Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
Для наблюдения явления можно установить на оптической скамье два скрещенных николя. Такая система не пропускает свет. Однако, если между николями ввести пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к оптической оси, или слой какого-либо другого оптически активного вещества, то свет через систему будет проходить. Но его можно погасить вращением одного из николей. Отсюда следует, что после прохождения через активное вещество свет остается линейно поляризованным, но его плоскость поляризации оказывается повернутой. Для успеха опыта падающий свет, если он белый, необходимо монохроматизировать, пропустив его через светофильтр, так как угол поворота плоскости поляризации зависит от длины волны. Кварц — одноосный кристалл. В описанном опыте свет распространяется вдоль оптической оси, когда кварц S 94] ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
573
ведет себя как изотропное тело, не давая обычного (линейного) двойного лучепреломления.
В зависимости от взятого вещества естественное вращение плоскости поляризации может происходить вправо или влево, причем эти два направления условились относить к наблюдателю, к которому свет приближается. В соответствии с этим различают право-и левовращающие вещества. Вращение вправо считается положительным, а влево — отрицательным.
2. Явление вращения плоскости поляризации указывает на определенную дисимметрию, свойственную оптически активным средам. Она выражается в том, что в таких средах направления вращения по и против часовой стрелки физически не эквивалентны. Поэтому в среде не может быть плоскости симметрии, проходящей через направление нормали к фронту волны. Иначе, как это следует из общих соображений симметрии, плоскость поляризации света не могла бы вращаться, если бы она совпадала с любой из плоскостей симметрии. В то же время естественно-активные среды, если они жидкие, полностью изотропны, т. е. все направления в них совершенно эквивалентны. Это проявляется, в частности, в том, что естественно-активная жидкость вращает плоскость поляризации в одну и ту же сторону, независимо от направления распространения света. Поэтому естественно-активную жидкость можно охарактеризовать как дисимметрично-изотропную среду. В кристаллах нет изотропии, но в одноосных кристаллах всякие два взаимно противоположные направления оптической оси также эквивалентны, по крайней мере в оптическом отношении.
Отмеченная дисимметрия напоминает дисимметрию винтовой спирали. Будем смотреть на один из торцов спирали. Пусть по спирали движется точка, вращаясь по часовой стрелке. Если при этом точка удаляется от нас, то спираль называется правой (в противоположном случае она называется левой). Если посмотреть на спираль с противоположного торца, то вращение той же точки будет происходить против часовой стрелки, но в этом случае точка будет приближаться к нам. Чтобы она удалялась, надо направление вращения изменить на противоположное. Таким образом, свойство спирали быть правой или левой не зависит от того, с какого торца на нее смотреть. Так и -свойство естественно-активной среды быть право- или левовращающей не зависит от того, в каком из двух прямо противоположных направлений распространяется свет.
Таким образом, если плоскость поляризации в естественно-активной среде вращается, например, вправо, то при изменении направления распространения света на противоположное она по-прежнему будет вращаться вправо. Однако направления вращения «вправо» и «влево» относятся к разным наблюдателям: к каждому из них Свет должен приближаться. Объективно, независимо от выбора наблюдателя, вращения происходят в противоположные 574
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОПТИКА
' [ГЛ. VIII
стороны, если лучи распространяются навстречу друг другу. Если свет заставить пройти туда и обратно через естественно-активное вещество, отразив его от зеркала, то плоскость поляризации возвратится к своему исходному направлению.
3. Кварц встречается в природе в виде двух модификаций: правовращающего и левовращающего (короче — правого и левого). Это явление называется энантиоморфизмом и встречается у кристаллов, не содержащих центров и плоскостей симметрии. Обе энантиоморфные модификации кристалла отличаются друг от друга внешней формой и внутренней кристаллической структурой. По своей симметрии они отличаются друг от друга примерно так же, как правая спираль отличается от левой или правая рукаст левой. Таким образом, обе модификации не конгруэнтны, т. е. правая не может быть наложена на левую и наоборот. Но зеркальное изображение одной из этих модификаций может быть совмещено с другой. По-видимому, все естественно-активные кристаллы существуют в двух' энантиоморфных модификациях, хотя не во всех случаях известны обе модификации. Некоторые жидкости, например винная кислота, могут встречаться также в виде двух модификаций, вращающих плоскость поляризации в противоположных направлениях.
4. Био установил на опыте, что угол поворота % плоскости поляризации пропорционален толщине I оптически активного вещества: % = а/, где коэффициент а называется вращением на единицу длины. Он зависит от длины волны, природы вещества и температуры. Для кварца при температуре 20 °С и желтого света натрия (К = 589,3 нм) а = ±21,728, для хлорноватистокислого натрия (NaClO3) а = 3,170 угловых градуса на миллиметр. Для некоторых жидких кристаллов а может достигать 40 ООО градусов на миллиметр. Для правых и левых модификаций кварца и всех остальных кристаллов значения вращения а одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Вращение а увеличивается с уменьшением длины волны. Био нашел, что величина а обратно пропорциональна квадрату длины волны Я2. Но такая зависимость грубо приближенна. В области прозрачности и малого поглощения хорошо согласуется с опытом формула Друде
