ФИЗИКА

5.4.5. Вращение плоскости поляризации

Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на кристаллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему «поляризатор Р – анализатор А» (рис. 5.4.13), которые поставлены скрещенно. В этом случае свет до наблюдателя не дойдёт, так как анализатор не пропускает в соответствии с законом Малюса (5.4.4) плоскополяризованный свет при φ = 90°.

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль её оптической оси, то свет дойдёт до наблюдателя. Если же анализатор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться затемнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол, соответствующий повороту анализатора для получения затмения.

Используя в опыте свет различной длины волн, можно обнаружить дисперсию вращения плоскости поляризации, т.е. зависимость угла поворота от длины волны.

Для определённой длины волны угол α поворота плоскости поляризации пропорционален расстоянию ℓ, пройденному светом в оптически активном веществе:

(5.4.9)

,

где α0 - постоянная вращения.

Существует две модификации кварца, каждая из которых поворачивает плоскость поляризации в определённом направлении: по часовой стрелке – правовращающий (положительный) кварц, против часовой стрелки – левовращающий (отрицательный). Постоянная вращения в обоих случаях одинакова (направление вращения устанавливается относительно наблюдателя, смотрящего навстречу лучу).

Оптически активными являются также многие некристаллические тела: чистые жидкости (например, скипидар), растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфары).

Для растворов был установлен следующий количественный закон:

(5.4.10)

,

где с – концентрация оптически активного вещества;

ℓ − толщина слоя раствора;

[α0] – удельное вращение, которое приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны и зависит от температуры и свойств растворителя.

Соотношение (5.4.10) лежит в основе весьма чувствительного метода измерения концентрации растворённых веществ, в частности сахара.

Этот метод (поляриметрия, или сахариметрия) широко используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях.

Вращение плоскости поляризации растворами обусловлено взаимодействием электромагнитной волны с ассиметричными молекулами растворённого оптически активного вещетва. Такие молекулы не обладают зеркальной симметрией, т.е. при их «отражении» в зеркале получается иная форма. «Левая» молекула является зеркальным отображением «правой». Молекулы с одинаковой химической формулой, но разной структурой поворачивают плоскости поляризации в разных направлениях.

Поляриметрию применяют не только для определения концентрации растворов, но и как метод исследования структурных превращений, в частности в молекулярной биофизике.

Магнитное вращение плоскости поляризации. Оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление было обнаружено Фарадеем и поэтому называется иногда эффектом Фарадея. Оно наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности.

Угол поворота плоскости поляризации φ определяется соотношением:

(5.4.11)

.

Здесь V – постоянная Верде (удельное магнитное вращение);

ℓ − путь, пройденный светом в исследуемом веществе;

Н – напряжённость магнитного поля.

Направление вращения определяется направлением магнитного поля и от направления луча не зависит.

Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит.

Оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поляризации, которая складывается с их естественной способностью.

к к к