Лазерное излучение Тепловое излучение Многолучевая интерференция Геометрическая оптика Оптические свойства анизотропной среды Искусственная анизотропия Оптическая активность Второй закон Кирхгофа Соотношение неопределенностей

Физика курс лекций. Раздел оптика

Оптическая активность. Вращение плоскости поляризации

При прохождении линейно поляризованного света через определённые вещества происходит поворот вектора  на некоторый угол. Вещества, обладающие такой способностью называются оптически активными.

Оптически активные вещества подразделяются на:

а) кристаллические (кварц),

б) чистые жидкости (никотин, скипидар),

в) растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и т. д. )

Если на оптически активное вещество направить пучок линейно поляризованного света, то, пройдя через вещество, свет выйдет линейно поляризованным, так что при помощи выходного поляризатора его можно полностью погасить, при этом мы узнаем угол, на который вещество повернуло плоскость его поляризации. Если оптически активное вещество является кристаллическим, например, кварц, следует направить пучок поляризованного света вдоль оптической оси. В этом случае мы убираем эффект двойного лучепреломления, который затруднял бы изучение эффекта оптической активности.


На Рис.9.11 изображена установка, на которой можно измерить угол поворота φ вектора поляризации . Для этого достаточно дополнительным поворотом выходного поляризатора П2 установить наибольшую интенсивность выходящего пучка.

Угол доворота поляризатора равен углу поворота φ плоскости поляризации при условии, что оба поляризатора П1 и П2 имели в исходной позиции параллельные плоскости пропускания. Однако более эффективно провести это измерение при скрещенных поляризаторах. Угол поворота φ пропорционален пройденному в оптически активном веществе пути ℓ :

φ = α ℓ , (9.23 )

где α – коэффициент, зависящий от вещества и от длины волны (дисперсия вращательной способности). Для кварцевой пластинки толщиной S мм углы поворота для желтого и фиолетового цвета равны соответственно 100º и 250º , т.е. эффект достаточно сильный. Соотношение (9.23 ) иногда называют законом Био.

В растворах угол поворота φ пропорционален пройденному пути и концентрации активного вещества n:

φ = [α] ∙ n ∙ ℓ , (9.24 )

где [α] – так называемая, удельная постоянная вращения.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации, оптически активные вещества подразделяют на право- и левовращающие, т.е. по или против часовой стрелки по отношению к наблюдателю, к которому свет приближается.

Все оптически активные вещества существуют в двух модификациях – право- и левовращающие. Вращательная способность кварца (сильный эффект) связана с его кристаллической структурой, расплавленный кварц теряет это свойство. Структура кристалла кварца отличает правое от левого. Правый кристалл кварца не тождественен левому, но они переходят друг в друга при зеркальном отражении. Итак, только те кристаллы обладают оптической активностью, которые не симметричны при зеркальном отражении (т.е. различают правое и левое). Для оптически активных аморфных тел, жидкостей или растворов эффект вращения обусловлен асимметричным строением молекул (при зеркальном отражении правая молекула переходит в такую же по химическому составу, но не тождественную по оптическим свойствам, левую молекулу).

Важным свойством эффекта является то, что направление вращения (правое или левое) задаётся свойствами молекул вещества, но привязано к направлению луча. Поэтому при прохождении луча света через активную среду, последующего отражения его от зеркала и вторичного прохождения через ту же среду назад, направление линейной поляризации восстанавливается. Таким образом, эффект невозможно «накопить» прогоняя луч света много раз через активную среду туда и обратно с помощью двух зеркал.

Сразу возникает возможность практического использования эффекта: измеряя угол поворота плоскости поляризации, можно определять концентрацию оптически активных веществ, например, концентрацию сахара в производственных растворах.

Объяснение эффекта дал Френель, который предположил, что в оптически активных веществах лучи, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с разными скоростями, следовательно, имеем два показателя преломления: n+ для волн правой поляризации и n- для волн левой поляризации. Линейно поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, правой и левой, с одинаковыми частотами и амплитудами. Поскольку вещество (оптически активное) состоит из асимметричных молекул, которые по-разному взаимодействуют с правой поляризацией и с левой, луч света – суперпозиция правой и левой круговых поляризаций, разделяется на два луча (правый и левый), распространяющихся с разными скоростями ( , V+ =  ,  ).

В зависимости от того, какой из лучей окажется более быстрым, на выходе из оптически активной среды, где скорости лучей опять уравняются и поляризация вновь станет линейной, произойдет результирующее отклонение вектора линейной поляризации , вправо или влево, в соответствии с отношением скоростей и .

Магнитное вращение плоскости поляризации Оптически неактивные вещества в магнитном поле становятся оптически активными и вращают плоскость поляризации света, распространяющегося в веществе вдоль силовых линий напряженности магнитного поля. Этот эффект называют эффектом Фарадея (1846 год).

Элементарная теория явления Зеемана Классическая теория Лоренца эффекта Зеемана является модельной теорией, в которой исповедуется модель атома как набора квазиупруго связанных с массивным ядром электронов, при этом собственные частоты колебаний электронов определяют спектральные линии излучения атома

 Обратный эффект Зеемана и явление Фарадея Эффект Зеемана наблюдается и на линиях поглощения. Вещество в газообразном агрегатном состоянии, например, пары металла, имеющее резкую спектральную линию поглощения помещают в сильное однородное магнитное поле. Пропуская мощный световой поток через абсорбирующее вещество, наблюдают расщепление линии поглощения при включении магнитного поля

Тепловое излучение Квантовые свойства света


Примесная проводимость полупроводников Физика курс лекций