Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 136
Текст из файла (страница 136)
врагцающиеся электрические векторы правой и левой волн симметричны по отношению к плоскости АА. Рассмотрим., какова будет взаимная ориентация этих векторов в любой точке среды (см. Рис. 30.6 б). Предположим для определенности, что и~ > и~. Так как левая волна распро- А В страняется с меньшей скоростью, то до какой-либо точки внутри среды она дойдет с некоторым отставанием по фазе по сравнению с правой. И рассматриваемой точке электрический вектор правой волны будет повернут вправо на больший угол, чем окажется повернутым влево вектор б левой волны; следовательно, А 8 А плоскостью, относительно ко- торой симметрично располоРис. 30.6.
К Общей теории вра1цения жены оба вектора, бУдет плосплоскости поляризации кость ВВ, повернутая вправо по отношению к АА. Итак, результирующее плоское колебание будет направлено по ВВ, т.е. плоскость поляризации света повернулась вправо на угол ~д. так что У~ Фк уд — фг = ~р.
+ ф~ или ~д = 2 Для аналитического решения той же задачи запишем выражение угла поворота светового вектора в функции времени ~ и глубины проникновения г для правого и левого лучей: ф~у=м г — —, ф~ с с где вд —— — и и = — — соответственно фазовые скорости распро- па пк странения правого и левого циркулярно-поляризованных лучей, а пи и п — соответственные показатели преломления. Из этих выражений видно, что угол поворота.
плоскости поляризации ь' (см. Рис. 30.6 б) на глубине г = 1 равен ~д = = — (п. — пд) = — (п, — пд), фц — фд (Л 'Н (168.1) 2 2с к Ло так как ы 22я 2я с Хс Ло где Ло — длина волны в вакууме. Формула (168.1) показывает, что в веществах, для которых пк > пд, плоскость поляризации поворачивается вправо (уд > р ), а в веществах, для которых пк < пд, — влево (уд < ук) в соответствии с данными Френеля. Гл. ххх. ВРАще1лик 11лОскОсти 11Оля1 изАции 561 б. Понятие о молекулярной теории вращения плоскости поляризации, РассужденияФренеляпозволили 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 лл левого лучей в активных телах.
То обстоятельство, что активные тела существуют в виде двух модификаций, правой и левой, привело 11астера к мысли, что в рамках моле- куля?зных представлений активные тела должны быть дисимметри~лны: 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 зто можно обнаружить непосредственным изучением их формы (см., и~ример: изобр" енные на р 307 у Л Г кристаллы правого и левого кварца ) ). Такие зеркально-симметричные Я Х 5 кристаллические формы носят название уя энинтиоморфн ых. Для активных жидкостей налулчие активности двух знаков должно обусловливаться дисимметричным строением молекУлы. ПРеДставление об асиммет- Рис.
311.7. Кристаллы право- ричных молекулах нашло себе широкое го и левого кварца 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 этул 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 СС?4, эта пирамида должна быть правильной (тетраздр). Но если четыре вершины заняты разными радикалами Х, У, У, Т.
то молекула имеет дулсулмметричный характер и возможны две разновидности, представляющие собой зеркальные изображения друг друга (рис. 30.8 б и в). Молекулы сахара и целого ряда других органических соединений содержат не один, а несколько асимметричных атомов углерода; различные группировки вокруг тех или ллных асллмметричных атомов могут приводить к разновидностям молекул, имеющих один и тот же молекулярный состав, но различное строение. Так, для сахара можно предусмотреть 16 различных форм, образуюп1их восемь пар (правых и левых) оптических изомеров, действительно обнаруженных на опы- 11 ) Известны, однако, немногочисленные исключения из зтого «правила Пастера», когда активные кристаллы характеризуются не дисимметрией внешней формы, а лулшь дисимметрией составляющих их молекул.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОПТИКА те. Как уже упоминалось, большая часть оптически активных молекул содержит асимметричный атом углерода. у в Рис. 30.8. Стлмметричные и дтлсимметричные молекулы типа С (ЛУЯТ): а — симметричная молекула метана:, б и в — зеркальные модификации молекулы С (ЛУУТ) В настоящее время известны также акттлвные соединения, содержащие в своих молекулах другие астлмметричные атомы (кремний, фосфор., бор и т.д.). Первона тальные попытки молекулярного толкования оптической активности имели, по существу, формальный характер и сводились к предположению, что связи, существующие в асимметричной молекуле, обусловливают винтообразные траектории электронов, смещаемых под действием световой волны.
Борн (191о 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 симметритл, ни плоскости симметрии.
При этом оказалось, как мы уже упоминали в начале главы, что при решении задачтл о взаимодетлствии световой волны и молекулы в данном случае нельзя пренебрегать эффектами, зависятцтлмтл от отношения д/Л, где д — размер молекулы, а Л вЂ” длина волны. В.Р. Бурсиан 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.
Из соотношения Френеля (168.1) можно усмотреть, почему задача о вращении плоскости поляризации требует более детального учета условий взаимодействия волны и молекулы. Явление вращения плоскости поляризации представляет гораздо более тонкий метод исследования, чем другие явления, завтлсящие от различтлй в показателях преломления. В самом деле, лтлшь самые тонкие интерференцтлонные методы позволяют обнаружить различтте в показателе преломления порядка одной миллионной доли (10 ~). Между тем различие в одну миллионную между ттв и пв приводит к очень легко наблюдаемому вращению.
Действительно, при слое толщиной 1 = 25 см и Л = = 5. 10 а см найдем на основании (168.1) 4> = 90'. Как уже упоминалось в ~ 165, современные способы исследования позволяют установить поворот плоскости поляризации даже в 0',01, т.е. обнаружить Гл. ххх. ВРАщкние плОскОсти ИОляРизАции 563 различие между ак и н,1, приблизительно в 10000 раз меньшее (раз- личие в десятом десятичном знаке). 9 169. 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. Фарадей сам охарактеризовал 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 взаимодеиствия магнитного поля и поля световой волны; магнитное поле изменяет лишь свойства помещенного в него вепцества, 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 Рис. 30.9. Схема наблюдения магнитного вращения плоскости поляриза- ции (169.1) где р постоянная, характерная для вещества и носящая название постоянной Верде.
Значения р невелики. Сравнительно большие значения р имеет СЯ2 (сероуглерод) и некоторые сорта стекла; для СЯ2 (в желтой с направлением магнитного поля, для чего необходимо просверлить сердечник электромагнита. Установив поляризационную систему на темноту в отсутствие поля, можно обнаружить при включении поля поворот плоскости поляризации, наблюдаемый и измеряемый обычными методами.
Количественные законы явления были установлены еще Фарадеем и наиболее полно исследованы на ряде объектов Верде: угол поворота у плоскости поляризации пропорционален длине пути света в веществе 1 и напряженности магнитного поля Н„ р= р1Н, МОЛЕКУЛЯВНАЯ ОПТИКА В-лллнии натрия) р = 0',042, для тяжелого флинта р = 0',06 — 0',09, если 1 выражено в сантиметрах, а Н в эрстедах. Для большинства тел р еще меньше (от 0',01 до 0',02).
Еще меньшее вращение обнаруживают газы. Нет оснований сомневаться, что магнитное вращение обнаруживают все тела, хотя обычно в очень слабой степени. Чрезвычайно сильное вращение наблюдалось в очень тонких прозрачных слоях ферромагнитных металлов (Ге, М1, Со). В слоях толщиной 0,1 мкм и в поле 10 000 Э вращение в железе составляет 2". Из этих данных постоянная Верде для железа равнялась бы 20, если бы можно было применять закон Верде.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
