ЛЕКЦИЯ №13

« Изменение интенсивности линейно поляризованного света. Оптически активные вещества»

Введение

Знание особенностей и причин анизотропии важно для понимания многих вопросов строения вещества и для разнообразных практических приложений. Один из тонких и плодотворных методов исследований - изучение оптической анизотропии с помощью поляризованного света.

Содержание

1. Степень поляризации.

2.Искусственная анизотропия. Способы ее получения.

3.Оптическая активность. Левовращающие и правовращающие оптически активные вещества. Удельное вращение оптически активных веществ.

4.Терия Френеля.

5.Дисперсия света.

Заключение

Литература

2.Савельев И.В. Курс общей физики т.3 М.изд. Дрофа,2003г.

3. .Калитиевский Н.И. Волновая оптика, М. изд. Наука1986г

4 Матвеев А.Н. Оптика, М., изд. Высшая школа, 1989г.

5. Крауфорд, Курс физики т.3, М.изд. Наука, 1974г.

Наглядные пособия

1.Компьютерные демонстрации

2.Презентации.

Степень поляризации

Свет, в котором колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений. называется частично поляризованным. Его можно рассматривать как смесь естественного и линейно поляризованного. Частично поляризованный свет, как и естественный, можно представить в виде наложения двух некогерентных линейно поляризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Отличие заключается

в том, что в случае естественного света интенсивность этих волн одинакова, а в случае частично поляризованного - разная. Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча, интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от до, причем переход от одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол, равный/2 (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности).

(13.1)

Выражение (13,1) называется степенью поляризации. Для линейно поляризованного света и Р=1; для естественного света

и Р=0. К эллиптически-поляризованному свету понятие степени поляризации не применимо (у такого света колебания полностью упорядочены).

Искусственная анизотропия. Способы ее получения.

Вернемся к качественной характеристике природы явлений, приводящих к возникновению двойного лучепреломления и других особенностей распространения света в кристаллах. Очевидно, что анизотропия среды служит тем основным физическим свойством, которое и обусловило рассмотренные экспериментальные факты. Но, по-видимому, следует говорить об анизотропии как о каком-то интегральном эффекте, связанном с упорядоченным расположением молекул, а не об асимметрии самих молекул, которая должна усредниться при их хаотическом расположении и в общем случае не может привести к возникновению преимущественных направлений в изучаемом веществе. Как уже указывалось, внешним воздействием изотропное тело можно сделать анизотропным. Следовательно, можно искусственно создать двояко преломляющую среду. Ниже излагаются наиболее характерные способы получения искусственного двойного лучепреломления.

1.Анизотропия при деформациях. Если подвергнуть какое-либо прозрачное тело сжатию (или растяжению), то в результате такого воздействия образуется своеобразный «квазикристалл», оптическая ось которого проходит в направлении сжатия (растяжения). Симметрия всех свойств вещества в плоскости, перпендикулярной направлению сжатия, совершенно очевидна, поэтому в данном случае имеет смысл говорить о возникновении одноосного квазикристалла. Это явление легко наблюдать на опыте, схема которого приведена на рис. 13.1.

Рис.13.1 К анизотропии, возникшей при деформации

прозрачного изотропного тела

Через тело, подвергшееся сжатию, пропускают свет в направлении, перпендикулярном образовавшейся оптической оси; следовательно, в нем должна возникнуть эллиптическая поляризация.

Для измерения в схему введена пластинка в четверть длины волны, а колебания вектора Е, пропущенные поляризатором Р₁и анализатором Р₂должны составлять уголс осью квазикристалла. Оказывается, что,, где F — сила натяжения, возникающего в веществе. Следовательно, измеряя, можно оценить нагрузку, действующую на исследуемое тело. Это позволяет создать оптический метод исследования напряжений в различных системах. Конечно, он пригоден лишь для прозрачных тел, но позволяет моделировать механическую систему и оценивать напряжение в различных ее частях. Оптический метод также широко используется для исследования напряжений в оптическом стекле, возникающих при его изготовлении. Все детали "ответственных оптических узлов, как правило, просвечивают поляризованным светом для обнаружения в них возможных остаточных напряжений. На рис. 13.2 проиллюстрированы поляризационные опыты со стеклами, в которых натяжения образовались при термической обработке.

Рис.13.2 Картины, создаваемые механическими напряжениями

В стекле при освещении его поляризованным светом

Закаленный стеклянный кубик между параллельно

Установленными поляроидами(а) и между перпендикулярно

установленными поляроидами(б)

Разность оказывается зависящей от длины волны, и при

освещении таких стекол немонохроматическим излучением картина в поляризованном свете получается разноцветной.

2. Анизотропия в электрическом поле. Возникновение анизотропии в электрическом поле было обнаружено Керром в 1875 г. и с тех пор широко используется в технике эксперимента. В настоящее время явление Керра хорошо исследовано как экспериментально, так и теоретически. Это оказалось возможным благодаря тому, что эффект наблюдается в веществах, находящихся в жидком и даже газообразном состоянии, а их изучение несравненно проще изучения твердого тела.

Схема опыта относительно проста (рис. 13.3)

Рис.13.3 Схема опыта с ячейкой Керра

Между двумя скрещенными поляризаторами Р₁и Р₂располагают плоский конденсатор. Между пластинами конденсатора помещают кювету с жидким нитробензолом — веществом, в котором изучаемый эффект весьма велик. При включении напряжения происходит поляризация молекул нитробензола и их выстраивание. Тем самым создается анизотропия вещества с преимущественным направлением (оптической осью квазикристалла) вдоль электрического поля. Так же как и при механической деформации, излучение становится эллиптически поляризованным и частично проходит через второй поляризатор, скрещенный с первым, т. е. установленный так, чтобы не пропускать линейно поляризованный свет. Опыт дает, где К — некая константа, как правило, положительная. Однако для некоторых веществ К оказывается меньше 0 (это значит, чтот. е. образуется «отрицательный» квазикристалл).

Такой эффект был объяснен Борном, дополнившим исходную теорию явления, развитую Ланжевеном. В теории Ланжевена предполагалось возникновение и выстраивание наведенных электрическим полем (индуцированных) дипольных моментов, тогда как в дополнении Борна учитывалась также ориентация постоянных дипольных моментов, которыми обладают некоторые жидкости. Знак постоянной Керра обусловлен относительной ролью этих двух физических процессов.

Абсолютное значение константы К характеризует пригодность данного вещества к использованию его в ячейке Керра. Обычно постоянной Керра называют эту величину, выраженную в длинах волн, т. е. Она заметно уменьшается с повышением температуры жидкости, так как тепловое движение молекул препятствует их ориентации. Для нитробензола она достаточно велика — эффект легко наблюдается при подаче на конденсатор импульса напряжения с амплитудой в несколько сотен вольт. Наблюдение эффекта Керра в других жидкостях (а особенно в газах) требует использования значительно большей напряженности электрического поля.

Наиболее важной особенностью эффекта Керра, обусловившей широкое его применение, является весьма малая инерционность, так как преимущественная ориентация молекул в электрическом поле устанавливается в течение 10^-9-10^-10с. помещенная между скрещенными поляризаторами, может служить В отсутствие напряжения на пластинах конденсатора затвор будет закрыт. При включении напряжения затвор пропускает значительную часть света, падающего на первый поляризатор. Ячейку Керра применяют для изучения длительности молекулярных процессов.

3. Явление Коттон-Мутона. Аналогично возникновению двойного лучепреломления в электрическом поле возможно также возникновение искусственной анизотропии под действием магнитного поля. Если асимметричные молекулы обладают постоянным магнитным моментом (парамагнитное тело), то в отсутствии внешнего магнитного поля, воздействующего на магнитные моменты молекул, хаотическое расположение молекул обеспечивает макроскопическую изотропию среды, несмотря на отдельную анизотропию молекул. Наложение достаточно сильного магнитного поля, ориентирует магнитные моменты относительно магнитного поля. Ориентация анизотропных молекул сообщает всей среде свойства анизотропии. Возникновение двойного лучепреломления под действием магнитного поля происходит, когда направление распространения света происходит перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.

, гдеD- постоянная, зависящая от свойств среды.

Вращение плоскости поляризации

Естественное вращение. Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них линейно поляризованного 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 др.). Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптиче-

ской оси кристалла. Угол поворота пропорционален путиd, пройденному лучом в кристалле:

(13.2)

Коэффициент называют удельной постоянной вращения. Эта постоянная зависит от длины волны (дисперсия вращательной способности). В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в раствореlи концентрации активного вещества с:

(13.3)

Здесь — величина, называемая удельной постоянной вращения. В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются на п р а в о- и левовращающие. Направление вращения (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 (рис13.5).

рис.13.5

Буквами С, X, Y, Z и Т обозначены отличающиеся друг от друга атомы или группировки атомов (радикалы). Молекула б является зеркальным отражением молекулы а. Если смотреть на тетраэдр, изображенный на рис13.5, вдоль направления СХ, 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 CY, CZ и СТ. Чередование радикалов X, Y, Z, Чередование радикалов X, Y, Z, Т в молекуле б противоположно их чередованию в молекуле а. Поэтому, если, например, вещество, образованное молекулами а, правовращающее, то вещество, образованное молекулами б, будет левовращающим. Молекулы аминокислот, входящие в состав живых систем на Земле, оптически активны и все лево- вращающие. Поскольку строение молекул, особенно органических веществ, очень сложно, возникают возможности образования многих различных пар оптических изомеров.

Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество (кристалл кварца, прозрачную кювету с раствором сахара и т. п.), то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть один из поляризаторов на угол , определяемый выражением 13.2 или 13.3 В случае раствора, зная удельную постоянную вращения [] данного вещества и длину I, можно, измерив, угол поворота, определить по формуле 13.3 концентрацию раствора с. Метод имеет многочисленные приложения. В частности, им пользуются для нахождения концентрации сахара в производственных растворах и биологических объектах (кровь, моча).

Конечно, такие измерения должны проводиться в стандартных условиях опыта (= const; t = const) в спектральной области, далекой от собственных полос поглощения исследуемого вещества, так как в противном случае наблюдаются некоторые аномалии. Угол поворота плоскости поляризацииможно измерить с большой точностью (погрешность измерений ~0,01). Для достижения такой точности используют дополнительные устройства (полутеневые анализаторы), в которых измерение угла вращения проводят уравниванием освещенности двух половин поля зрения. Подобный способ значительно освещенности двух половин поля зрения. Подобный способ значительно точнее обычного определения, при котором нужно заметить исчезновение света, прошедшего через скрещенные поляризаторы.