yavor2 (553175), страница 30
Текст из файла (страница 30)
3. Рекомендуем читателю самостоятельно рассмотреть случай, когда плоскость колебаний линейно поляризованной волнысосгавляет угол а с главной плоскостью поляронда. Разложив колебания волны на обыкновенную и необыкновенную составляющие, можно вывести закон Малюса для световых волн (9 64.2). Таким образом, поляроид может служить не только поляризатором, но и анализатором. ф 64.7. Вращение плоскости поляризации 1. Поставим на пути светового пучка два поляроида так, чтобы их оптические оси были перпендикулярны друг другу (4скрещенные» поляроиды).
Свет через эту систему поляроидов ие пройдет: первый поляроид превратит естественный свет в линейно поляризованный, 147 который поглотится во втором поляроиде (рис. 64.8). Поместим теперь на пути светового пучка кювету с раствором сахара. Мы увидим, что поле зрения просветлилось. Повернув поляроид вправо яа некоторый угол а, мы опять добьемся полного затемнения поля зрения. Таким образом, мы приходим к выводу, что при прохождении пучка линейно поляризованного света через раствор сахара свет остался линейно поляризованным, но плоскость колебаний и, соответственно, плоскость поляризации ($ 64.1) повернулись на некоторый угол.
Рис. 64.а. 2. Вещества, вызывающие поворот плоскости поляризации, называются оптически активными. К оптически активным кристаллам относится, например, кварц. Если луч света распространяется вдоль его оптической оси, то поворот плоскости поляризации для разных длин волн происходит на следующие углы: Полный поворот плоскости поляризации пропорционален толшине пластины с[: а =[а) д. (64 4) 3. Оптическую активностьпроявляют не только кристаллы, но и жидкости (скипидар, никотин), а также растворы ряда веществ в воде, например, сахаровы (С„Н„О„), глюкозы (С,Н„О,), винно- каменной, яблочной и миндальной кислот; растворы камфары, бруцина, стрихнина в спирте и т.
п. Угол вращения плоскости поляризации определяется по формуле: а =[а[сп', (64.5) где с — концентрация, равная числу граммов оптически активного вещества на 100 мл раствора. Поскольку угол поворота плоскости поляризации пропорционален концентрации оптически активного вещества в растворе, то с помощью специальных приборов — поляриметров или сахариметров — удается очень быстро и точно по углу поворота определять эту концентрацию. 4. Оптически активными являются вещества, молекулы которых не имеют центра или плоскости симметрии; к их числу относятся молекулы большинства органических соединений, которые все в той или иной степени проявляют оптическ)ю активность.
В этом случае оптически активными являются как кристаллы данного вещества, так и их расплавы и растворы. Но оптически активные кристаллы могут возникнуть и в результате спиральной структуры кристаллической решетки, а не из-за свойств молекул. В этом случае расплавы и растворы не будут оптически активными.
Так, оптическая активность кварца проявляется только в пластинках, выпиленных из монокристаллов; плавленый кварц (аморфное состояние) оптически неактивен, $64.8. Оптическая активность в живой природе 1. Оптически активные кристаллы всегда встречаются в виде двух структур, одна из которых является зеркальным отображением другой. Казалось бы, что и органические оптически активные вещества должны существовать в двух подобных состояниях. Между тем опыт показывает, что раствор сахара всегда вращает плоскость поляризации вправо, т.
е. по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу. Таким свойством обладает не только сахар, но и все другие продукты органического происхождения: белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты и т. п. 2. Если изготовить синтетическим путем аналогичное вещество (например, сахар), то оно не будет оптически активным. Синтетически получается смесь, содержащая равное количество право- н левовращаюших молекул. Вообще в неживой природе все вещества с несимметричными молекулами существуют в виде таких смесей. Если с такой смесью станет взаимодействовать живое существо, то оно усвоит лишь одну из структур, соответствующую характеру оптической активности элементов живого вещества.
Например, если в раствор синтетического сахара поместить бактерии, питающиеся сахаром, то они будут усваивать только правовращающий сахар. Через некоторое время левовращающего сахара в растворе окажется гораздо больше, чем правоврашаюшего, что можно будет обнаружить по повороту плоскости поляризации.
Спустя некоторое время бактерии усвоят из смеси весь правоврашаюший сахар и начнут голодать; хотя в растворе останется еше масса левоврашающего сахара, организм живых существ его не усваивает. 3. Асимметрия оптической активности характерна только для живых существ и продуктов органического происхождения.
Так, например, тот факт, что у нефти обнаружена оптическая активность, служит веским доводом в пользу теории об органическом происхождении нефти. Энтропия оптически активной среды меньше энтропии смеси. В самом деле„ равномерному распределению числа лево- и правовращающих молекул соответствует максимальная термодинамическая вероятность н тем самым — максимальная энтропия (см. гл. 28). В характере оптической активности биологических веществ сказывается общий закон упорядоченности живой материи, находящейся всегда в неравновесном состоянии, энтропия которого далека от максимума. Причины асимметрии оптической активности у живых существ не вполне ясны.
Возможно, что эта асимметрия возникла случайно н затем была закреплена механизмом наследственности. ГЛАВА 65 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ (ЛУЧЕВАЯ) ОПТИКА $65.1. Основные законы геометрической оптики. Пучок и луч 1. Все задачи оптики можно решить на основе волновых представлений, как это было показано в гл. 61 — 64. Однако это требует применения весьма громоздкого математического аппарата. Между тем еще задолго до того, как была выяснена волновая природа света, ученые пользовались геометрическими методами решения задач на построение изображений в зеркалах и линзах и при расчете оптических приборов.
Этн методы составляют содержание геометрической оптики, которую иначе еще называют лучевой оптикой. 2. Геометрическая оптика базируется на трех законах: законе прямолинейного распространения света (в однородной среде), законе отражения и законе преломления света.
Последние два являются следствиями волновой природы света Я 56.5 и 63.1) и потому могут применяться без всяких ограничений. Что касается прямолинейности распространения света в однородной среде, то это положение может применяться лишь с известными ограничениями. Дело в том, что в оптических приборах свет всегда проходит через некоторые отверстия — диафрагмы, которые вырезают нз фронта волны некоторый участок.
А это, как известно, сопровождается дифракционными явлениями (8 57.8, 57.9 и 62.1). Таким образом, явление дифракцни кладет предел применимости закона прямолинейного распространения света и тем самым — предел применимости геометрической оптики. 3.
Основными понятиями геометрической оптики являются пучок и луч. Смысл этих понятий ясен из следующего эксперимента. Закроем окно куском картона и задымим слегка воздух в комнате. Мы увидим, что через отверстия в картоне прорывается солнечный свет в виде узких цилиндрических каналов. Конические каналы возникают, если поместить маленькую лампочку в непрозрачный ящик с отверстиями. Цилиндрические или конические каналы, внутри которых распространяется свет, называются свепювыми пуч«ами.
Линии, указывающие направление распространения света (в том числе образующие и оси световых пучков), называются световыл1и лучами. 4. Благодаря дифракции световая волна несколько загибает за края экрана и прямолинейность распространения света нарушается. Вместо ожидаемого по законам геометрической оптики пучка с резко очерченными образующими мы получаем расширя- в и уе ющнйся пучок, у которого нет ю ~ четкой границы. Заметное свечение наблюдается в конусе (рис. 65.1), угол раствора ко- Рис. 65.1, торого определяется формулой ып (у!2) т Х~Р (см. э 62.3), где Р— диаметр диафрагмы (отверстия в непрозрачном экране). Итак, при наличии диафрагмы (а она всегда имеется в любом оптическом приборе) закон прямолинейности распространения света нарушается.
Однако в ряде случаев ушпрение пучка « =(Р, — Р)(2 (рис. 65.1) мало по сравнению с диаметром диафрагмы, и тогда можно в первом приближении дифракцией пренебречь. Из рис. 65.1 видно, что х = Е1п(у/2), а при малых углах можно положить 16 (у!2) ж з1п(у!2) =ИР. Итак, х ж Е).'Р. Условие х(( ((Р примет вид ЕХ!Р~=Р, откуда следует (65.1) Это и есть критерий применимости геометрической оптики. 5.
Иногда говорят, что геометрическая оптика справедлива, если размеры диафрагмы много больше длины световой волны. Мы видим, что это недостаточный критерий, ибо здесь не учтено расстояние Е от экрана (места наблюдения) до диафрагмы. Прн значительных Е условие (65.1) нарушается и наблюдаемая в эксперименте картина резко отличается от той, которая рассчитывается с помощью геометрической оптики, хотя бы отверстие и было достаточно большим. Пусть, например, диаметр диафрагмы Р= 1 мм, это в 2000 раз больше длины волны зеленого света (1=5000 А = 5 10 и м). Мы видим, что Р )> Х. Однако согласно (65.1) законы геометрической оптики будут справедливы при Е ((10 '/5 10' м, т. е.
при Е(<2 м. Уже на расстоянии порядка 1 и от диафрагмы мы увидим дифракционную картину, и геометрическая оптика окажется неприменимой. !51 й 65.2. Преломление света. Полное внутреннее отражение 1. В з 63.1 мы рассмотрели преломление света при его переходе из вакуума в некоторое вещество. Обобщим этот закон для случая, когда свет переходит из одного вещества в другое.
Воспользуемся выражением (56.26), в которое подставим значение скорости света в веществе из (63.3); получим Ып с61 и1 с ль т~~ мисс, и, лис а, (65.2) Величина и„= и,lи, (65.3) называется относигпельпам показателем преломления втором среды относительно первой. 2. Уравнение (65.2) можно записать так: и,з!па, = и,з(па,. (65.4) В таком виде закон преломления очень удобно использовать при решении задач.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
