Вращение плоскости поляризации кратко

Обновлено: 02.07.2024

света, поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через в-во (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА). Наиболее простое модельное объяснение явления В. п. п. состоит в следующем. Линейно поляризованный пучок света можно представить как результат сложения (сумму) двух пучков, распространяющихся в одном направлении и поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения.Если два таких пучка распространяются в в-ве с разл. скоростями (т. е. если преломления показатели в-ва для них неодинаковы), то это приводит к повороту плоскости поляризации суммарного пучка. В. п. п. может быть обусловлено либо особенностями внутр. структуры в-ва (см. ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ), либо вз-ствием в-ва с внеш. магн. полем (см. ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ). Как правило, В. п. п. происходит в оптически изотропных средах о пространственной дисперсией (кубич. кристаллы, жидкости, р-ры и газы). Измеряя В. п. п. и его зависимость от длины волны света (т. н. вращательную дисперсию), исследуют особенности строения в-ва и определяют концентрации оптически активных веществ в р-рах. В. п. п. используют в ряде оптич. приборов (оптич. модуляторы, затворы, вентили, квант. гироскопы и др.).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

Смотреть что такое ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ в других словарях:

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

(оптика) — явление, происходящее с лучами поляризованного света, проходящими через некоторые кристаллы, жидкости и пары, находящиеся в естественном сос. смотреть

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

света, поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество (см. Поляризация света). В. п. п. наблюда. смотреть

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ света, поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество (см. Поляризация. смотреть

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Вращение плоскости поляризации (оптика) — явление, происходящее с лучами поляризованного света, проходящими через некоторые кристаллы, жидкости и пары, находящиеся в естественном состоянии или же под влиянием магнетизма. Световые лучи, исходящие от самосветящихся тел (солнце, пламя свечи или газа и т. п.) по своим физическим свойствам считаются типическими и нормальными. После отражения или преломления нормальные лучи, например солнечные, приобретают некоторые особенности, выступающие особенно отчетливо в случае преломления лучей света в кристаллах, обладающих способностью двойного лучепреломления (см. это слово), каковы, например, кристаллы исландского шпата. Если пропустить солнечный луч сквозь небольшое отверстие, сделанное в непрозрачной пластинке, за которой помещен кристалл исландского шпата, то из кристалла выйдут два луча равной силы света. Солнечный луч разделился, с небольшой потерей силы света, в кристалле на два луча равной световой силы, но по некоторым свойствам отличные от неизмененного солнечного луча и друг от друга. Для определительности в дальнейшем обозначим один из новообразовавшихся лучей буквою O, а другой — буквою E. Происхождение световых лучей приписывают колебательному движению светового эфира (см. Волны света), наполняющего все свободное пространство вселенной и междучастичные промежутки тел. Колебания эфирных частиц в каждом из двух лучей, образовавшихся в исландском шпате, происходят по прямым линиям и такие лучи называются прямолинейно поляризованными (см. Поляризация света). При этом распространение светового луча происходит по направлению, перпендикулярному к направлению колебаний. Черт. 1. На черт. 1 буквой a обозначается частица эфира, колеблющаяся между пределами b и c по прямой bc; линия an, перпендикулярная к bc, показывает направление распространения луча. Через направление луча (an) и направление колебаний (bc) проведена мысленно плоскость, часть которой обозначена буквами abmnkca. Перпендикулярная к ней другая плоскость, тоже проведенная через луч mn, обозначена на чертеже буквами oarsnto; эта вторая плоскость получила название плоскости поляризации луча mn. Один из двух лучей, образовавшихся в исландском шпате, отличается от другого (луч О от луча E) тем, что направление колебаний частиц одного перпендикулярны к направлению колебаний другого. Поэтому и плоскость поляризации одного луча перпендикулярна плоскости поляризации другого. Неизмененному солнечному лучу приписываются два прямолинейных колебания, из коих одно перпендикулярно другому. Поляризация луча, поэтому, есть распадение луча со сложными колебаниями на два луча, — каждый с одним прямолинейным колебанием. Для отделения луча O от луча E с целью дальнейшего изучения их свойств употребляются различные средства. Можно для этого, например, пользоваться кристаллами исландского шпата, обделанными в форме так называемых николевых призм (см. Николь и Двойное лучепреломление). Николева призма делается из кристалла исландского шпата, разрезанного известным образом на две части, потом склеенные (канадским бальзамом); такие две одинаковые призмы N₁ и N₂ изображены в разрезе на чертеже 2. Черт. 2. Положим, что призмы помещены одна выше другой и что снизу падает луч света S на призму N₁. Из двух лучей, образующихся в нижней части призмы, только один проникает во вторую половину призмы, а из нее в воздух; другой же луч отражается в сторону на пределе между обеими половинами. Если две призмы совершенно одинаково расположены, т. е. так, чтобы их одинаковые части находились с одной и той же стороны (обе правые, по чертежу, — справа, обе левые — слева и т. д.), то поляризованный луч света E, вышедший из призмы N₁, попадает на вторую призму N₂ и проходит через нее. Если же призму N₂ (на которой предполагаем отметку, в виде черты) поворачивать на вертикальной линии, как на оси, то луч E разделяется на два, из которых только один проходит через N₂, постепенно ослабевая при дальнейшем поворачивании призмы и вовсе исчезая при повороте ее на прямой угол. Расположить призмы Николя таким образом называется, для краткости, установить их на темноту. На черт. 3 пунктирная линия MN пусть обозначает горизонтальный след плоскости поляризации луча E, вышедшего из призмы N₂, а сплошная линия PR обозначает положение отметки этой самой призмы, когда прибор установлен на темноту. Положим еще, что линии MN и PR взаимно перпендикулярны; при всяком небольшом поворачивании призмы N₂ отметка PR не будет составлять прямого угла с MN и через призму N₂, будет проходить свет. Черт. 3. Если, после установки призм на темноту, поместить между ними кусок горного хрусталя, отшлифованный соответственным образом (перпендикулярно оси), то в призме N₂ опять появится свет. Поворачиванием призмы N₂ около вертикальной линии, как на оси, можно вторично погасить свет; пусть при этом отметка PR примет положение P₁R₁. Так как плоскость поляризации при установке призм на темноту должна быть перпендикулярна к отметке призмы N₂, то, значит, эта плоскость приняла направление М ₁N₁, составляющее прямой угол с P₁R₁. Поэтому-то описанное явление называется вращением плоскости поляризации; горный хрусталь повернул плоскость поляризации. Показанное на чертеже вращение произошло по направлению движения часовой стрелки или слева через верх направо. Некоторые кристаллы кварца вращают плоскость поляризации вправо и называются правовращающими или правыми; другие вращают влево и называются левовращающими или левыми. Перемена в положении плоскости поляризации сопровождается такой же переменой в положении плоскости колебания эфирных частиц, но так, что направление луча остается неизменным; следовательно, сущность явления заключается в угловом перемещении линии, по направлению которой происходит колебание эфирной частицы. Рассматриваемое здесь явление открыто французским физиком Ф. Араго (1811), а после него Био доказал, что угол В. плоскости поляризации пропорционален толщине кварцевой пластинки. Позднейшие исследователи подтвердили верность этого закона (Видеман, Брош). Пластинка толщиной в 1 мм вращает плоскость поляризации красного спектрального луча (линия B) на 15°30‘, а при двойной толщине — на 31°. Вращение плоскости поляризации тем больше, чем значительнее показатель преломления луча: фиолетовый спектральный луч (линия G) претерпевает вращение в 42°20‘ в кварцевой пластинке, толщиною в 1 мм. Био заключил из своих опытов, что величина вращения различных лучей пропорциональна квадратам показателей преломления, но более точные измерения показали, что она возрастает в быстрейшем отношении; если бы второе положение Био было верно, то вместо вышеприведенной величины 42°20 ‘ (Брош) должно бы получиться только 38°27‘. Неодинаковая величина вращения плоскости поляризации для лучей разной преломляемости или разного цвета объясняет особенности явления, обнаруживающегося при поляризованном белом свете между николевыми призмами, поставленными на темноту. Когда кварц будет помещен между ними, то появляется окрашенный свет, который не может быть уничтожен вращением николевой призмы; такое вращение производит только изменение цвета. При всяком положении призмы уничтожаются лучи только определенной преломляемости, а другие только более или менее ослабляются, а так как белый свет состоит из множества лучей разного цвета и разной преломляемости, то в результате из николевой призмы (анализатора) всегда выходят какие-нибудь лучи, которые, слагаясь, производят всегда впечатление цветного света. Вращение плоскости поляризации замечено еще в кристаллах сернокислого стрихнина, киновари, уксуснокислого натра (кристаллы последнего принадлежат к правильной системе) и др. Если свет проходит через несколько пластинок, наложенных одна на другую, то плоскость поляризации поворачивается на сумму отдельных вращений в случае, если все они вращают в одну сторону; но если пластинки вращают в разные стороны, то плоскость поляризации луча, через них проходящего, поворачивается на разность отдельных вращений (Био). Поэтому две пластинки, вращающие одинаково сильно, но в разные стороны, будучи положены одна на другую, вовсе не вращают плоскость поляризации луча, через них пропущенного. Прибор, состоящий из двух николевых призм с приспособлениями для вращения одной из них или обеих, называется поляризационным прибором. Одна призма обращает падающий на нее естественный свет в поляризованный, другая служит для исследования поляризованного луча. Первая называется поляризатором, вторая — анализатором. Другие поляризационные приборы — см. Поляризация света. Кристаллы, способные вращать плоскость поляризации, суть одноосные; они должны быть отшлифованы перпендикулярно оси, т. е. через них должен проходить луч параллельно их оси — в других направлениях луча явление вращения не происходит. Кристаллический сахар (кристалл двуосный), отшлифованный перпендикулярно оси, вращает весьма слабо; раствор его обладает вращательной способностью, впрочем, значительно слабейшей, чем кварц [Удобство употребления растворов, хотя бы и слабо вращающих, заключается в возможности брать слои большой толщины.]. Раствор камфары виннокаменной кислоты в воде, винном спирте, древесном спирте, растворы сернокислого хинина, стрихнина и вообще многие растворы обладают вращательной способностью. Угол вращения растворов пропорционален количеству твердого вещества, содержащегося в растворе (Био). На этом законе основано устройство сахариметров (сахаромеров), употребляемых в технике для определения количества сахара в растворе; впрочем, этот закон не вполне точен. Подобный же прибор употребляется в медицине при исследованиях болезни, называемой сахарной (diabetes mellitus). Кроме растворов, есть жидкости, как, например, скипидар, лимонное масло, обладающие вращательной способностью; пары скипидара также вращают плоскость поляризации. Угол вращения скипидаром с лишком в 60 раз (это число с точностью не известно) меньше угла вращения кварцем при одинаковой толщине слоя, проходимого лучом; вращение лимонной кислоты в 42 раза слабее, чем кварца. Жидкости наливаются в трубочки со стеклянными донышками, а трубочки ставятся вертикально; лимонное масло в столбике, высотой 42 мм, вращает на такой же угол, как кварц, толщиной только в 1 мм. Возвышение температуры одних тел увеличивает их вращательную способность (например, в кварце и растворе сернокислого хинина в подкисленной воде), а в других остается без влияния: например, скипидар замороженный и жидкий вращают в одинаковой степени плоскость поляризации. Кристаллы кварца суть двупреломляющие, скипидар тоже обладает этой особенностью (Френель). Два луча, на которые распадается в кварце луч, прямолинейно поляризованный, сами поляризованы по кругу, т. е. в них частицы эфира имеют круговые движения, противоположные в обоих лучах; притом эти лучи проходят в кварце с неодинаковой скоростью. При выходе из кристалла эти два луча слагаются опять в один прямолинейно поляризованный, но с повернутой против прежнего плоскостью поляризации (см. Поляризация света). Ближайших сведений относительно внутреннего строения тел, обладающих вращательной способностью, наука не имеет. О влиянии химического состава тел на эту способность см. Вращательная способность. Вращение плоскости поляризации магнитное. Прозрачные тела, не вращающие плоскости поляризации, могут приобрести эту способность, будучи намагничены (Фарадей). Способность эта сильно обнаруживается в фарадеевском тяжелом стекле (в состав которого входит борнокислый свинец), когда оно находится между оконечностями очень сильного электромагнита или, как говорится, в магнитном поле сильной напряженности. Для этой цели употребляются электромагниты (см. это слово) с просверленными наконечниками, в которых помещаются николевы призмы; между наконечниками, а следовательно, и николевыми призмами, помещают испытываемое прозрачное тело, обделанное в форме параллелепипеда, имеющего около 2—3 см длины. Наблюдения производились подобным образом, как было описано выше (черт. 2), т. е. в самом начале николевы призмы устанавливают на темноту. Когда по проволокам электромагнита будет пропущен соответственной силы гальванический ток, то замечается появление света в николевой призме, служащей анализатором; с прекращением тока и магнетизма исчезает и свет. Вращая призму — анализатор, можно определить угол вращения плоскости поляризации. Из этих явлений выводят заключение, что частичное строение (т. е. их расположение) прозрачного тела, находящегося в намагниченном состоянии, как бы уподобляется строению кварца и других вращающих тел. Сероуглерод (жидкость) вращает почти так же сильно, как фарадеевское стекло, вода — почти вчетверо слабее. Кварц и некоторые другие кристаллические тела только в слабой степени подвержены магнитному вращению плоскости поляризации. Аморфные тела, например 200 сортов стекол, исследованных Маттисеном, чувствительнее к действию на них магнетизма в этом отношении. Сильное сжатие тел противодействует проявлению этого свойства. Направление магнитного вращения плоскости поляризации для некоторых тел одинаково с направлением движения тока в катушках электромагнита (см. Электромагнит Румкорфа), а в других, противоположно ему. К первым относятся стекла, сероуглерод, вода, спирт, эфир, растворы солей никеля, кобальта и др., ко вторым — растворы солей железа, титана, лантана и др. Одни из этих тел притягиваются к магниту (парамагнитны), другие — отталкиваются (диамагнитны), но это не находится в связи с вращательной способностью. Существенно заметить, что кристалл, сам по себе обладающий способностью В. плоскости поляризации, вращает ее, например, всегда вправо, а другой влево относительно наблюдателя, будет ли он смотреть по оси кристалла от плоскости A к плоскости B или обратно. Магнитное же вращение совершается абсолютно в одну сторону, но в разные стороны относительно наблюдателя, в зависимости от того, смотрит ли он от A к B или обратно. Ф. Петрушевский.

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

— изменение пл. поляризации поляризованного луча, идущего вдоль опт. оси. Кристаллическая пластинка, вырезанная перпендикулярно опт. оси у веществ, обладающих В. п. п., с поворотом столика микроскопа остается освещенной. Угол поворота пл. поляризации зависит от вещества к-ла, толщины препарата и длины волны применяемою снега.

Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра . Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др. . 1978 .

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

поворот плоскости поляризации поперечной линейно поляризованной эл.-магн. волный при её прохождении через оптически активное в-во или через в-во, помещ. смотреть

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ, поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Вращение плоскости поляризации наблюдается в оптически активных веществах, а также в веществах, помещенных в магнитное поле.

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ - поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Вращение плоскости поляризации наблюдается в оптически активных веществах, а также в веществах, помещенных в магнитное поле.
. смотреть

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ , поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Вращение плоскости поляризации наблюдается в оптически активных веществах, а также в веществах, помещенных в магнитное поле. смотреть

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

- поворот плоскости поляризации линейнополяризованного света при его прохождении через вещество. Вращениеплоскости поляризации наблюдается в оптически активных веществах, а такжев веществах, помещенных в магнитное поле. смотреть

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

plane-of-polarization rotation* * *rotation of the plane polarization

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Drehung der Polarisationsebene, Polarisationsdrehung, Rotationspolarisation

Вращение плоскости поляризации - это процесс, который демонстрирует свойства определенных субстанций без воздействия внешних факторов вертеть поляризационную плоскость. Эти субстанции именуют оптически активными. Это характерно для скипидара, водного раствора сахара, кварца и прочих.

Процесс вращения плоскости поляризации поперечных волн

Различают несколько классов волн: гравитационные, акустические, электромагнитные и прочие. Круговое движение плоскости поляризации в поперечной волне происходит за счет поворотного движения вектора поляризации линейно-поляризованной поперечной волны относительно ее волнового вектора в процессе их проникновения в среде со свойством анизотропии.

Линейно-поляризованные волны в подобном случае описываются явлением суперпозиции волн с циркулярной поляризацией, имеющих равные амплитудное значение и значение вектора волны. В среде со свойством изотропии проекции векторов этих волн на плоскость поляризации будут производить синфазные колебания, а сумма их значений будет равняться векторам просуммированных линейно-поляризованных волн.

Поляризационная плоскость вертится благодаря набегу различия фаз, появляющемуся между циркулярно поляризованными составными частями линейно-поляризованных волн в момент их продвижения в циркулярной среде с анизотропией. В процессе электромагнитных колебаний эта среда являет собой оптически активное пространство, еще ее называют гиротропной. В случае с упругими поперечными колебаниями эта среда являет собой акустически активное пространство.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

В процессе верчения поляризационной плоскости параллельно кругу вектора волны угол проекции колебаний полевых векторов, что равняется половине разности фаз, опять-таки станет синфазным. В подобном случае такая поворачиваемая плоскость преобразуется в поляризованную плоскость.

При разных фазовых скоростях циркулярно поляризованные волны будут отставать друг от друга, следствием чего будет наблюдаться отличие между проекциями их колебаний на плоскую поверхность. Это отличие будет постоянно меняться с продвижением волн (для однородной среды оно будет расти линейно).

В среде, которая оптически активна и состоит из различных по активности молекул, поляризационная плоскость вращается пропорционально, в соответствии с плотностью этой субстанции. Эта зависимость лежит в основе поляриметрического метода определения степени концентрации таких субстанций в растворах.

В случае с акустическими волнами верчение поляризационной плоскости происходит лишь в упругих поперечных волнах из-за неопределенного состояния поляризационной плоскости в продольных волнах. Поэтому подобное явление может иметь место только в кристаллических агрегатных состояниях субстанций, так как в газообразном и жидком агрегатном состоянии нет поперечных составляющих.

Эффектом фотоупругости называется процесс, в котором циркулярная анизотропия зависима от магнитного и электрического полей, воздействующих на вещество снаружи, а также от механического воздействия. Часто наблюдается эффект дисперсии, что показывает зависимость между величиной анизотропии и длинной волны.

Процесс вращения плоскости поляризации в средах с оптической активностью

Электромагнитная теория про световые явления гласит о поперечности плоских световых волн. Поляризованная волна - это такая электромагнитная волна, имеющая упорядоченные по разным причинам направления волн магнитного и электрического векторов.

Неполяризованный естественный свет - это такое колебание, в котором происходит процесс неконтролируемой перемены направленности вектора света при условии равновероятности колебательных волн в различных направленностях в плоскости, что ему перпендикулярна.

Понятие суперпозиции свечения атомов являет собой излучение, что состоит из немереного количества атомов, что светятся. Эти излучения являются спонтанными, они не зависят один от другого, и это является причиной того, что направление вектора света хаотично изменяется.

Опираясь на вышесказанное, можно утверждать, что неполяризованный свет в любой точке будет находиться в суперпозиции некогерентных перпендикулярных друг другу колебательных волн напряженностей равных амплитудам магнитных и электрических полей. Если амплитуды этих колебаний различны, то будет происходить эффект частичной поляризации световых волн.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Вращающаяся поляризационная плоскость в природе

Понятие вращающейся поляризационной плоскости используют в некоторых устройствах, например, в модуляторах или оптических затворах.

Часть оптически активных субстанций имеют способность вертеть поляризационную плоскость.

В природе бывают право- и левовращающиеся оптически активные субстанции, направление поворота поляризационных плоскостей определяет их принадлежность. Для правовращающихся плоскость поляризации крутится по движению часовой стрелки, для левовращающихся - против.

Если вещество имеет такую способность в жидком агрегатном состоянии, оно сохраняет эту способность и в твердом агрегатном состоянии. Хотя, имея это свойство, твердые тела могут лишаться его при переходе в жидкость (например, расплавленный кварц). То есть оптическая активность зависит не исключительно от асимметрии молекулярной структуры субстанции, но и от характеристик его кристаллических решеток.

Процесс верчения поляризованных плоскостей изучал еще в 1817 году в своих работах ученый О. Френель. В его работах говорится о том, что скорость движения волны свет в оптически активной среде отличается для поляризованных по окружности влево и вправо пучков света. Метод измерения концентраций растворов оптически активных субстанций опирается на процесс верчения поляризационных плоскостей. Этот метод считается очень точным и называется сахариметрией.

Позже М Фарадеем была установлена зависимость между оптическим и электромагнитным явлениями. Он обнаружил верчение поляризационных плоскостей для оптически неактивных сред, возникающее при влиянии магнитного поля. Это явление позже получило название эффекта Фарадея.

Вращение плоскости поляризации представляет собой явление, демонстрирующее способность некоторых веществ в условиях отсутствия внешнего воздействия к вращению плоскости поляризации. Такие вещества (например, кварц, скипидар, водный раствор сахара и пр.) будут называться оптически активными.

Рисунок 1. Вращение плоскости поляризации. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Вращение плоскости поляризации для поперечной волны

Явление вращения плоскости поляризации (для поперечной волны) заключается в действии поляризационного вектора линейно-поляризованной поперечной волны (повороте) вокруг ее волнового вектора (в условиях прохождения волны сквозь анизотропную среду). При этом волна может быть:

электромагнитная;
акустическая;
гравитационная и др.

Линейно-поляризованную поперечную волну можно при этом описать в виде суперпозиции двух циркулярно поляризованных волн, обладающих амплитудой и равнозначным волновым вектором. В рамках изотропной среды проекции полевого вектора таких волн на плоскость поляризации будут совершать колебательные движения синфазно, а их сумма при этом равнозначна полевому вектору суммированной линейно-поляризованной волны.

В условиях различия фазовой скорости циркулярно поляризованных волн в среде, одна из них будет отставать от другой, что спровоцирует разность фаз между колебаниями проекций на выбранную плоскость. Такая разность фаз начнет изменяться при распространении волны (линейно расти в однородной среде).

Готовые работы на аналогичную тему

При повороте плоскости поляризации (по окружности волнового вектора) угол, который равен половине разности фаз, колебания спроектированных на нее полевых векторов снова окажутся синфазными. В этот момент повернутая плоскость превратится в плоскость поляризации.

Причина поворота плоскости поляризации кроется в набеге разности фаз, возникающей между циркулярно поляризованными составляющими линейно-поляризованной волны в условиях ее распространения в циркулярно-анизотропной среде. Подобная среда (для электромагнитных колебаний) оптически активная (гиротропная). При этом для упругих поперечных волн – она акустически активная.

Циркулярная анизотропия среды может зависеть от внешних полей, которые наложены на среду (речь идет об электрическом и магнитном) и от механических напряжений (эффект фотоупругости). Степень анизотропии может быть зависимой от длины волны (явление дисперсии).

Оптически активная среда (из смеси неактивных и активных молекул) вращает плоскость поляризации пропорционально (относительно концентрации оптически активного вещества). На этом базируется поляриметрический метод измерения степени концентрации подобных веществ в растворах.

При акустических колебаниях поворот плоскости поляризации можно наблюдать исключительно для поперечных упругих волн (из-за неопределенности плоскости поляризации для продольных волн). Это делает такое явление доступным только для твердых тел и исключает такую возможность для газов или жидкостей (по причине отсутствия поперечной составляющей).

Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами

Из электромагнитной теории света следует, что плоские световые волны поперечны. Электромагнитная волна с упорядоченными каким-либо образом направлениями колебаний электрического и магнитного векторов является поляризованной.

Излучение, состоящее из множества атомов светящегося тела, представляет собой явление суперпозиции излучений отдельных атомов (излучения атомов при этом спонтанны и независимы друг от друга, что провоцирует беспорядочное изменение направления светового вектора в точке, которая рассматривается).

Световая волна с хаотичным изменением направления светового вектора (в условиях равной вероятности для него всех направлений колебаний в перпендикулярной лучу плоскости) будет называться естественным (неполяризованным) светом.

Согласно такому определению, естественный свет в произвольной точке будет рассматриваться в качестве суперпозиции некогерентных взаимно перпендикулярных колебаний напряженности равно амплитудных магнитного и электрического полей. Частичная поляризация света наблюдается при различии амплитуд данных колебаний.

Явление вращения плоскости поляризации в природе

Вращение плоскости поляризации применяют в следующих оптических приборах:

Определенные оптически активные вещества способны к вращению плоскости поляризации. Каждое оптически активное в жидком состоянии вещество способно не терять такое свойство и в кристаллическом состоянии. При этом активность веществ в кристаллическом состоянии не всегда переходит в активность в жидком (пример с расплавленным кварцем). Таким образом, оптическая активность обусловлена не просто строением молекул вещества (их асимметрия), но и особенностями размещения частиц в кристаллической решетке.

Оптически активные вещества существуют в природе в виде право- и левовращающих, что будет зависеть от направления вращения поляризационной плоскости. В первом случае, например, плоскость поляризации (при взгляде навстречу лучу), вращается по часовой стрелке (то есть вправо), во втором случае мы наблюдаем левое вращение.

Явление вращения плоскости поляризации объяснил в своих работах ученый О. Френель (1817 г.). Согласно представленной им теории, в оптически активных веществах скорость распространяющегося света оказывается различной для поляризованных вправо и влево (по кругу) лучей. На явлении вращения плоскости поляризации базируется точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ (сахариметрия).

Впоследствии М. Фарадей выявил вращение плоскости поляризации (для оптически неактивных тел), которое появляется под воздействием магнитного поля (впоследствии - эффект Фарадея). Открытие стало значимым, поскольку позволило обнаружить связь между электромагнитными и оптическими процессами.

Следствием теории Максвелла является поперечность электромагнитных волн (ЭМВ): векторы напряженности электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно волновому вектору (направлению волны). Поперечность ЭМВ лишает волну осевой симметрии относительно направления ее распространения из-за наличия выделенных направлений (векторы и ) в плоскости, перпендикулярной направлению волнового вектора (поперечная анизотропия). Т. е. свойства ЭМВ зависят от ориентировки векторов и , характеризуемой понятием поляризации. Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение одного из указанных векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора напряженности электрического поля, направление которого при действии света на вещество в нерелятивистском приближении определяет направление силы, действующей на заряженные частицы (например, электроны в атомах вещества) в поле световой волны.

Если проекция траектории конца вектора на плоскость, перпендикулярную лучу, представляет собой отрезок прямой линии, то свет называют Линейно поляризованным или Плоскополяризованным. Плоскость, проходящая через направление колебаний электрического вектора линейно поляризованной световой волны и направление распространения этой волны, называется Плоскостью поляризации.

Вращение плоскости поляризации кристаллическими и некристаллическими телами

В некоторых случаях распространение линейно поляризованного света в веществе сопровождается поворотом направления поляризации вокруг оси пучка. Это явление называют Естественным вращением плоскости поляризации или Естественной оптической активностью. Вещества, обладающие свойством вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света, называют Оптически активными.

Естественная активность была открыта французским физиком Д. Ф. Араго в 1811 г. для кристаллов кварца. В 1815 г. французский ученый Ж. Б. Био открыл оптическую активность чистых жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров многих, главным образом органических веществ. Теперь известно много естественно активных веществ, хотя у большинства из них это явление выражено очень слабо.

К числу оптически активных веществ принадлежат двояко преломляющие кристаллы (кварц, исландский шпат CaCO3, киноварь HgS и др.), причем сильнее всего они вращают плоскость поляризации, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Кристалл в этом случае ведет себя как изотропное тело. (Обычного (линейного) двойного лучепреломления с пространственным разделением двух лучей не происходит.)

Оптически активными являются и некоторые оптически изотропные кристаллы кубической симметрии (например, хлорат натрия NaClO3 , бромат натрия NaBrO3 и др.), для которых величина вращения не зависит от ориентации кристалла.

Наряду с названными кристаллами оптически активными являются многие твердые кристаллические органические вещества (сахар, камфора, кокаин и др.), смеси ряда органических веществ (нефть, патока и др.), некоторые чистые жидкости (скипидар, никотин и др.), а также растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (камфоры в бензоле, водные растворы сахара, винной кислоты, глюкозы и др.) и их расплавы и пары.

В оптически активных Кристаллах и чистых жидкостях угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине D проходимого светом слоя оптически активного вещества:

. (1)

Коэффициент a, численно равный углу поворота плоскости поляризации света слоем вещества единичной толщины, является мерой оптической активности вещества и называется Постоянной вращения (Вращательной способностью). Он зависит от природы вещества, длины волны света (вращательная дисперсия) и температуры и не зависит от интенсивности света. Био определил, что вращение a увеличивается с уменьшением длины волны света, причем приближенно a ~ 1/l2. В области прозрачности и малого поглощения с опытом хорошо согласуется формула Друде: , где Bi — некоторые постоянные, характеризующие вещество, lI – длины волн, соответствующие собственным частотам рассматриваемого вещества (длины волн полос поглощения вещества).

Для оптически активных Растворов Согласно Закону Био (1831г.):

, (2)

Закон Био фактически выражает пропорциональность угла поворота j числу молекул оптически активного вещества на пути светового луча. Следовательно, вращение плоскости поляризации в аморфных веществах, жидкостях и парах является молекулярным свойством.

Все кристаллические вещества, оптически активные в аморфном состоянии (расплавленные или растворенные), обладают таким же свойством и в кристаллическом состоянии (Оптически активные вещества 1-Го типа). При этом в отличие от аморфных тел постоянные вращения кристалла и его раствора (расплава) могут сильно отличаться. К таким веществам относится большое количество органических соединений (ряд кислот и эфиров, сахарá, сульфиды, селениды и др.), многие соединения металлов, металлоорганические соединения, а также некоторые жидкие кристаллы.

Однако вещества, оптически активные в кристаллическом состоянии, не всегда активны в жидком (например, расплавленные кварц, киноварь и др.) (Оптически активные вещества 2-Го типа). Следовательно, оптическая активность может быть обусловлена как молекулами вещества, так и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке.

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, a > 0), в Левовращающих – против часовой стрелки (отрицательное вращение, a Nл (ПП NП) (рассмотренный случай), а для левовращающих nл 0) считается вращение плоскости поляризации по часовой стрелке при распространении света вдоль магнитного поля, т. е. вращение происходит в ту же сторону, куда течет ток по виткам обмотки электромагнита, создающего магнитное поле. Большинство веществ характеризуется положительным вращением. В области нормальной дисперсии правовращающими (V > 0), как правило, являются диамагнитные вещества (единственное исключение – хлористый титан TiCl4), левовращающими (V > l, как это обычно и бывает. Наряду с этим существующие современные приборы для измерения углов вращения плоскости поляризации в оптической области спектра – поляриметры и спектрополяриметры (для измерения дисперсии оптической активности) – обладают чувствительностью ~10 – 6 – 10 – 7 град. Это позволяет детектировать чрезвычайно малые различия показателей преломления среды для двух циркулярных поляризаций (~10 – 12). Т. е. методы, основанные на измерении естественной или индуцированной оптической активности, характеризуются очень высокой чувствительностью (в ~ 104 раз чувствительнее самых точных интерферометрических методов) и информативностью и позволяют выявлять и исследовать тончайшие физические эффекты, приводящие к циркулярной анизотропии среды.

Оптическая активность и дисперсионные эффекты вращения плоскости поляризации широко используются в атомной физике, молекулярной физике и химии, оптике, биологии, химической физике и биофизике и др. для исследования особенностей строения вещества, пространственной структуры молекул, полимеров и биополимеров, кристаллов (в том числе жидких), симметрии кристаллов, структуры примесных центров, природы заместителей в молекулах как органических, так и комплексных неорганических соединений, симметрии ближайшего окружения молекул в жидкостях, внутри — и межмолекулярных взаимодействий.

Эффекты магнитного вращения плоскости поляризации используются также в физических исследованиях структуры (в том числе энергетической структуры электронных состояний) и магнитных свойств атомных и конденсированных сред и т. д.

Наряду с применением явления вращения плоскости поляризации в научных исследованиях, оно широко используется в технике, особенно лазерной, промышленности (например, химической, химико-фармацевтической, пищевой, нефтяной), медицине, фармакологии и т. д. Естественная оптическая активность – наиболее удобный способ идентификации изомеров. В геологии оптически активные вещества позволяют определить минералы, компоненты нефтей.

Читайте также: