Магнитное вращение плоскости поляризации

От естественной (спонтанной) оптической активности отличают искусственную, или наведенную (индуцированную), оптическую активность, возникающую в среде в результате определенных внешних воздействий. Особое важное место среди них занимает магнитное поле. Оптически неактивные вещества под действием внешнего магнитного поля приобретают способность вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося вдоль направления поля, т.е. вещества становятся оптически активными.

Этот эффект впервые был обнаружен в 1845 г. М. Фарадеем (эффект Фарадея) и явился первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных процессов.

Опыты Фарадея, а затем более точные и полные исследования французского математика М. Верде показали, что для изотропных немагнитных веществ (пира- и диамагнетиков) в области не очень сильных полей угол поворота плоскости поляризации (фарадеевского вращения) φ пропорционален длине пути d линейно поляризованного монохроматического света в веществе и индукции В внешнего продольного постоянного магнитного поля: – закон Верде.

Коэффициент V называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением (магнитной вращательной способностью). Удельное магнитное вращение аналогично вращению в оптически активных веществах зависит от свойств вещества и его физического состояния (в частности, плотности), длины волны излучения, слабо от его температуры Т. Зависимость постоянной Верде от длины волны также выражается законом Био: V = b ₁/ λ ² + b ₂/ λ ⁴, где b ₁ и b ₂ – слабо зависят от температуры.

Значения постоянной Верде обычно невелики: для большинства твердых и жидких тел V ~ 0,01 0,02 угл.мин./(Гс×см), еще меньшее вращение обнаруживают газы. Сравнительно большие значения V имеет сероуглерод CS ₂, некоторые сорта стекла (напр., тяжелый флинт): V ~ 0,04 0,09 угл.мин./(Гс×см).

В случае прозрачных тел на оптических частотах μ ≈1, следовательно, B = μ ₀ H и φ ~ H.

Магнитным вращением обладают все тела, хотя обычно в слабой степени. Требуются сильные поля, чтобы эффект был значительным. Велики значения угла вращения для ферромагнитных металлов (Fe, Ni, Co). Однако это происходит не за счет больших значений V. Для ферромагнитных материалов зависимость эффекта Фарадея от величины поля усложняется вследствие наличия в них исходной спонтанной намагниченности, связанной с определенным кристаллографическим направлением. Угол поворота φ с возрастанием B в сильных магнитных полях растет очень медленно, приближаясь асимптотически к предельному значению. Для ферромагнетиков φ = K · d · M, где М – намагниченность магнетика, K – постоянная Кундта (при этом предполагается, что свет распространяется вдоль направления намагниченности). В средах, обладающих спонтанным магнитным моментом, магнитное вращение плоскости поляризации может наблюдаться даже при отсутствии внешнего поля.

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

В анизотропных кристаллических средах, при распространении света в направлении, не совпадающем с оптической осью кристалла, на индуцированную магнитным полем оптическую активность накладывается (обычно превосходящее) линейное двойное лучепреломление, сильно искажающее и подавляющее эффект Фарадея.

Знак направления вращения определяется по отношению к направлению магнитного поля. Положительным (φ >0) считается вращение плоскости поляризации по часовой стрелке при распространении света вдоль магнитного поля, т.е. вращение происходит в ту же сторону, куда течет ток по виткам обмотки электромагнита, создающего магнитное поле. Большинство веществ характеризуется положительным вращением. В области нормальной дисперсии правовращающими (V < 0), как правило, являются диамагнитные вещества (единственное исключение – хлористый титан TiCl₄), левовращающими (V < 0) – парамагнитные (например, парамагнитные соли железа (хлорное железо FeCl₃·6H₂O) и редких земель, K₂Cr₂O₇, KCrO₄ и др.). (Во втором случае температурная зависимость V в области не слишком низких температур сильнее и сложнее (V ~ T ^{– 1}).)

Направление поворота относительно фиксированной оси в пространстве в одном и том же веществе в отличие от естественного вращения не зависит от направления распространения луча (по полю или против поля ), а определяется только направлением поля. Это объясняется тем, что при естественном вращении причиной его является действие на среду поля световой волны, в случае магнитного вращения – действие внешнего магнитного поля (во много раз большего действия магнитного поля волны). Поэтому многократное прохождение света через среду (например, за счет многократных отражений на посеребренных поверхностях образца), помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз.

Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея заключается в том, что в общем случае намагниченное вещество нельзя охарактеризовать одним показателем преломления n. Под действием магнитного поля оптические свойства вещества изменяются, и показатели преломления (n _п и n _л) для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными. В области не очень сильных магнитных полей разность (n _п – n _л) линейно зависит от напряженности магнитного поля и угол фарадеевского вращения описывается соотношениями и.

Явление магнитного вращения плоскости поляризации, как и подавляющее большинство других магнитооптических явлений, связано с расщеплением уровней энергии атомов и молекул (снятием вырождения) во внешнем магнитном поле. Непосредственно это расщепление проявляется в эффекте Зеемана (1896). Другие магнитооптические эффекты по существу являются его следствием.

С точки зрения классической электронной теории причиной расщепления спектральных линий во внешнем магнитном поле является изменение собственных частот колебаний электронов в плоскости, перпендикулярной полю. Эти колебания можно разложить на движения по правому и левому кругу. При включении магнитного поля под действием силы Лоренца частоты вращения электронов по правому и левому кругу смещаются в различные стороны относительно первоначального значения собственной частоты вращения. В результате при наблюдении вдоль поля каждая спектральная линия расщепляется на две линии, симметрично расположенные по обе стороны от первоначальной. Одна из них будет линией для волны с правой круговой поляризацией, другая – для волны с левой круговой поляризацией. Расщепление спектральных линий влечет за собой соответствующее расщепление дисперсионных кривых, характеризующих зависимость показателя преломления среды от длины волны излучения. В результате n _п и n _л становятся различными, что и приводит к вращению плоскости поляризации.

Вблизи собственных частот (линий поглощения) эффект вращения особенно велик. При этом внутри полосы поглощения знак вращения отрицателен. Но даже очень далеко от резонансных частот явление легко наблюдается благодаря чрезвычайно высокой чувствительности метода вращения плоскости поляризации.

Важно отметить, что в эффекте Фарадея магнитное поле влияет на состояние поляризации света лишь косвенно, изменяя оптические характеристики среды, в которой распространяется свет. В вакууме магнитное поле никакого влияния на свет не оказывает.