Методы экспериментального исследования поляризации света

 

(27)

т.к.

  (28)

где λ₀ – длина волны в вакууме. Формула () показывает, что в веществах, для которых n_g<n_d, плоскость поляризации поворачивается вправо (φ_d >φ_g), а в веществах, для которых n_g>n_d – влево (φ_d <φ_g) в соответствии  с данными Френеля.

14. Понятие о молекулярной теории вращения  плоскости поляризации.

Рассуждения Френеля  позволили свести своеобразную задачу о вращении плоскости поляризации к более общей проблеме о зависимости показателя преломления от характера поляризации света. Таким образом, задача молекулярной теории вращения сводилась к выяснению причин различия в скоростях распространения правого и левого лучей в активных телах. То обстоятельство, что активные тела существуют в виде двух модификаций, правой и левой, привело Пастера к мысли, что в рамках молекулярных представлений активные тела должны быть дисимметрич-ны: две разновидности активного вещества построены так, что одна является зеркальным изображением второй и, следовательно, никаким перемещением не может быть с ней совмещена. Для активных кристаллов это можно обнаружить непосредственным изучением их формы (например, изображенные на рисунке 22 кристаллы правого и левого кварца ). Такие зеркально-симметричные кристаллические формы носят название энантиоморфных.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 22

 

Для активных жидкостей  наличие активности двух знаков должно обусловливаться дисимметричным строением молекулы. Представление об асимметричных молекулах нашло себе широкое применение в органической химии и было положено в основу стереохимии, т.е. учения о пространственном распределении атомов в молекулах. Асимметрия органических молекул связывается со свойством атома углерода вступать в соединения с четырьмя атомами или атомными группами (радикалами), причем в получившейся молекуле эти группы расположены в вершинах четырехгранной пирамиды, в центре которой расположен атом углерода. Для простейших молекул, например метана СН₄ (рис, 30.8 а) или четыреххлористого углерода СCl_4; эта пирамида должна быть правильной (тетраэдр). Но если четыре вершины заняты разными радикалами X. У, Z. Т. то молекула имеет дисимметричный характ&кте и возможны две разновидности, представляющие с<] изображения друг друга (рисунок 22 ).

Молекулы сахара и целого ряда других органических соеднений содержат не один, а несколько асимметричных атомов углерода; различные группировки вокруг тех или иных  асимметричных атомов могут приводить к разновидностям молекул, имеющим один и тот же молекулярный состав, но различное строе. Так, для сахара можно предусмотреть 16 различных форм, образующих восемь пар (правых и левых) оптических изомеров, действительно обнаруженных на опыте. Как уже упоминалось, большая часть оптически активных молекул содержит асимметричный атом углерода.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 23

В настоящее время  известны так лее активные соединения, содержащие в своих молекулах другие асимметричные атомы (кремний, фосфор, бор и т.д.).

Первоначальные попытки  молекулярного толкования оптической активности имели, по существу, формальный характер pi сводились к предположению, что связи, существующие в асимметричной молекуле, обусловливают винтообразные траектории электронов, смещаемых под действием световой волны. Борн (1915 г.) показал, что, исходя из более общей модели молекулы, пригодной для истолкования явлений молекулярной анизотропии вообще, можно объяснить и вращение плоскости поляризации асимметричными молекулами, т.е. молекулами, не имеющими ни центра симметрии, ни плоскости симметрии. При этом оказалось, как мы уже упоминали в начале главы, что при решении задачи о взаимодействии световой волны и молекулы в данном случае нельзя пренебрегать эффектами, зависящими от отношения d/λ. где d — размер молекулы, а λ — длина волны. В.Р. Бурейан и А.В. Тиморева существенно дополнили теорию, показав, что необходимо принять во внимание не только электрический, но и магнитный момент, возбуждаемый в асимметричной молекуле полем световой волны.

15 Магнитное вращение плоскости поляризации

 

В 1846 г. Фарадею удалось обнаружить вращение плоскости поляризации в так называемых оптически неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля. Значение его открытия в истории физики исключительно велико. Это было первое явление, в котором обнаружилась связь между оптическими и электромагнитными процессами. Фарад ей сам охарактеризован значение своего открытия. написав: «Мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию». Выражение это, впрочем, не должно давать повода к недоразумениям: наблюдаемое явление не есть результат непосредственного взаимодействия магнитного поля и поля световой волны; магнитное поле изменяет лишь свойства помещенного в него вещества, сообщая ему способность вращать плоскость поляризации.

Явление Фарадея можно осуществить следующим образом (рис. 30.9). Между полюсами электромагнита помещается исследуемое тело К, например кусок стекла. Линейно-поляризованный свет пропускается сквозь это тело так, чтобы направление света совпало  с направлением магнитного поля, для чего необходимо просверлить сердечник электромагнита. Установив поляризационную систему на темноту в отсутствие поля, можно обнаружить поворот плоскости поляризации, наблюдаемый и измеряемый обычными методами.

рисунок 24

Магнитное  вращение  плоскости  поляризации  обусловлено  тем, что  под  влиянием  внешнего  магнитного  поля,  много  большего магнитного  поля  световой  волны,  электроны,  входящие  в  состав атомов  и  молекул  вещества,  подвергаются  воздействию  силы Лорентца.  В  связи  с  этим  изменяется  характер  вторичного излучения отдельных атомов, свойства вещества меняются, и среда приобретает  способность  вращать  плоскость  поляризации  во внешнем  магнитном  поле. Магнитное  вращение  плоскости поляризации подчиняется следующим закономерностям:

1.  Как  и  при   естественном  вращении  плоскости   поляризации встречаются  право-  и  левовращающие  вещества.  Направление вращения в этом  случае  устанавливается  по  отношению  к  направлению   магнитного  поля.  Поворот   плоскости поляризации  происходит  по  часовой  стрелке  (правило  правого винта) для  правовращающих  веществ,  которые  называются  также положительными.  Если  вращение  происходит  влево,  то  вещества называются  левовращающими  или  отрицательными.  Вращение плоскости  поляризации  происходит  вправо  для  громадного большинства веществ. К ним относятся все  диамагнитные  и часть парамагнитных веществ. Встречаются и такие вещества, у которых отмечается  вращение  влево.  К  ним  относятся  ферромагнетики  и среды, содержащие в своем составе парамагнитные вещества. Очень сильный  эффект  наблюдается  в  тонких  пленках  железа,  никеля  и кобальта, что связано с существованием в них сильных внутренних магнитных полей. 

2.  Направление   вращения  плоскости  поляризации  для  каждого вещества  связано  только  с  направлением  магнитного  поля  и  не зависит  от  направления  распространения  света  в  среде.  При изменении  направления  магнитного  поля  плоскость  поляризации поворачивается в другую  сторону.  Последнее свойство (отличающее вращение  в  магнитном  поле  от  естественного вращения)  позволяет увеличивать  суммарный  угол  поворота плоскости  поляризации  системой  с  многократным  прохождением света через магнитоактивное вещество вследствие отражения между двумя зеркалами.

 

3.  Опыты  самого  Фарадея, а затем более точные опыты Верде показали,  что  угол  поворота  плоскости  поляризации пропорционален  длине  пути  света  в  веществе  и  напряженности внешнего магнитного поля:

φ=[β]lB  (29)

 

где  φ - угол поворота мин; l -длина пути, см; B-магнитная индукция в веществе,Гс;  [β] - постоянная Верде,  характерная для  данного вещества, называемая также удельным магнитным вращением.

4. Удельное магнитное вращение [β] в малой степени связано с температурой и плотностью  вещества, но очень сильно зависит от длины  световой  волны.  Для  многих  веществ,  у  которых электронные  полосы  поглощения  лежат  в  далекой ультрафиолетовой области, зависимость [β] от длины волны можно выразить  формулой

β~1/λ² (30)

У  сред  с  полосами  поглощения  в видимой  и  ближней  инфракрасной  областях  наблюдается  зависимость β~ λ²

 

ГЛАВА 2 Экспериментальное исследование явления поляризации света при отражении от диэлектрика

1 Поляризационные  приспособления

Показатели преломления кристаллов для обыкновенного и необыкновенного лучей неодинаковы. Так, для исландского шпата п₀ — 1,658, а п_е может принимать в зависимости от направления луча в кристалле все значения между 1,486 и 1,658. Кристаллы, для которых, как и для исландского пшата, п_е≤ n₀, называют отрицательными. Кристаллы, для которых п_е > п₀ (например, кварц), носят название положительных.

На большом различии п₀ и п_е основано применение исландского шпата для разделения лучей, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. Для этой цели можно воспользоваться кристаллом исландского шпата, поместив перед его гранью небольшую диафрагму (см. рисунок 25). Задержав один из пучков, получим пучок, поляризованный по некоторому определенному направлению.

Однако гораздо удобнее применять не простые кристаллы, а соответствующие комбинации их, носящие название поляризационных призм. Используются призмы двух типов: призмы, из которых выходит один пучок, поляризованный в какой-либо плоскости (поляризационные призмы), и призмы, дающие два пучка, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (двоякопреломляющие призмы). Первые построены обычно по принципу полного внутреннего отражения одного из лучей от какой-либо границы раздела, тогда как другой луч, с иным показателем преломления, проходит через границу (Николь, 1828 г.). Во-вторых, используется различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, что позволяет развести их как можно дальше друг от друга. Наиболее употребительны следующие типы призм.

1.1Поляризационные призмы.Призма Николя представляет собой призму из исландского шпата, вырезанную, как указано на рисунке 5 По линии А А' призма разрезается и склеивается канадским бальзамом, показатель преломления которого п=1,550  лежит между значениями n₀ и n_e для обыкновенного и необыкновенного лучей.

 

Рисунок 25

 

Оптическая  ось составляет угол 48⁰ со входной гранью. При подходящем угле падения на грань призмы обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение на прослойке канадского бальзама и поглощается зачерненной нижней гранью (в больших призмах во избежание нагревания призмы луч выводится из кристалла при помощи призмочки, приклеенной к кристаллу и показанной на рисунке 6 штриховой линией

Рисунок 26

Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно грани А'С. Наибольшая апертура светового пучка, при которой еще обеспечивается линейная поляризация выходящего из призмы света, равна 29°.

Другие типы поляризационных  призм, показанные на рисунках 6 и 7 , также изготовляются из исландского шпата. Штриховая линия на рисунке 6 указывает направление оптической оси. Обе половинки соединены воздушной прослойкой АА'\ отношение ребер АС /АС — 0,9. При подходящем угле падения света на призму луч обыкновенный претерпевает полное внутреннее отражение от воздушной прослойки, луч необыкновенный проходит через нее. Апертура падающего светового пучка, при которой свет, проходящий через призму, еще полностью поляризован, составляет всего 8°. что значительно менее выгодно, чем в случае призмы Николя; зато эта призма гораздо короче и, следовательно, дешевле (при заданном сечении). Кроме того, она может применяться для ультрафиолета, так как не имеет склейки из канадского бальзама, поглощающего ультрафиолетовый свет.

 

Рисунок 27

В призме, изображенной на Рисунке 27  входная и выходная грани срезаны перпендикулярно к ребрам, что обеспечивает большие удобства в ее использовании. Оптическая ось параллельна АВ. Склейка проводится каналским бальзамом или глицерином.

При склейке глицерином (n=1,774), который прозрачен для ближнего ультрафиолета, данные призмы следующие: α=17⁰20^| , АС/АС^/=3,2 апертура 32⁰6^/

1.2. Двоякопреломляющие призмы.

Призма из исландского  шпата и стекла. Оптическая ось  перпендикулярна к плоскости  чертежа, n₀=1,66, n_cntrkf=1,49, n_e=1,486.

Рисунок 28

Луч обыкновенный преломляется в шпате и в стекле два раза. и сильно отклоняется.   Луч необыкновенный выходит почти бея отклонения, так как показатель преломления стекла выбран близким к п_е.

.1.3. Призмы из двух кусков исландского шпата с различным направлением оптических осей. Устройство и действие их понятны из рис.9 Различие в ориентировке оптических осей влияет на угол расхождения между лучами. Допустимая апертура падающего пучка во всех этих призмах весьма невелика. Иногда двоякопреломляющие призмы делают из кварца; тогда, конечно, из-за меньшего различия между п₀ и па углы разведения световых пучков one получаются значительно меньше

Рисунок.29.

Различные двоякопреломляющие призмы из исландского шпата: а призма Ротона: угол между лучами о и е зависит от преломляющего угла призмы, .луч о — ахроматичен: б — призма Сенармопа: угол ACJ3 близок к 45°, что позволяет экономно использовать исходный кристалл, разрезав его вдоль оси С В и склеивая вдоль естественной грани АО\ о — призма Волластона: она обеспечивает симметричное разведение лучей; угол между one примерно в два раза больше, чем в призме Рошона. но оба луча обнаруживают хроматизм