3. Поляризація світла Теоретичні відомості

Поляризація світла – це фізична характеристика оптичного випромінювання, яка описує поперечну анізотропію світлових хвиль. Поперечність електромагнітних хвиль призводить до того, що хвиля не має осьової симетрії відносно напрямку поширення через існування певних вибраних напрямків для векторів у площині, перпендикулярній до напрямку поширення (див. рис. 8).

Світло, яке випромінюється будь-яким окремим атомом або молекулою, в кожному акті випромінювання завжди поляризоване. Реальні джерела світла складаються з великої кількості атомів (молекул), тому світло, що поширюється від них, є неполяризованим або природним, оскільки вектори і в ньому хаотично змінюють свої напрямки, причому всі напрямки коливань рівноймовірні (рис. 16, а).

Поляризація світла характеризується просторово-часовою впорядкованістю орієнтації векторів і . Залежно від виду впорядкованості розрізняють лінійну, еліптичну і колову поляризацію. Наприклад, світло, в якого напрямок коливання електричного і магнітного векторів у будь-якій точці простору залишається незмінним, називають лінійно поляризованим або плоскополяризованим (рис. 16, б). На рис. 16, в показана орієнтація електричного вектора частково поляризованого світла. Напрямок поширення світлових променів на рис. 16 перпендикулярний до площини рисунка. Площиною поляризації називають площину, в якій відбувається коливання вектора напруженості (світлового вектора хвилі) (див. рис. 8).

Поляризоване світло від природних джерел можна одержати кількома способами. Явище поляризації природних світлових хвиль при відбиванні та заломленні на межі двох ізотропних діелектриків відкрив у 1805 р. Д.Брюстер. Він експериментально встановив, що для будь-якого діелектрика існує такий кут падіння, при якому відбитий промінь повністю поляризований. Цей кут називають кутом Брюстера (рис. 17, а) і визначають співвідношенням

tg i _Б = n₂₁ = n₂ / n₁, (1)

де n₂, n₁  абсолютні показники заломлення другого та першого середовищ.

При будь-яких інших значеннях кута падіння і відбитий промінь буде частково поляризованим (рис. 17, б). Заломлений промінь повністю поляризованим ніколи не буває. Стрілки і крапки на рис. 17 вказують орієнтацію вектора напруженості електричного поля .

Інший спосіб одержання поляризованого світла – використання явища подвійного променезаломлення, яке полягає у роздвоєнні падаючого на кристал променя на два плоскополяризованих: звичайний о і незвичайний е (рис. І8). Цю властивість мають всі анізотропні кристалічні тіла. Показник заломлення звичайного променя n_о є величиною постійною, а показник заломлення незвичайного променя n_е змінює своє числове значення залежно від орієнтації променя в кристалі. Напрямок у кристалі, вздовж якого промінь не роздвоюється, називають оптичною віссю кристала. Інтенсивність падаючого природного світла розподіляється порівну між о- та е-променями.

Деяким кристалам властивий дихроїзм – явище неоднакового поглинання звичайного і незвичайного променів світла залежно від орієнтації електричного векора світлової хвилі в речовині. Так, пластинка мінералу турмаліну при товщині 1 мм повністю поглинає о-промінь і з пластинки виходить лише промінь е. Дихроїчні пластинки можуть застосовуватись як поляризатори світла. Дія поширених і недорогих плівкових поляризаторів (поляроїдів) базується на дихроїзмі герапатиту, який уже при товщині 0,1 мм повністю поглинає о-промінь. Целулоїдна чи целофанова плівка поляроїда містить велику кількість дрібних однаково орієнтованих кристаликів герапатиту. Проходячи крізь такий поляроїд, природне світло майже повністю поляризується.

Прилади, за допомогою яких можна одержувати поляризоване світло, називають поляризаторами. Для аналізу поляризованого світла використовують аналізатори. Поляризатори (аналізатори) здатні пропускати лише складову світлового вектора , яка лежить у деякій площині рр (аа), що називається площиною поляризатора (аналізатора).

Часто як поляризатор та аналізатор використовують призму Ніколя (ніколь) (рис. І9), яка складається з двох тригранних призм ісландського шпату, склеєних канадським бальзамом (смола канадської піхти). Значення показника заломлення бальзаму n_б лежить між значеннями n_о і n_е для кристала ісландського шпату (n_е  n_б  n_о). Промінь о, падаючи на бальзам під кутом, більшим за граничний, повністю відбивається і виводиться за межі призми. Промінь е проходить крізь кристал і використовується як поляризоване світло.

Якщо на поляризатор П (рис. 20) падає природне світло, інтенсивність якого І_пр, то інтенсивність пройденого поляризованого світла не залежить від орієнтації поляризатора (його повороту навколо променя) і дорівнює половині інтенсивності падаючого природного світла:

. (2)

Аналізатором А буде пропущена лише складова світлового вектора

Е = Е_о cos  , (3)

де Е_о  амплітудне значення світлового вектора хвилі, що входить в аналізатор;   кут між площинами поляризатора рр^/ та аналізатора аа^/. Інтесивність світла пропорційна Е², тому

І_ан = І cos² . (4)

Ця формула являє собою закон Малюса, відповідно до якого інтенсивність світла І_ан, що виходить з аналізатора, дорівнює добутку інтенсивності світла І, що входить в нього, та квадрата косинуса кута між площинами поляризатора рр^/ та аналізатора аа^/. Якщо природне світло інтенсивністю І_пр проходить послідовно крізь поляризатор та аналізатор, то після проходження такої оптичної системи промінь має інтенсивність

. (5)

При  = 0 (площини поляризатора та аналізатора паралельні) інтенсивність І_ан максимальна і дорівнює . Схрещені поляризатор та аналізатор світло не пропускають зовсім.

У разі проходження поляризованого монохроматичного променя крізь деякі речовини спостерігається поворот площини поляризації променя. Таке явище називають оптичною активністю, а речовини  оптично активними. Звичайно схрещені поляризатор П та аналізатор А (аа^/  рр^/) не пропускають світло в око від джерела S (рис. 21). Якщо між ними ввести оптично активну речовину К, то відбувається просвітлення поля зору, яке можна погасити, повернувши аналізатор на деякий кут . Тобто світло після виходу з речовини залишається плоскополяризованим, але площина коливань його світлового вектора виявляється повернутою на кут . Експериментально встановлено, що кут повороту площини поляризації для оптично активних кристалів і чистих речовин пропорційний відстані l, яку проходить світло в оптично активному середовищі:

 = ₀l . (6)

Поворот площини поляризації розчинами  молекулярна властивість: кут  зростає пропорційно кількості молекул оптично активної речовини, що трапляється на шляху променя, отже він пропорційний її концентрації та шляху променя в середовищі. Для розчинів справедлива формула

 = [_o] Cl , (7)

тобто кут повороту площини коливань монохроматичного світла  в оптично активному середовищі дорівнює добутку питомого повертання _о, концентрації розчину С та шляху променя l в розчині. Питоме повертання _о визначає кут повороту площини коливань променя при одиничних концентрації і товщині розчину (характеризує природу речовини і залежить від довжини хвилі та температури).

Як показали дослідження, оптична активність речовин зумовлена асиметрією їхніх молекул, які не мають ні площини, ні центра симетрії. Залежно від просторової структури молекул одна й та сама речовина може повертати площину коливань за годинниковою стрілкою (вправо, якщо дивитись назустріч променю) або проти неї (вліво). Тому говорять про дві модифікації оптично активних речовин  правобертальних (-типу) та лівообертальних (l-типу). Для обох модифікацій значення _о однакові. Просторові форми молекул l- та -типів є дзеркальним відображенням один одного, їх не можна сумістити ні поворотом, ні переміщенням. Деякі речовини являють собою суміш молекул право- і лівообертальних у рівних пропорціях. Вони не повертають площину поляризації світла тому, що дія молекул одного типу компенсується дією молекул іншого.

Оптичну активність багатьох речовин пов’язують з наявністю асиметричного атома вуглецю, який, приєднуючи різні атоми і радикали, утворює молекулу із дзеркальною симетрією. Всі білки побудовані лише з “лівих” амінокислотних залишків. Очевидно, саме тому органічні ізомери можуть дуже відрізнятись за фізіологічною дією. Наприклад, -нікотин ядовитіший, ніж l-нікотин. Молекули цукру, виноградного цукру (глюкози), фруктового цукру (фруктози) та інших органічних сполук містять по кілька атомів вуглецю, що зумовлює можливість існування різних дзеркальносиметричних структурних форм цих молекул. Більшість цукрів (цукроза, глюкоза) повертають площину поляризації вправо, але фруктоза повертає її вліво. Тому її інколи називають левульозою (від лат. laevus  лівий), а глюкозу  декстрозою (від лат. dexter  правий).