Практика №6 / Лекция 6_5

Кафедра общей физики ПетрГУ

Лекция 6. ПОЛЯРИЗАЦИЯ

(продолжение)

§5. Естественное вращение плоскости поляризации

Ключевые понятия:

оптически активные вещества

естественное вращение плоскости поляризации

6.5.1. ЕСТЕСТВННОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. Араго (1811) обна-

ружил, что при прохождении линейно поляризованного света сквозь кристалл кварца вдоль его оптической оси плоскость поляризации света поворачивается вокруг направления луча на угол (рис. 6.19). Это явление называется естественным вращением плоскости поляризации.

Распространение света вдоль оптической оси исключает явление двойного лучепреломления. При распространении света в направлениях,

отличных от направления оптической

Рис. 6.19. Естественное вращение плоскости поляризации оси, оптичес-кая активность проявляется по-другому.

6.5.2. ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ. Вещества, в которых наблюдается явление естественного вращения поляризации, называют оптически активными. Оптически активны

двоякопреломляющие кристаллы (кварц, сахар, киноварь),

некоторые изотропные кристаллы (NaClO3, NaBrO3),

чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы (водный раствор сахара).

Особенно много активных веществ среди органических соединений. Это означает, что причины оптической активности скрыты как в особенностях строения молекул, так и в расположении частиц в кристаллической решетке.

Оптическая активность бывает двух видов:

естественная,

искусственная.

Естественной оптической активностью обладают некоторые кристаллические тела, жидкости и растворы оптически активных веществ без внешних воздействий. Искусственная оптическая активность наблюдается в веществах, ранее оптически неактивных, при наложении внешних воздействий.

6.5.3. СХЕМА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. Слой исследуемого вещества (раствор сахара) помещают между скрещенных поляроидов (рис. 6.20). В монохроматическом свете наблюдается

Оптическая

Рис. 6.20. Схема опыта для наблюдения естественного вращения плоскости поляризации

Кафедра общей физики ПетрГУ

просветление поля зрения, которое, однако, можно снова погасить, повернув анализатор на угол φ

вту или другую сторону. Это значит, что после прохождения через слой активного вещества свет

остается линейно поляризованным,

той же интенсивности,

но направление его поляризации повернуто на некоторый угол относительно

первоначального.

6.5.4. ЗАКОН ЕСТЕСТВЕННОГО ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. Для определенной длины волны в оптически активных кристаллах и чистых жидкостях угол поворота φ плоскости поляризации света пропорционален толщине l слоя вещества, пройденного светом:

φ = α( ) l, (6.15)

Коэффициент [град/мм] называется вращательной способностью. Он численно равен углу поворота плоскости поляризации слоем оптически активного вещества единичной толщины. Вращательная способность зависит от природы вещества, температуры и длины волны света (дисперсия оптической активности). В грубом приближении ~ 1/λ2.

Для растворов оптически активных веществ в неактивных растворителях согласно закону Био (1831) угол поворота плоскости поляризации определяет закон:

где С – массовая концентрация оптически активного вещества в растворе (кг/л, г/см3); [α] – удельная вращательная способность, т.е. угол поворота в градусах плоскости поляризации

слоем раствора толщиной в 1 дцм при концентрации оптически активного вещества, равной 1 г/см3.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяют на право- и левовращающие. Если смотреть навстречу распространяющемуся световому лучу, то:

в правовращающих веществах плоскость поляризации будет поворачиваться по часовой стрелке (положительное вращение, α > 0),

в левовращающих - против часовой стрелки (отрицательное вращение, α < 0).

Обычный сахар, декстроза, или D-глюкоза, принадлежат к числу правовращающих веществ. Большинство аминокислот и белков левовращающие вещества.

Л. Пастер (1848) установил на примере солей виннокаменной кислоты, что если вещество вращает плоскость поляризации, то оно всегда имеет две модификации: правовращающую и левовращающую. Для правых и левых модификаций активных кристаллов постоянная вращения α имеет противоположные по знаку и (при одинаковых внешних условиях) одинаковые по абсолютной величине значения:

Опыт показывает, что при изменении направления распространения света на противоположное поворот плоскости поляризации происходит в обратную сторону. Направление вращения привязано к лучу (рис. 6.21).

Поэтому при прохождении сквозь активную среду, отражении от зеркала и вторичном прохождении через ту же среду назад направление линейной поляризации восстанавливается.

6.5.5. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ. Согласно Френелю, вращение плоскости поляризации есть проявление особого, кругового двойного лучепреломления. Линейно поляризованный

монохроматический свет можно представить как векторную сумму двух волн круговых колебаний с правым и левым вращением. В оптически активной среде они имеют различные фазовые скорости υп и υл, т. е. различные показатели преломления nп и nл. Две волны, которые могут распространяться в оптически активной среде с определенными, но различными скоростями, поляризованы не линейно, а по кругу: одна по левому, другая по правому. На выходе из кристалла между колебаниями векторов этих двух волн возникает постоянная разность фаз, которая определяет поворот плоскости поляризации. Угол поворота φ плоскости поляризации