Теоретическое введение. Свет является поперечной электромагнитной волной

Свет является поперечной электромагнитной волной. Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов независимо друг от друга. Поэтому естественный свет не поляризован. Если же направления колебаний светового вектора каким-либо образом упорядочить, то свет будет поляризованным. Если колебания вектора происходят в одной плоскости, то свет называется плоско-поляризованным.

Поляризованный свет можно получить из естественного с по­мощью поляризатора (призма Николя, поляроид и др.). Он пропускает колебания, параллельные только одной (главной) плоскости, и полностью задерживает колебания, перпендику­лярные этой плоскости.

Чтобы исследовать, является ли свет после прохождения поляризатора действительно плоско-поляризованным, на пути лучей ставят второй поляризатор, который называют анализатором. Пусть колебания вектора поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол φ с главной плоскостью анализатора. Амплитуду Е этих колебаний можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: Е₁ – совпадающую с главной плоскостью анализатора и Е₂ – перпендикуляр­ную ей (рис. 4.1):

, . (4.1)

Первая составляющая колебаний пройдет через анализатор, вторая будет задержана им. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, следовательно, интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна (закон Малюса):

, (4.2)

где – интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор; φ – угол между плоскостью колебаний падаю­щего света и главной плоскостью анализатора.

Если главные плоскости поляризатора и анализатора параллельны (φ=0, π; cosφ=±1), то экран, помещенный за анализа­тором, будет максимально освещенным. Если φ=π/2, т.е. cosφ=0 (поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет темным.

Среди явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом, важное место и в принципиальном, и в практическом отношении занимает явление, открытое Д. Араго в 1811 г. при изучении двойного лучепреломления в кварце: при прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдаетсявращение плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К их числу относятся кристаллические тела (кварц, киноварь и др.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и растворы некоторых веществ (водные растворы сахара, винной кислоты и др.). Измерение вращения плоскости поляризации стало популярным аналитическим методом в ряде промышленных областей.

Кристаллические вещества, например, кварц, сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота φ пропорционален пути l, пройденному лучом в кристалле:

φ=α l. (4.3)

Коэффициент α называют постоянной вращения.

Для растворов Ж.Био (1831 г.) обнаружил следующие закономерности: угол φ поворота плоскости поляризации пропорционален пути l луча в растворе и концентрации С активного вещества в растворе:

φ=[α]Сl, (4.4)

где [α] – удельное вращение. Оно характеризует природу вещества, зависит от природы вещества и температуры. Удельное вращение обратно пропорционально квадрату длины волны: , поэтому при пропускании поляризованного света через раствор оп­тически активного вещества плоскости поляризации волн раз­личной длины будут поворачиваться на разные углы. В зави­симости от положения анализатора через него проходят лучи различной окраски. Это явление называется вращательной дисперсией.

При 20°С и λ=589 нм удельное вращение сахара равно: [α]=66.5 град^.см³/(г^.дм)=0.665 град^.м²/кг. Постоянная вращения кварца для жёлтых лучей (λ=589 нм): α=21.7 град/мм, а для фиолетовых (λ=404.7 нм) α=48.9 град/мм.

Исследования показали, что объяснение явления вращения плоскости поляризации света в естественно-активных веществах можно получить, рассматривая общую задачу взаимодействия электромагнитной световой волны с молекулами или атомами веществ, если только принять во внимание конечные размеры молекул и их структуру. Эта задача очень сложна. В свое время О.Френель (1817 г.) представил описание этого явления, сведя его к особому типу двойного лучепреломления. В основе рассуждений Френеля лежит гипотеза, согласно которой скорость распространения света в активных веществах различна для волн, поляризованных по левому и по правому кругу. Представим плоско-поляризованную волну как суперпозицию двух волн, поляризованных по кругу вправо и влево с одинаковыми амплитудами и периодами. Если оба вектора и вращаются с одинаковой скоростью, то геометрическая сумма их в каждый момент времени будет лежать в одной и той же плоскости Р (рис. 4.2, а).

Если скорости распространения обеих волн окажутся неодинаковыми, то по мере прохождения через вещество один из векторов, или , будет отставать в своем вращении от другого вектора, в результате чего плоскость P’, вкоторой лежит результирующий вектор , будет поворачиваться относительно первоначальной плоскости Р (рис. 4.2, 6).

Различие в скоростях света с разным направлением круговой поляризации обусловливается асимметрией молекул, либо асимметричным размещением атомов в кристалле. На рис. 4.3 приведен пример асимметричной молекулы. В центре тетраэдра помещается атом углерода, в вершинах – отличающиеся друг от друга атомы или группировки атомов (радикалы), обозначенные буквами X, Y, Z и V. Молекула, изображенная на рис.4.3,б, является зеркальным отражением молекулы, показанной на рис. 4.3,а. У них нет ни центра симметрии, ни плоскости симметрии, и они не могут быть пространственно совмещены друг с другом никакими поворотами и перемещениями. Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы. Но если, например, вещество, образо­ванное молекулами а, правовращающее, то вещество, образованное молекулами б, будет левовращающим. Значения удельного вращения для обеих модификаций отличаются только знаком.

Кроме того, физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Так, в живой природе белки строятся из левых оптических изомеров аминокислот (19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны). Белки, синтезированные искусственным путём из правых аминокислот, не усваиваются организмом; а левый никотин в несколько раз ядовитее правого. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.