Вращение плоскости поляризации

В кристаллических типах, а также в некоторых изотропных жидкостях, кроме двойного лучепреломления, наблюдается ещё одно явление, которое получило название вращение плоскости поляризации. Явление это было открыто и впервые изучено французскими физиками Араго и Френелем (1816гг.)

Естественное вращение. Многие вещества, называемые оптически активными, обладают способностью поворачивать направление поляризации проходящего через них линейно-поляризованного света. Это кристаллические тела (кварц и др.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

Если на оптически активное вещество падает плоскополяри­зованный свет, то прошедший через него свет оказывается тоже плоскополяризованным: поворотом анализатора его можно полностью погасить и установить при этом угол ф поворота плоскости поляризации.

В качестве примера возьмем кварцевую пластинку К, вырезанную перпендикулярно оптической оси, и поместим ее между двумя скрещенными поляризаторами Р и Р' (рис. 28).

рис. 6.28

Система будет пропускать свет (чего не было бы в отсутствие пластинки К). Повернув анализатор Р' на некоторый угол j, обнаруживаем, что система перестала пропускать свет. Это означает, что в кристалле вектор Е повернулся на тот же угол и оказался перпендикулярным плоскости пропускания анализатора Р'. Опыт показывает, что все оптически активные вещества поворачивают плоскость поляризации падающего на них света на угол

(41)

где l — толщина оптически активного слоя, a — постоянная вращения. Эта постоянная имеет различное значение для разных веществ и, кроме того, сильно зависит от длины волны света. Так для кварцевой пластинки толщиной в 1 мм углы поворота желтого и фиолетового света равны соответственно 20° и 50°. В ультрафиолете еще больше: при l = 215 нм угол j = 236°. Таким образом, поворот плоскости поляризации света кварцем – это сильный эффект, и его можно легко обнаружить.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации, оптически активные вещества подразделяют на право- и левовращающие, т. е. вращающие по или против часовой стрелки, если смотреть навстречу световому пучку.

Заметим, что все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях - право- и левовращающие.

Вращательная способность кварца связана с его кристаллической структурой, так как плавленый кварц не обладает оптической активностью. Для оптически же активных жидкостей и аморфных тел эффект вращения обусловлен асимметрическим строением самих молекул.

Опыт показывает, что при изменении направления распространения света на противоположное поворот плоскости поляризации происходит в обратную сторону (рис. 6.29). Другими словами, направление вращения (правое или левое) «привязано» к направлению луча. Поэтому при прохождении света сквозь активную среду, отражении его от зеркала и вторичного прохождения через ту же среду назад направление линейной поляризации восстанавливается.

рис. 6.29

Измерение угла поворота плоскости поляризации лежит в основе методов определения концентрации оптически активных веществ. Этим пользуются, в частности, для определения концентрации сахара в производственных растворах и биологических объектах (кровь, моча).

Магнитное вращение. Способность поворачивать плоскость по­ляризации приобретают даже оптически неактивные вещества, если их поместить в продольное магнитное поле (эффект Фарадея). Это явление было обнаружено Фарадеем и поэтому иногда называется эффектом Фарадея.Схема установки для наблюдения этого эффекта состоит из соленоида с исследуемым веществом, который помещен между двумя скрещенными поляризаторами Pи Р'. Создание магнитного поля приводит к просветлению поля зрения. Поворотом плоскости пропускания анализатора P ' добиваются затемнения, и таким образом находят угол поворота плоскости поляризации:

(42)

где V – постоянная Верде (или магнитная вращательная способность), l — длина пути света в веществе, В – магнитная индукция. Постоянная Верде зависит от рода вещества, его физического состояния и длины волны света. Приведем значения этой постоянной для двух веществ при разных длинах волн:

Вещество	V, угл. Град/(м*мТл)
	656 нм	589 нм	486 нм
Вода	0,17	0,22	0,33
Сероуглерод	0,53	0,69	1,11

Направление вращения связано только с направлением магнитного поля В. От направления луча направление вращения не зависит. Поэтому при отражении луча зеркалом и возвращении его в исходную точку поворот плоскости поляризации удваивается (в отличие от естественного вращения). Это свойство позволяет увеличить угол поворота удлинением пути света в образце за счет многократных отражений от посеребренных поверхностей образца.

Знак вращения условно считают, если смотреть вдоль магнитного поля (вдоль вектора В). Для подавляющего большинства веществ вращение происходит вправо (т. е. правый винт относительно вектора В). Такие вещества называют положительными. Встречаются однако и отрицательные вещества, вращающие влево (т. е. левый винт относительно вектора В).

Тот факт, что направление вращения в магнитном поле связано только с направлением вектора В, позволяет осуществить так называемый оптический вентиль, который способен пропускать свет только в одном направлении. Сказанное поясняет (рис. 6.30). Свет, прошедший после поляризатора Pмагнитное поле, поворачивает плоскость поляризации на j = 45° и проходит через поляризатор P '. А обратно, пройдя P ' и повернувшись в ту же сторону на j, оказывается задержанным поляризатором P.

рис. 30

Малая инерционность эффекта Фарадея (~ 10 ⁹ с) позволяет использовать его для модуляции света, для создания оптического затвора и т. п.