Поляризатори. Закон Малюса

Лінійно поляризоване світло одержують, пропускаючи природне світло через спеціальні пристрої – поляризатори. Існує багато типів таких пристроїв, заснованих на різноманітних фізичних принципах. Зокрема, дуже зручні у використанні поляризаційні світлофільтри – поляроїди.

Поляроїд – один з основних типів оптичних лінійних поляризаторів. Він являє собою прозору синтетичну плівку, в яку впресовано величезну кількість мікроскопічних анізотропних кристалів, осі яких однаково орієнтовані (паралельні між собою). Властивість таких кристалів полягає в тому, що вони неоднаково поглинають складові лінійно поляризованого світла з орієнтацією площини поляризації паралельною та перпендикулярною до осі симетрії кристала (дихроїзм). Різниця у поглинанні така, що поляроїдна плівка товщиною 0,05 – 0,10 мм майже повністю поглинає складові, поляризовані паралельно осям кристалів, і практично не поглинає складові, поляризовані у перпендикулярній площині. Для захисту від механічних ушкоджень та дії атмосферної вологи поляроїдну плівку розміщують між двома тонкими скляними пластинками.

Отже, у будь-якому поляризаторі існує виділений напрямок, який називається площиною пропускання або головною площиною поляризатора, такий що світло, лінійно поляризоване у площині, паралельній цьому напрямку, проходить крізь поляризатор без поглинання, а світло, поляризоване у площині, перпендикулярній до цього напрямку, поглинається у поляризаторі повністю.

Закон Малюса: якщо плоскополяризоване світло інтенсивністю І₀ падає на поляризатор П так, що площина коливань вектора Е складає кут j з площиною пропускання поляризатора (рисунок 4), то інтенсивність світла І після проходження поляризатора

(1)

Дійсно, нехай Е₀ – амплітуда електричного поля світла, що падає на поляризатор, тоді через поляризатор пройде без поглинання складова з амплітудою Е _çç = Е₀ cos j, а складова Е _^ = Е₀ sin j повністю поглинається. Оскільки інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди, то звідси одразу витікає закон (1).

Легко зрозуміти, що в разі падіння на поляризатор природного (неполяризованого) світла з інтенсивністю І_пр на виході поляризатора одержимо світло, поляризоване у площині, паралельній площині пропускання поляризатора, інтенсивність якого дорівнюватиме

(2)

1.3 Оптично активні речовини. Закон Біо

При проходженні плоскополяризованого світла крізь деякі речовини (скипидар, камфора, розчин цукру, ментол, кристалічний кварц, виннокам’яна та яблучна кислоти, нікотин тощо) виявляється, що площина коливань вектора Е поступово повертається за стрілкою годинника або у протилежному напрямку. Такі речовини одержали назву оптично активних. Кожна окремо взята оптично активна речовина завжди існує у двох формах – правій та лівій, в залежності від напрямку повертання площини поляризації.²⁾

Оптична активність обумовлена специфічною просторовою будовою молекул або кристалів речовини. При цьому обидві форми – права та ліва – оптично активних молекул (кристалів) дзеркально симетричні, тобто ніякими поворотами та переміщеннями не можуть бути суміщені у просторі (як ліва та права рукавички, лівий та правий гвинти тощо). Фізичні та хімічні властивості правої та лівої форм однакові.

Молекули цукру мають гвинтову структуру. Усі молекули цукру природного (рослинного) походження, зробленого, наприклад, з цукрового буряку або цукрової тростини, мають однаковий напрям закручування гвинта (однакову спіральність). Спіральність гвинта не залежить від того, з якого боку ми на нього дивимося. Тому розчин, в якому молекули цукру орієнтовані довільно, матиме в будь-якому напрямку таку ж саму спіральність, як і окрема молекула.³⁾ З цієї причини в розчині цукру швидкості поширення світла з правою та лівою циркулярною поляризацією (показники заломлення) будуть різні. Як відмічалося вище (розділ 1.1), лінійно поляризований пучок світла можна розглядати як результат додавання (суперпозицію) двох пучків з правою та лівою циркулярною поляризацією, які поширюються в одному напрямку. Якщо швидкості поширення двох таких пучків різні, то це призводить до повороту площини поляризації сумарного пучка.

Кут повороту φ площини поляризації світлового пучка у розчинах пропорційно залежить від товщини l шару розчину та концентрації с активної речовини і визначається за законом Біо:

(3)

де величина [α] називається питомою оптичною активністю або сталою обертання. Вона залежить від структури активних молекул і відповідає куту повороту (у градусах) площини поляризації світла при концентрації активної речовини в розчині 1 г/см³ на шляху довжиною 1 дм. За загальним узгодженням, для позначення питомої активності розчинів активних речовин в неактивних розчинниках використовують квадратні дужки. Для не концентрованих розчинів сахарози С₁₂Н₂₂О₁₁ у воді при кімнатній температурі [α] = 66,5 град см³/(г дм).