Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
579
магнитного поля. Для наблюдения явления можно воспользоваться электромагнитом, вдоль оси которого просверлен цилиндрический канал, как это показано схематически на рис. 312. Электромагнит помещается между скрещенными николями, исследуемое вещество вводится между полюсами электромагнита. Если наблюдатель смотрит в направлении магнитного поля, то вращение вправо условились считать положительным, а влево — отрицательным. В первом случае вращение происходит в ту же сторону, куда течет ток по виткам электромагнита, во втором — в противоположную сторону. Фарадей наблюдал только положительное вращение. Таким вращением обладает большинство веществ. Из диамагнитных веществ единственным исключением является хлористый титан. Среди парамагнитных веществ встречается значительное число отрицательно вращающих, например соли железа и редких земель, K2Cr2O7, KCrO4 и др.
Опыты самого Фарадея, а затем более точные опыты Верде (1824—1866) показали, что угол поворота плоскости поляризации пропорционален длине пути I света в веществе и напряженности внешнего магнитного поля, т. е. магнитной индукции В в веществе:
X = RlB, (95.1)
где коэффициент R называется постоянной Верде или магнитной вращательной способностью. Этот коэффициент зависит от рода вещества, его физического состояния и длины волны. В табл. 10 приведены характеристики магнитного вращения для некоторых веществ.
Таблица 10
Вещество X
К = 656 нм X = 589 нм ^ = 486 нм
Вода (25 °С) Сероуглерод (25 °С) Кварц 0,0102' 0,0319' 0,0136' 0,0130' 0,0415' 0,0166' 0,0197' 0,0667' 0,0250' На 1 см длины луча в поле 1 Гс
Кислород Водород Углекислота 0,484' 0,430' 0,691' 0,559' 0,537' 0,862' 0,721' 0,805' 0,286' При давл. 1 ат на 1 см длины луча в поле 105 Гс
Железо Никель 217° 92° 195° 75° 145° 64° На Ю-® см в поле 15 000 Гс
В ферромагнитных металлах угол поворота % не пропорционален В, но в сильных магнитных полях с возрастанием В возрастает очень медленно, приближаясь асимптотически к предельному зна- 580
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОПТИКА
' [ГЛ. VIII
чению. Согласно Кундту, угол % пропорционален намагниченности магнетика 1 = (ц — 1) В/(4лц), где ц — магнитная проницаемость. Этот угол определяется выражением
X = KlI, (95.2)
где К — так называемая постоянная Кундта. При B = 15 ООО Гс ферромагнетик можно считать намагниченным до насыщения.
2. Физическая природа магнитного вращения плоскости поляризации была выяснена после открытия явления Зеемана и объяснения его, данного Лорентцом. Допустим для простоты, что в отсутствие магнитного поля вещество испускает только одну спектральную линию, т. е. обладает одной собственной (резонансной) частотой со0. При внесении в магнитное поле В у осцилляторов вещества появляются две новые резонансные частоты ш, + ? и ю0 — Q (где Q — ларморовская частота), соответствующие круговым вращениям электрона (см. § 92). Эти собственные частоты проявляются не только в испускании (прямой эффект Зеемана), но и в поглощении света (обратный эффект Зеемана). Прежняя резонансная частота W0 проявляется только при распространении света поперек магнитного поля и под углом к нему. Нормальные волны, которые могут распространяться вдоль магнитного поля, поляризованы по кругу. Когда направления распространения света и магнитного поля совпадают, большей собственной частоте о)+ = со0 + О соответствует вращение по, а меньшей = со0 — Q — против часовой стрелки, если смотреть в направлении магнитного поля (рис. 313).
Поскольку собственные частоты со+ и со_ различны, скорости распространения обеих поляризованных по кругу волн также различны. Этим принципиально дано объяснение магнитного вращения плоскости поляризации, так как, согласно Френелю, при сложении таких поляризованных по кругу волн получается волна с вращающейся плоскостью поляризации. Угол поворота плоскости поляризации найдется из формулы (94.6). Она дает
Х = -^-(п--п+) = ^-(п^-п+), (95.3)
где через п+ и п_ обозначены показатели преломления соответственно для волн с собственными частотами со+ и со_. При выборе знака учтено, что положительные вращения плоскости поляризации в случае естественного и магнитного вращения в рассмотренном нами случае принято выбирать противоположно.
Формулу (95.3) удобно исследовать графически. На рис. 317 пунктирными линиями представлены графики для показателей преломления п_ и п+ как функций частоты света со. Их разность ,представлена сплошной линией. Как видно из рисунка, вне интервала § 951 МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
581
(<в_, со+) разность п_ — п+, а с ней и вращение плоскости поляризации положительны, а внутри этого интервала — отрицательны.
Во всех случаях направления ларморовского вращения Q, а следовательно, и вращения плоскости поляризации определяются только направлением магнитного поля В и не зависят от направления распространения света. При изменении на противоположное направления распространения света направление вращения плоскости поляризации не изменяется, в противоположность тому, что происходит при естественном вращении. Этим воспользовался Фарадей для усиления магнитного вращения плоскости поляризации. Он увеличил расстояние /, проходимое светом в веществе,
