Вращение плоскости поляризации.

 

В прозрачных аморфных телах, а также в кристаллах кубической системы может возникать двойное лучепреломление под влиянием внешних воздействий. В частности, это происходит при механических деформациях тел. Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна механическому напряжению s в данной точке тела:

n₀ – n_e = ks (1)

(k- коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества).

Поместим стеклянную, пластинку Q между скрещенными поляризаторами Р₁ и Р₂. (рис.1).

P₁ Q P₂

 

 

F

Рис.1.

 

Пока стекло не деформировано, такая система света не пропускает. Если же пластинку подвергнуть сжатию, свет через систему начнет проходить, причем наблюдаемая в прошедших лучах картина оказывается испещренной цветными полосами. Каждая такая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки. Следовательно, по расположению полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На этом основан метод исследования напряжений. Изготовленная из прозрачного изотропного материала (например, из плексиглаза) модель какой-либо детали или конструкции помещается между скрещенными поляризаторами. Модель подвергается действию нагрузок, подобных тем, какие будет испытывать само изделие. Наблюдаемая при этом в проходящем свете картина позволяет определить распределение напряжений, а также судить об их величине.

Возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и в аморфных твердых телах под воздействием электрического поля было обнаружено Керром в 1875г. Это явление получило назв. эффекта Керра. В 1930г. этот эффект был обнаружен и в газах.

Схема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях (рис.2) сост. из ячейки Керра, помещенной между скрещенными поляризаторами Р и Р'. Ячейка Керра представляет собой герметичный сосуд с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора. При подаче на пластины напряжения между ними возникает практически однородное электрическое поле. Под его действием жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной вдоль поля.

Возникающая разность показателей преломления

 

n₀ – n_e = kE² (2)

 

На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность хода

 

D = (n₀ – n_e) l = k l E²

или разность фаз

 

d = (Dl₀)2p = 2pk l E²/l₀. (3)

 

Это выражение принято записывать в виде

 

d =2pВ l Е², (4)

 

где В - характерная для вещества величина, называется постоянной Керра.

Из известных жидкостей наибольшей постоянной Керра обладает нитробензол. Постоянная Керра зависит от Т и от l.

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствии поля молекулы ориентированы хаотическим образом, поэтому жидкость в целом не обнаруживает анизотропии. Под действием поля молекулы поворачиваются так, чтобы в направлении поля были ориентированы либо их дипольные электрические моменты (у полярных молекул), либо направления наибольшей поляризуемости (у неполярных молекул). В результате жидкость становится оптически анизотропной. Ориентирующему действию поля противится тепловое движение молекул. Этим обусловлено уменьшение пост. Керра с повышением Т.

Время, в течение которого устанавливается (при включении поля) или исчезает (при выключении электрического поля) преимущественная ориентация молекул, составляет около 10^-10 с. Поэтому ячейка Керра, помещенная между скрещенными поляризаторами, может служить практически безынерционным затвором. В отсутствии напряжения на пластинах конденсатора затвор будет закрыт. При включении напряжения, затвор пропускает значительную часть света, падающего на первый поляризатор (рис.2).

Естественное вращение. Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. К числу таких веществ принадлежат кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

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

j = a l. (5)

 

Коэф, a называется постоянной вращения. Эта постоянная зависит от длины волны (дисперсия вращательной способности).

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе и концентрации активного вещества с;

 

j = gс l. (6)

 

где g - удельная постоянная вращения.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются, на право- и левовращающие. Направление вращения не зависит от направления луча. Все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях - правовращающей и левовращающей. Существует право- и левовращающий кварц, право- и левовращающий сахар и т.д. Молекулы или кристаллы одной разновидности являются зеркальным отражением молекул или кристаллов другой разновидности,

 

 

Рис.3.

 

Буквами обозначены отличающиеся др. от др. атомы или группы атомов (радикалы). Молекула б является зеркальным отражением молекулы а.

Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество (кристалл кварца, прозрачную кювету с раствором сахара и т.п.), то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть один из поляризаторов на угол j, определяемый выражением (5) или (6), и можно определить концентрацию раствора с. Такой способ определения концентрации применяется в производстве различных веществ, в частности, в сахароварении (прибор называется сахариметром).

Магнитное вращение плоскости поляризации. Оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием МП. Это явление было обнаружено Фарадеем и называется иногда эффектом Фарадой. Оно наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности. Поэтому для наблюдения эф. Фарадея в полюсных наконечниках просверливают отверстия, через которые пропускают световой луч. Исследуемое вещество помещается между полюсами магнита.

Угол поворота плоскости поляризации j пропорционален пути l, проходимому светом в веществе, и намагниченности вещества. Намагниченность в свою очередь пропорциональна напряженности магнитного поля Н. Поэтому

 

j = V l H (7)

 

Коэффициент V называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением. Постоянная V, как и постоянная вращения a, зависит от длины волны.

Направление вращения определяется направлением магнитного поля. От направления светового луча знак вращения плоскости поляризации не зависит. Поэтому, если, отразив луч зеркалом, заставить его пройти через намагниченное вещество ещё раз в обратном направлении, поворот плоскости поляризации удвоится.

Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит.

Оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поляризации, которая складывается с их естественной способностью.