Лекция 6_5. Лекция поляризация (продолжение) естественное вращение плоскости поляризации Ключевые понятия
 Скачать 495.3 Kb.
|
Кафедра общей физики ПетрГУ Оптика и квантовая физика 14 Лекция 6. ПОЛЯРИЗАЦИЯ (продолжение) §5. Естественное вращение плоскости поляризации Ключевые понятия: оптически активные вещества естественное вращение плоскости поляризации 6.5.1. ЕСТЕСТВННОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. Араго (1811) обна- ружил, что при прохождении линейно поляризованного света сквозь кристалл кварца вдоль его оптической оси плоскость поляризации света поворачивается вокруг направления луча на угол (рис. 6.19). Это явление называется естественным вращением плоскости поляризации. Распространение света вдоль оптической оси исключает явление двойного лучепреломления. При распространении света в направлениях, отличных от направления оптической оси, оптичес-кая активность проявляется по-другому. 6.5.2. ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ. Вещества, в которых наблюдается явление естественного вращения поляризации, называют оптически активными. Оптически активны двоякопреломляющие кристаллы (кварц, сахар, киноварь), некоторые изотропные кристаллы (NaClO 3 , NaBrO 3 ), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы (водный раствор сахара). Особенно много активных веществ среди органических соединений. Это означает, что причины оптической активности скрыты как в особенностях строения молекул, так и в расположении частиц в кристаллической решетке. Оптическая активность бывает двух видов: естественная, искусственная. Естественной оптической активностью обладают некоторые кристаллические тела, жидкости и растворы оптически активных веществ без внешних воздействий. Искусственная оптическая активность наблюдается в веществах, ранее оптически неактивных, при наложении внешних воздействий. 6.5.3. СХЕМА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЯВЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. Слой исследуемого вещества (раствор сахара) помещают между скрещенных поляроидов (рис. 6.20). В монохроматическом свете наблюдается Рис. 6.19. Естественное вращение плоскости поляризации Оптическая ось Рис. 6.20. Схема опыта для наблюдения естественного вращения плоскости поляризации Кафедра общей физики ПетрГУ Оптика и квантовая физика 15 просветление поля зрения, которое, однако, можно снова погасить, повернув анализатор на угол φ в ту или другую сторону. Это значит, что после прохождения через слой активного вещества свет остается линейно поляризованным, той же интенсивности, но направление его поляризации повернуто на некоторый угол относительно первоначального. 6.5.4. ЗАКОН ЕСТЕСТВЕННОГО ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. Для определенной длины волны в оптически активных кристаллах и чистых жидкостях угол поворота φ плоскости поляризации света пропорционален толщине l слоя вещества, пройденного светом: φ = α( ) l, (6.15) Коэффициент [град/мм] называется вращательной способностью. Он численно равен углу поворота плоскости поляризации слоем оптически активного вещества единичной толщины. Вращательная способность зависит от природы вещества, температуры и длины волны света (дисперсия оптической активности). В грубом приближении 1/λ 2 Для растворов оптически активных веществ в неактивных растворителях согласно закону Био (1831) угол поворота плоскости поляризации определяет закон: φ = [α]∙C∙l, (6.16) где С – массовая концентрация оптически активного вещества в растворе (кг/л, г/см 3 ); [α] – удельная вращательная способность, т.е. угол поворота в градусах плоскости поляризации слоем раствора толщиной в 1 дцм при концентрации оптически активного вещества, равной 1 г/см 3 Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяют на право- и левовращающие. Если смотреть навстречу распространяющемуся световому лучу, то: в правовращающих веществах плоскость поляризации будет поворачиваться по часовой стрелке (положительное вращение, α > 0), в левовращающих - против часовой стрелки (отрицательное вращение, α < 0). Обычный сахар, декстроза, или D-глюкоза, принадлежат к числу правовращающих веществ. Большинство аминокислот и белков левовращающие вещества. Л. Пастер (1848) установил на примере солей виннокаменной кислоты, что если вещество вращает плоскость поляризации, то оно всегда имеет две модификации: правовращающую и левовращающую. Для правых и левых модификаций активных кристаллов постоянная вращения α имеет противоположные по знаку и (при одинаковых внешних условиях) одинаковые по абсолютной величине значения: α п = - α л . (6.17) Опыт показывает, что при изменении направления распространения света на противоположное поворот плоскости поляризации происходит в обратную сторону. Направление вращения привязано к лучу (рис. 6.21). Поэтому при прохождении сквозь активную среду, отражении от зеркала и вторичном прохождении через ту же среду назад направление линейной поляризации восстанавливается. 6.5.5. ПРИРОДА ЯВЛЕНИЯ. Согласно Френелю, вращение плоскости поляризации есть проявление особого, кругового двойного лучепреломления. Линейно поляризованный монохроматический свет можно представить как векторную сумму двух волн круговых колебаний с правым и левым вращением. В оптически активной среде они имеют различные фазовые скорости υ п и υ л , т. е. различные показатели преломления n п и n л . Две волны, которые могут распространяться в оптически активной среде с определенными, но различными скоростями, поляризованы не линейно, а по кругу: одна по левому, другая по правому. На выходе из кристалла между колебаниями векторов этих двух волн возникает постоянная разность фаз, которая определяет поворот плоскости поляризации. Угол поворота φ плоскости поляризации φ = d (n + – n - )/ (6.18) Рис. 6.21. Направление вращения привязано к лучу Кафедра общей физики ПетрГУ Оптика и квантовая физика 16 Плоскость поляризации вращается в ту же сторону, что и электрический вектор поляризованной по кругу волны с меньшим показателем преломления, т.е. с большей фазовой скоростью. Явление оптической активности, или гиротропия, занимает особое место среди физических свойств. На основе способности некоторых веществ вращать плоскость поляризации возникли такие направления, как стереохимия, асимметрический синтез, сахариметрия. 1. Сформулируйте основную закономерность в явлении поворота плоскости поляризации. 2. Какие вещества называются оптически активными? 3. В каком случае активная среда называется правовращающей? 4. Чем характеризуется оптическая активность твердых тел? 5. Чем характеризуется оптическая активность растворов? 6. Что такое вращательная способность кристалла? 7. В чем отличие оптической активности от двойного лучепреломления? 8. Каким из перечисленных ниже свойств обладают поперечные волны, но не обладают продольные волны? o Преломление o Поляризация o Интерференция o Отражение o Дифракция o Все перечисленные в ответах 1–5 явления 9. Как объясняется вращение плоскости поляризации? 10. Почему при наблюдении вращения плоскости поляризации выбирают пластинки, вырезанные перпендикулярно оптической оси? 11. Сравнить интенсивность линейно поляризованной волны, которая повернулась на угол φ , пройдя слой активного вещества, с интенсивностью той же волны, прошедшей через анализатор, ось которого составляет угол φ с направлением колебаний вектора Е в волне. 12. Постоянная вращения α пластины оптически активного вещества равна π/6 рад/мм. Определите толщину d пластины (мм), необходимую для поворота плоскости поляризации на угол φ = π. 13. Может ли плоскополяризованный луч быть представлен как сумма двух лучей, поляризованных по кругу в противопо- ложных направлениях? Как повлияет изменение фазы одной из компонент, поляризованной по кругу, на результирующий луч? 14. Опишите явление, отраженное на рисунке. Прохождение света в пластинке, вырезанной перпендикулярно оптической оси |