Вращение плоскости поляризации. В направлении оптической оси свет распространяется в кристалле так же, как и в однородной среде, не давая двойного лучепреломления

В направлении оптической оси свет распространяется в кристалле так же, как и в однородной среде, не давая двойного лучепреломления. Однако было замечено, что в кристаллах кварца распространение света вдоль оптической оси все же отличается от его распространения в изотропной среде. Оказалось, что плоско поляризованный свет, распространяясь в кристалле кварца вдоль оптической оси, поворачивает плоскость поляризации. Впоследствии это явление было обнаружено в ряде других кристаллов и в некоторых жидкостях и получило название вращения плоскости поляризации. Вещества, вращающие плоскость поляризации, называются оптически активными.

Если расположить пластинку кварца, вырезанную пер­пендикулярно оси, между двумя скрещенными николями, то поле просветляется. Поворотом второго николя на некоторый угол свет снова можно потушить. Это указывает на то, что свет остался плоско поляризованным, но плоскость его поляризации повернулась на некоторый угол. Полностью потушить свет, поворачивая николь, можно лишь в случае монохроматического источника света. Если пользоваться белым светом, то при расположении кварцевой пластинки между скрещенными николями получается окрашенное поле; при повороте одного из николей окраска поля меняется. Это указывает на зависимость вращательной способности от длины волны (дисперсия вращательной способности). Угол вращения плоскости поляризации Δφ пропорционален толщине пластинки. Если смотреть навстречу лучу, то плоскость поляризации, для данного кристалла, повернута в определенном направлении: по часовой стрелке (направо) или против часовой стрелки (налево). При повороте пластинки на 180° это направление вращения сохраняется неизменным. Поэтому, если заставить луч пройти через кристаллическую пластинку, обладающую способностью вращать плоскость поляризации вдоль оптической оси, а затем, отразив нормально от зеркала, пропустить его через ту же пластинку в обратном направлении, то плоскость поляризации не будет повернута.

Вещества, вращающие направо, носят название правовращающих, а вращающие налево — левовращающих. Кристаллы кварца встречаются в двух разновидностях — правовращающие и левовращающие. Право- и левовращающие кристаллы кварца отличаются по своей внешней кристаллической форме — одни из них являются зеркальным отображением других.

Вращение в кварце значительно: кварцевая пластинка толщиной в 1 мм поворачивает плоскость поляризации желтых лучей (λ = 0,5890 мкм) на 21,7°, а фиолетовых (λ = 0,4047 мкм) — на 48,9°; в ультрафиолетовой части спектра вращение плоскости поляризации еще больше: та же пластинка поворачивает плоскость поляризации лучей с длиной волны λ = 0,2147 мкм на 236°.

Френель показал, что вращение плоскости поляризации может быть объяснено, если допустить, что лучи, поляризованные по кругу с правым и левым направлением вращения, распространяются в кристалле с разной скоростью. Как было показано в курсе механики, прямолинейное гармоническое колебательное движение можно разложить на два круговых, происходящих с той же частотой, но в обратных направлениях. Пусть направление ОО' (рис. 9.1) представляет собой направление колебания в падающей на кристалл плоско поляризованной волне. Вектор амплитуды колебаний А разложим на два вектора: А' и А", из которых первый вращается направо, а второй налево.

Если скорости распространения круговых колебаний в кристалле разные, то после того, как свет пройдет толщу кристалла l, круговое колеба­ние А' отстанет но фазе на угол φ'= 2πl/λ', а колебание А" — на угол φ''=2πl/λ'' здесь λ' и λ'' длины волн в кристалле, соответствующие обоим видам колебаний. Предположим, что толщина пластинки l такова, что угол φ' кратен 2π. Тогда вектор А' займет снова свое прежнее положение, вектор же А", для которого φ''≠φ', займет некоторое новое положение, отмеченное на рис. 9.1 пунктиром. Это новое положение будет повернуто относительно старого на угол:

Δφ =φ' – φ'' =2πl(1/λ' –1/λ'')

Результирующий вектор А займет также новое положение А₁ повернутое относительно А на угол:

Δψ= Δφ/2=πl(1/λ' –1/λ'') (10.1)

Введем коэффициенты преломления п' и п" для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево, тогда λ' = λ₀/п' и λ"= λ₀/п'', где λ₀ — длина волны рассматриваемого света в пустоте. Подставляя эти значения λ' и λ"в (10.1), найдем:

Δψ= πl( п' - п" )/ λ₀

Таким образом, угол поворота плоскости поляризации Δψ определяется разностью коэффициентов преломления п' и п" лучей, право- и левополяризованных по кругу.

Наряду с кристаллами, существуют и жидкости, которые также обладают способностью вращать плоскость поляризации. К числу таких жидкостей принадлежит скипидар, водный раствор сахара, раствор виннокаменной кислоты и т. д. Последняя встречается в двух модификациях — право- и левовращающей. Для растворов имеют место следующие законы: угол вращения Δψ пропорционален толщине l слоя раствора и прямо пропорционален концентрации с активного вещества:

Δψ= αcl

Величина α зависит от рода вещества; она носит название постоянной вращения. Все вещества, активные в аморфном состоянии (расплавленные или в виде растворов), активны и в виде кристаллов, хотя постоянная вращения а в обоих этих состояниях может быть разной. Наоборот, ряд веществ, неактивных в аморфном состоянии, вращает в кристаллическом состоянии. Так, кварц, сильно вращающий в кристал­лическом состоянии, перестает вращать в аморфном состоянии (плавленый кварц). Отсюда следует, что способность вращать плоскость поляризации может определяться как строением молекул, так и расположением молекул в кристаллической решетке.

Первоначальные попытки объяснить вращательную способность с точки зрения электронной теории сводились к предположению, что в оптически активной молекуле имеются такие связи, что под действием свгтовой волны электроны движутся по винтообразным траекториям. В активных кри­сталлах, например в кварце, частицы кремния и кислорода расположены по винтовым линиям. Несколько позже было выяснено, что вращение плоскости поляризации может быть объяснено наличием анизотропных молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии. При этом приходится учитывать неоднородность электромагнитного поля световой волны в пределах размеров молекулы.