книги из ГПНТБ / Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика

лению наблюдения. Если этот угол мал, степень поляри­

степень поляризации близка к нулю, свет будет почти естественным. Степень поляризации Р можно измерить с помощью поляриметров.

Степень поляризации молекулярного кристалла опре­ деляется его собственной структурой и не зависит от вида возбуждения. Поэтому возбуждение может быть совершен­ но изотропным. Например, можно возбуждать кристалл естественным светом (как правило, в ультрафиолетовой области спектра) и наблюдать поляризованную люминес­ ценцию в направлении возбуждения. Конечно, все ска­ занное относится только к монокристаллам; в поликристаллическом порошке случайная ориентация отдельных кристалликов приводит к общей изотропии.

Иное дело кубические кристаллы. Они оптически изотропны, поэтому при изотропном возбуждении их люминесценция не поляризована. Однако при поляризо­ ванном возбуждении и они могут излучать поляризован­ ный свет.

Самый простой способ создания искусственно анизо­ тропной среды — механическое растяжение полимерных пленок — целлофановых, полистироловых и других, про­ крашенных анизотропными люминесциругощими молеку­ лами, например ярко люминесцирующими красителями или ароматическими соединениями. При этом молекулы ориентируются длинными осями вдоль направления рас­ тяжения. Ориентация при этом получается только частич­ ная, полной ориентации добиться практически невозмож­ но, однако можно получить довольно высокую степень ани­ зотропии. Если в молекулярном кристалле все молекулы ориентированы, хотя и не все одинаково, то в полимерной пленке есть вообще неориентированные молекулы. Число молекул, длинная ось которых составляет определенный угол с осью растяжения, тем больше, чем меньше этот угол. Кроме того, оно зависит от степени растяжения.

Можно условно поделить все молекулы в пленке на две части — полностью ориентированные молекулы и полно­ стью хаотичные. Чем больше первая часть, тем выше анизотропия пленки. Если возбуждать молекулы пленки естественным светом и наблюдать люминесценцию в том же направлении, то будет обнаружена частичная поляри­

30

заЦия, обусловленная именно частичной ориентацией молекул.

В природе и в технологических процессах встречается много пленок и волокон с частичной анизотропией — есте­ ственного или искусственного происхождения. В качест­ ве примера можно назвать окрашенные флуорохромами некоторые нервные волокна, волокна искусственного шел­ ка, растянутые нити овечьей шерсти, имеющие собствен­ ную люминесценцию в ультрафиолетовой области, ось птичьего пера.

Искусственную ориентацию люминесцирующих ани­ зотропных молекул можно получить также с помощью сильных электрических и магнитных полей.

Любопытна ориентация вытянутых по форме линей­ ных молекул в струе раствора. Это явление подобно ори­ ентации бревен вдоль течения реки в молевом сплаве.

Интересным случаем ориентированных сред, обладаю­ щих спонтанной поляризацией люминесценции, являются так называемые мезофазы, или жидкие кристаллы. Это промежуточное состояние вещества между жидким и кристаллическим. Известно очень много органических веществ, способных к образованию жидких кристаллов. На вид и по многим свойствам они напоминают жидкость, но обладают внутренним упорядоченным строением. Две основные структурные разновидности жидких кристал­ лов — нематическая форма (молекулы вытянуты парал­ лельно одна другой с сохранением лишь ближнего поряд­ ка без упорядочения продольных сдвигов молекул) и смектическая форма (молекулы образуют слои, распола­ гаясь перпендикулярно плоскости слоев). Такие структу­ ры образуются и в некоторых коллоидных растворах, на­ пример в водных растворах мыла.

Если нематические и смектические системы прокраши­ вать флуоресцирующими красителями или ароматическими соединениями и возбуждать естественным светом, то флуо­ ресценция оказывается частично поляризованной.

Многие элементарные биологические образования (граны хлоропластов, отдельные элементы клеток — рибо­ сомы, митохондрии, палочки и колбочки светочувстви­ тельного слоя сетчатки и многие другие) оказались упо­ рядоченными системами с определенной внутренней структурой, которые можно назвать квазикристаллами. Поэтому и собственная люминесценция таких систем,

31

и люминесценция окрашивающих их флуорохромов может быть поляризованной.

Ясно, что во всех перечисленных случаях ориентиро­

ким методом исследования их структуры. Поляризованную люминесценцию можно наблюдать и

в изотропных средах — растворах, парах, кубических кристаллах, если возбуждать ее анизотропно. Возбужда­ ющий световой луч в общем случае анизотропен из-за

поперечности колебаний световой волны. Анизотропия максимальна, когда свет линейно поляризован. Поэтому рассмотрим в первую очередь случай, когда люминесцен­ ция изотропного жидкого раствора анизотропных молекул возбуждается линейно-поляризованным светом (рис. 11).

Раствор вещества, у которого осцилляторы излучения молекул линейны, помещен в стеклянную кювету. Воз­ буждение производится сбоку вертикально линейно-поля­ ризованным светом. Люминесценция наблюдается в на­ правлении, перпендикулярном возбуждению. Вертикаль­ но поляризованным светом из хаоса молекул отбираются и возбуждаются преимущественно молекулы, ориентиро­ ванные так, что их осциллятор поглощения вертикален (Аі). Совсем не возбуждаются молекулы, у которых он горизонтален (А2). Молекулы, ориентированные проме­ жуточным образом (Аз), имеют и промежуточную веро­ ятность поглощения возбуждающего света. В результате возбуждаются молекулы с некоторой преимущественной

32

ориентацией, и если осциллятор пзлучсппя направлен в молекуле так же, как и осциллятор поглощения, то люми­ несценция частично вертикально поляризована. Но моле­ кулы в растворе совершают поступательное и вращатель­ ное тепловое движение. Если за время возбужденного состояния молекулы могут повернуться на значительный угол, то ясно, что приобретенная при возбуждении ани­ зотропия раствора к моменту излучения будет утрачена. Поэтому поляризация флуоресценции наблюдается только в вязких растворах (глицерине, маслах) плп при очень низкой температуре.

Предельной (максимальной) поляризация будет тог­ да, когда молекулы неподвижны. Можно показать, что в этом идеальном случае Р = 50 % •

Если в том же эксперименте производить возбуждение естественным светом, флуоресценция все же останется поляризованной, хотя степень поляризации уменьшится. Дело в том, что возбужденные осцилляторы, расположен­ ные в горизонтальной плоскости перпендикулярно направ­ лению возбуждения, не могут излучать свет в выбранном нами направлении наблюдения из-за поперечпости свето­ вых колебаний. Если же при возбуждении естественным светом вести наблюдение в направлении, совпадающем с направлением возбуждения, то флуоресценция будет пеполяризоваштой.

В последние годы, получив мощные источники света типа лазеров и специальных импульсных ламп, экспери­ ментаторы имеют возможность осуществлять так называе­ мое двухфотонное возбуждение молекул, которое происхо­ дит или путем одновременного поглощения двух фотонов одной молекулой, или ее последовательным, двухступенча­ тым возбуждением. В обоих случаях в процессе кроме ос­ новного и излучательного участвует еще некоторый проме­ жуточный уровень. Возможен также и кооперативный процесс возбуждения — суммирование энергий возбуж­ дения двух молекул на одной из них. Оказывается, состояние поляризации излучения изотропных сред раз­ лично при двухфотоииом и однофотонном возбуждении и сильно зависит от характеристик промежуточного состоя­ ния. Вообще говоря, при двухфотонном возбуждении сле­ дует ожидать сильнее выраженную анизотропию излуче­ ния, чем при однофотонном. Причина в том, что второе анизотропное возбуждение производит отбор по направ-

леипям возбуждаемых осцилляторов не из хаоса, а из не­ которой первичной анизотропии, предварительно создан­ ной первым анизотропным возбуждением.

И действительно, расчет показывает, что если при одпофотоииом лпнейно-поляризованпом возбуждении предель­ ная степень поляризации люминесценции изотропного ра­ створа Р = '/2, то в сопоставимом случае двухфотонпого возбуждения Р = 2/з-

Самая большая польза от поляризации люминесценции при двухфотониом возбуждении заключается в возможно­ сти получения информации о характеристиках промежу­ точных состояний и переходов из этого состояния в основ­ ное и излучательное.

Попытки экспериментально обнаружить поляризацию люминесценции сложных молекул в napáx пока не увен­ чались успехом. Зато в napáx давно обнаружена и исследо­ вана поляризация флуоресценции двухатомных молекул, а также поляризация флуоресценции и резонансного из­ лучения атомов. В двухатомных молекулах осцилляторы из­ лучения связаны с осью молекулы. Молекулы в парах все время вращаются, что должно приводить к деполяризации излучаемого света, но полной деполяризации все же ие будет. Степень поляризации в napáx согласно классиче­ ской теории не превышает 15%. На опыте же в ряде слу­ чаев наблюдаются и большие степени поляризации. Эти случаи можно объяснить только с помощью квантовой тео­ рии.

Экспериментально поляризация люминесценции двух­ атомных молекул обнаружена и исследована в парах натрия, йода, рубидия, калия, ртути, кадмия, цинка.

Резонансное излучение возникает в результате пере­ хода между темн же уровнями энергии в атоме, что и поглощение света, только в обратном направлении (рис. 12, а). Поляризация резонансного излучения хорошо объясняется с помощью классических представлений об осцилляторах. Изучение явления осложняется тем, что результат сильно зависит от внешнего магнитного поля, даже очень слабого, например от магнитного поля Земли. Поле не влияет на поляризацию только в том случае, ког­ да его направление совпадает с направлеиием электриче­ ского вектора возбуждающего света.

В отсутствие магнитного поля при возбуждении линей­ но-поляризованным светом резонансное излучение должно

34

быть полностью лииейно-поляризованпым в направлении, перпендикулярном электрическому вектору возбуждающе­ го света, и пеполяризованным в направлении возбуждаю­ щего электрического вектора. Во втором случае интенсив­ ность излучения очень мала.

При возбуждении резонансного излучения светом, по­ ляризованным по кругу, излучение, наблюдаемое в направ­ лении возбуждения, также поляризовано по кругу с тем же направлением вращения.

6

Рис. 12. Схема переходов, соответ­ ствующих резонансному нзлучспиго (а) и флуоресценции атомов (б)

Рис. 13. Поляризация люминесценции кубического кристалла зависит от взаимной ориентации кристалла и возбуждающего электрического век­ тора »

О\, О2, Оз — осцилляторы излучения, ориентированные вдоль осей кубиче­ ского кристалла

Именно эти предсказанные теорией закономерности и обнаруживаются на опыте.

Атомная флуоресценция, при которой излучение в от­ личие от резонансного происходит с иного уровня, чем тот,

мерности достаточно сложны и полностью могут быть опи­ саны только с помощью кваптовой теории.

Наконец, еще одни пример изотропных сред, которые излучают поляризованную люминесценцию при возбужде­ нии поляризованным светом,— это кубические кристаллы. Симметричное строение их решетки приводит к тому, что

2* 35

они оптически изотропны. Однако их изотропия сущест­ венно отличается от изотропии, например, жидких раство­ ров. Осцилляторы излучения в кубических кристаллах не образуют хаотически равномерной макроскопической си­ стемы, а строго ориентированы вдоль осей симметрии кри­ сталла. Но при изотропном возбуждении результат полу­ чается таким же, как и в случае жидких растворов,— лю­ минесценция не поляризована. Отличие от растворов про­ является в том, что прп лпнейно-поляризоваином возбуж­ дении результат зависит от ориентации кристалла относи­ тельно электрического вектора возбуждающего света. При ориентации Е под 45° относительно осцилляторов О, и 0-, (рис. 13) люминесценция не поляризована. Зато при такой ориентации, когда электрический вектор Е> или E¡ со­ впадает с одним из осцилляторов излучения, степень по­ ляризации люминесценции будет максимальной (соответ­ ственно+100% и —100%).

Это существенно отличает данный случай от жидкого раствора.

Можно сказать, что кубические кристаллы обладают внутренней скрытой анизотропией, которую можно про­ явить с помощью поляризованного возбуждения.

Экспериментально поляризованная люминесценция описанного типа была открыта и исследована на монокри­ сталлах флуорпта CaF2 и др.

Эффект Зеемана

Открытие в конце XIX в. этого явления, названного по имени его первооткрывателя, было важным шагом в исто­ рии оптики. Как и эффект Фарадея, оно показало тесную связь оптических и магнитных явлений. Для нас этот эф­ фект представляет интерес потому, что он связан с излу­ чением поляризованного света.

Схема экспериментальной установки, на которой мож­ но продемонстрировать расщепление спектральных линий, показана на рис. 14.

Источник света S с линейчатым спектром помещен между полюсами сильного электромагнита. Наблюдение спектра может осуществляться вдоль магнитного поля по направлению а (продольный эффект) и поперек ноля по направлению b (поперечный эффект). В том и другом па-

36

правлении анализируются спектр и поляризация света в магнитном поле и без него.

Для простых одиночных спектральных линий (напри­

рис. 15. Неполяризованная линия с частотой ѵ при нало­

Рис. 14. Схема установки для исследования аффекта Зеемана

Рис. 15. Эффект Зеемана

a) поля нет (свет не поляризован) ; 6) продольный эффект; в) поперечный эффект

линии с частотами ѵ — Дѵ, ѵ и ѵ-(- Дѵ. Все три линии ли­ нейно поляризованы, ио крайние — перпендикулярно нап­ равлению магнитного поля В, а средняя линия — вдоль поля. Эта липпя с неизмененной частотой называется я-компопептои, а обе лнинн с измененной частотой — о-компопептами. Величина смещения частоты пропорцио­ нальна индукции В магнитного поля. По интенсивности л-комнонента вдвое сильнее каждой из о-компонент.

37

Попробуем объяснить это явление. Гармоническое ко­ лебание электрона в атоме всегда можно для простоты и наглядности разложить на произвольные компоненты, лишь бы их сумма всегда давала исходное колебание. Разложим колебание электрона па гармоническое линей­ ное колебание вдоль направления магнитного поля В и на два равномерных круговых движения — правое и левое — в плоскости, перпендикулярной В. На движущийся в маг­ нитном поле электрон действует со стороны магнитного поля спла, называемая силой Лоренца, направление кото­ рой определяется школьным правилом левой руки, а ве­ личина зависит от величины В п от угла между В и нап­ равлением движения заряда:

^лор = еѵВ sin (и, 5),

где е — заряд электрона, ѵ — его скорость. Поэтому дейст­ вие поля В па линейно поляризованную компоненту равно

нулю [sin (и, В) = 0], а действие поля па круговые ком­ поненты выразится силой, направленной по радиусу в од­ ном случае к центру, в другом — от центра. Изменение центростремительной силы приводит к изменению часто­ ты вращения. Это изменение частоты равно

где т— масса электрона, т. с. действительно пропорцио­ нально В. А колебание вдоль поля сохраняет первоначаль­ ную частоту V. Таким образом, излучение осциллятора состоит из трех частот: ѵ (л-компонента) пѵ± Аѵ (о-ком- поиеиты). В направлении, перпендикулярном полю, зт-ком- понеита линейно поляризована по полю (в соответствии с направлением колебаний этой компоненты осциллятора), а о-компоиеиты представляются линейно поляризованны­ ми перпендикулярно нолю (так как направление наблюде­ ния лежит в плоскости круговых колебаний). При наблю­ дении вдоль поля л-компоііеита нс излучается вследствие поперечностп световых колебаний, а о-компоиенты поля­ ризованы по правому п левому кругу.

Такая классическая модель полностью объясняет эффект Зеемана.

Столь же полно явление можно объяснить и с кванто­ вой точки зрения. Во внешнем магнитном поле происходит

38

расщепление уровней, соответствующее дискретным воз­ можностям ориентации момента количества движения от­ носительно направления поля и определяемое магнитным квантовым числом т. Излучательные переходы с образо­ вавшихся уровней согласно правилам отбора дают лпией- но-поляризоваипый свет при А/и = 0 (я-компоиента) я циркулярно- (право- и лево-) поляризованный при А = = ±1 (о-компоненты).

Описанное явление называется нормальным эффектом Зеемана и наблюдается на простых одиночных спектраль­ ных линиях.

Линии, обладающие сложным строением (мультиплѳты), дают в магнитном поле более сложное расщепление на я- и о-компоненты, называемое аномальным эффектом Зеемана.

Расщепление спектральных линий на я- и о-компонен­ ты в сильных электрических полях называется эффектом Штарка.

Эффект Штарка и аномальный эффект Зеемана нельзя объяснить на основе классических представлений, они ин­ терпретируются только с помощью квантовой механики.

Свечение Вавилова—Черенкова

Этот принципиально новый впд излучения света сопровожу дает движение заряженных частиц (например, электро­ нов) в среде (например, в водб) со скоростью, превышаю­ щей фазовую скорость света в данной среде ’. Не вдаваясь в подробное объяснение свойств этого интереснейшего яв-

Рнс. 1C. Поляризация излу­ чения Вавилова—Черенкова

ОА — направление излучения; 00 — направление движения частиц

1 Здесь нет противоречия со специальной теорией относитель­ ности, утверждающей, что не может быть скорости, превышаю1щей скорость света в вакууме.

39