Теоретичні відомості. Якщо на шляху світлового пучка поставити два поляризатори так, щоб їх оптичні осі були перпендикулярні одна одній (схрещені поляризатори)

Якщо на шляху світлового пучка поставити два поляризатори так, щоб їх оптичні осі були перпендикулярні одна одній (схрещені поляризатори), то світло через таку систему поляризаторів не проходить. Перший поляризатор перетворить природне світло у плоскополяризоване, яке поглинеться у другому поляризаторі. Розмістимо тепер на шляху світлового пучка кювету з розчином цукру (рис. 1).

Рисунок 1 – Установка для спостереження явища обертання площини поляризації.

Поле зору при цьому просвітлиться. Таким чином, при проходженні пучка лінійно поляризованого світла через розчин цукру світло залишається лінійно поляризованим, але площина поляризації при цьому повернулася на деякий кут. Речовини, які повертають площину поляризації світла, яке проходить через них, називаються оптично активними. До оптично активних речовин відносяться деякі кристали (кварц), рідини і розчини органічних сполук. Наприклад, оптичну активність проявляє скипидар, нікотин, розчини ряду речовин у воді (цукру, глюкози, виннокам’яної, яблучної і мигдальної кислот); розчини камфори, бруцину, стрихнину у спирті та ін. Оптично активними є речовини, молекули яких не мають центру або площини симетрії: до їх числа належать молекули більшості органічних сполук, які у тій або іншій мірі проявляють оптичну активність. У цьому випадку оптично активними є як кристали даної речовини, так і їх розчини і розплави. Майже усі нафти і їх важкі відгони мають здатність обертати площину поляризації променів світла, причому для більшості з них характерне слабке праве обертання. Оптична активність зростає з підвищенням температури кипіння фракції. Штучні нафти, на відміну від природних, оптичної активності не виявляють. Оптичну активність природних нафт пояснюють наявністю в них продуктів розкладання холестерину і фітостерину, тобто характерних стеринів, що містяться в рослинах і тваринах. Це приводиться як один з доказів органічного походження нафти.

В залежності від напрямку обертання площини поляризації оптично активні речовини поділяються на право - та ліво обертаючі. Якщо дивитися назустріч променю, то у право обертаючих речовинах площина поляризації буде повертатися за годинниковою стрілкою, у ліво обертаючих – проти годинникової стрілки. Таким чином, напрям променя і напрям обертання утворюють у право обертаючій речовині лівогвинтову систему, а у ліво обертаючій речовині – правогвинтову систему.

Кут повороту площини поляризації у розчині пропорційний шляху світла і концентрації активної речовини:

де – питомий кут обертання, залежить від довжини хвилі і роду речовини і характеризує кут обертання у розчині товщиною , концентрація якого .

Деякі речовини, оптично неактивні у звичайних умовах, мають властивість обертати площину поляризації у магнітному полі (ефект Фарадея). Воно спостерігається тільки при поширенні світла вздовж напрямку магнітного поля (точніше – вздовж напрямку намагнічування). Кількісно кут повороту площини поляризації визначається співвідношенням:

де – довжина шляху світла у досліджуваній речовині, розміщеній у магнітному полі;

– індукція магнітного поля;

– стала Верде, яка характерна для даної речовини.

Напрям обертання площини поляризації залежить від напряму поля. При зміні напряму поля площина поляризації повертається на такий самий кут, але в іншу сторону.

Найбільш просте модельне пояснення явища обертання площини поляризації полягає у наступному. Лінійно поляризований пучок світла можна представити як результат накладання двох пучків, які поширюються в одному напрямі і поляризованих по колу з протилежними напрямами обертання (рис. 2).

Рисунок 2 – Найбільш просте модельне пояснення явища обертання площини поляризації.

Якщо два таких пучки поширюються у речовині з різними швидкостями (тобто показники заломлення та речовини для них неоднакові), то це приведе до повороту площини поляризації результуючого пучка. Обертання площини поляризації може бути обумовлене або особливостями внутрішньої структури речовини, або взаємодією речовини з зовнішнім магнітним полем (ефект Фарадея). В області не дуже сильних магнітних полів різниця лінійно залежить від напруженості магнітного поля і у загальному випадку кут фарадеєвського обертання описується співвідношенням (2).

При внесенні у магнітне поле оптично активних речовин їх природний кут повороту додається до кута повороту, одержаного під дією магнітного поля.

Вимірюючи обертання площини поляризації та її залежність від довжини хвилі (обертальну дисперсію) досліджують особливості будови речовини і визначають концентрацію оптично активних речовин у розчинах. Обертання площини поляризації використовують у деяких оптичних приладах (оптичних модуляторах, затворах, вентилях, квантових гіроскопах та ін.).