Вращение плоскости поляризации

Естественное вращение. При прохождении плоско поляризованного света через некоторые вещества на­блюдается вращение плоскости колебаний светового век­тора или, как принято говорить, вращение плоскости поляризации. Вещества, обладающие такой способно­стью, называются оптически активными. К их числу принадлежат кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота  пропорционален пути , пройденному лучом в кристалле:

 = 

коэффициент  называют постоянной вращения. Ее принято выражать в угловых градусах на миллиметр.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути луча в растворе и концентрации активного вещества С:

 = []С

где [] — величина, называемая удельной постоян­ной вращения.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подраз­деляются на право- и левовращающие. Если смотреть навстречу лучу, то в правовращающих веще­ствах плоскость поляризации будет поворачиваться по часовой стрелке, в левовращающих — против часовой стрелки. Таким образом, направление луча и направле­ние вращения образуют в правовращающем веществе левовинтовую систему, а в левовращающем веществе — правовинтовую систему. Направление вращения (отно­сительно луча) не зависит от направления луча в оп­тически активной среде. Поэтому, если, например, луч, прошедший вдоль оптической оси через кристалл кварца,, отразить зеркалом и заставить пройти через кристалл еще раз в обратном направлении, то восста­навливается первоначальное положение плоскости поля­ризации.

Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах лучи, поляризованные по кругу вправо и влево распространяются с неодинаковой скоростью. Плоско поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, правой и левой, с одинаковыми частотами и амплитудами. Действительно, геометрическая сумма световых векторов и поляризованных по кругу волн в каждый момент времени будет лежать в одной и той же плоскости (рис.а). Если скорости распространения обеих вол окажутся не одинаковыми, то по мере прохождения через вещество, один из векторов или будет отставать в своем вращении от другого вектора. В результате плоскость поляризации, в которой лежит результирующий вектор будет поворачиваться относительно первоначальной плоскости.

Все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях — правовращающей и левовращающей. Таким образом, существуют право и левовращающий кварц, право- и левовращающий са­хар и т. д. Молекулы или кристаллы одной разновидно­сти являются зеркальным отражением молекулы или кристаллов другой разновидности. Обе разновидности отличаются только направлением вращения плоскости поляризации. Чис­ленное значение постоянной вращения у них одинаково.

Если между двумя скрещенными поляризаторами по­местить оптически активное вещество (кристалл кварца или прозрачную кювету с раствором сахара), то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть второй поляризатор на угол . Зная удельную постоянную вращения [] данного вещества и длину , можно, измерив угол поворота , определить концентрацию раствора. Такой способ определения концентрации широко применяется в про­изводстве различных веществ, в частности в сахарова­рении (соответствующий прибор называется сахари­метром).

Рассмотрим прохождение плоско поляризованного монохроматического света через раствор сахара, заключен­ный в сосуде с плоскими стенками. При на­блюдении сбоку мы будем видеть рассеянный свет. Если бы раствор сахара не вращал плоскость поляриза­ции, вынужденные колебания зарядов, обусловленные проходящим через раст­вор светом, совершались бы в одной плоскости, совпадающей с плоскостью поляризатора Р. Вследствие направленности излу­чения электрического ди­поля интенсивность рассеян­ного света максимальна в направлении, перпендикуляр­ном к плоскости Р, и равна нулю в направлениях, лежа­щих в этой плоскости. Оптическая активность сахара приводит к тому, что направление колебаний повора­чивается по мере прохождения плоско поляризованного света через сосуд. Поэтому в одних местах колеба­ния зарядов совершаются в вертикальном направле­нии (при наблюдении сбоку эти места будут светлыми), в других местах — в горизонтальном направлении (эти места будут темными). Таким образом, сбоку жидкость представляется состоящей из чередующихся светлых и темных слоев, перпендикулярных к. лучу света, идущему через сосуд. Расстояние между соседними светлыми (или темными) слоями равно тому пути, при прохождении которого плоскость поляризации поворачивается на 180°. При пропускании белого света из-за дисперсии враща­тельной способности максимумы интенсивности рассеян­ного света для разных длин волн придутся на разные сечения сосуда, так что жидкость будет представляться распавшейся на радужно окрашенные слои. Что будет на выходе – свет или темнота – зависит от длины трубки.

48