофизике используется как метод, позволяющий использовать структурные превращения биологического вещества. В частности, он находит графическую зависимость удельного вращения полипептидов от состава растворителя (дихлоруксусной кислоты). При 80 % дихлоруксусной кислоты происходит резкое падение активности. Это свидетельствует об изменении конформации полипептида.

В биологии и медицине широко используется поляризационная микроскопия. Поляризационный микроскоп аналогичен обычному биологическому микроскопу, но имеет поляризатор перед конденсатором и анализатор в тубусе между объективом и окуляром. Предметный столик может вращаться вокруг оптической оси микроскопа.

Таким образом, объект освещают поляризованными лучами и рассматривают через анализатор. Если скрестить поляризатор и анализатор, то поле зрения будет темным. Так как некоторые ткани – мышечная и костная – обладают оптической анизотропией, то при помещении последних на предметный столик будут видны только те волокна мышечной или костной ткани, анизотропия которых изменяет поляризационный свет.

Поляризованный свет может быть использован в модельных условиях для оценки механических напряжений, возникающих в костных тканях. Данный метод основан на явлении фотоупругости, которое заключается в возникновении оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок.

Поляризационный микроскоп широко используется для изучения строения клеток.