Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 29
Текст из файла (страница 29)
В частности, это происходит при механических деформациях тел. Мерой возникающей оптической анцзотропии может служить разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опыт показывает, что эта разность пропорцио- Р Р нальна напряжению о в данной точке тела (т. е. силе, прихпдящейся на единицу площади; см. т. 1, формулу (45.3)): и, — и, = йо, (33.1) где й — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества. Поместим стеклянную пластинку Я между скрещенными поляризаторами Р и Р' (рис.
127). Пока стекло не деформировано, такая система свет не пропускает. Если же стекло подвергнуть деформации (нацример, одностороннему сжатию), свет через систему начинает проходить, причем наблюдаемая в прошедших лучах картина будет испещрена цветными полосами. Каждая такая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки.
Следовательно, по характеру расположения полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На искусственном двойном лучепреломлении основывается оптический метод исследования напряжений. Изготовленная из прозрачного изотропного материала (например, из целлулоида или плексигласа) модель какой-либо детали илн конструкции помещается между скрещенными поляризаторами. Модель подвергается действию нагрузок, аналогичных тем, какие будет испытывать само изделие. Наблюдаемая при этом в проходящем белом свете картнна позволяет определить распределение напряжений, а также судить об их величине.
Остаточные напряжения также приводят к искусственной оптической анизотропии. Поэтому оптический !80 метод применяется для проверки стеклянных изделий на отсутствие в них вредных напряжений. Такой метод отбраковки является очень чувствительным. В 1875 г. Керр обнаружил, что в жидкостях (и в аморфных твердых телах) под воздействием электрического поля возникает двойное лучепреломление. Это явление получило название аффекта Керра. В 1930г. эф 'ект Керри был наблюден также и в газах. а рис. 128 изображена схема установки для наблюдения аффекта Керра в жидкостях.
Установке состоит ~П ~д Ркс. 128. из ячейки Керра, помещенной между скрещенными поляризаторами Р и Р'. Ячейка Керра представляет собой герметичную кювету с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора. При подаче на пластины напряжения между ними возникает практически однородное злектрическое поле. Под его действием жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной вдоль поля. Разность показателей преломления л, и л пропорциональна квадрату напряженности поля Е: ло пе = йЕ .
(33.2) На пути 1 между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность хода 6 = (а — а,) 1 = й(Ез или разность фаз Ь вЂ” 2п 2п — 1Ез. Ь а 3 гч Последнее выражение принято записывать следующим образом: Ь 2пВ1Ез, (33.3) 181 где  — характерная для вещества величина, называемая постоянной Керра. Постоянная Керра зависит от температуры вещества и от длины волны света Хь В выражения (33.2) и (33.3) входит квадрат напряженности поля. Поэтому знак разности (а, — и,), а также разности фаз б не изменяется при изменении направления поля. Из известных жидкостей наибольшей постоянной Керра обладает нитробензол (СэНэ)4Оэ).
Для него В = = 2,2 ° 10-м см(в', При 1 = 10 ск н Е = 10000 в!см по формуле (33.3) получается для нитробензола 6 = 0,44п = и/2. Эффект Керра объясняется оптической анизотропией молекул жидкости, т. е. различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствие поля молекулы ориентированы хаотическим образом, поэтому жидкость в целом не обнаруживает анизотропии. Под действием поля молекулы поворачиваются так, чтобы в направлении поля были ориентированы либо их дипольные электрические моменты (у полярных молекул), либо направления наибольшей поляризуемости (у не- полярных молекул).
В результате жидкость становится анизотропной. Ориентирующему действию поля противится тепловое движение молекул. Этим обусловливается наблюдающееся на опыте уменьшение постоянной Керра В с повышением температуры, Время, в течение которого устанавливается (при включении поля) или исчезает (при выключении поля) преимущественная ориентация молекул; составляет около !О-м сек. Таким образом, ячейка Керра, помещенная между скрещенными поляризаторами (см.
рис. 123), может служить практически безынерционным световым затвором. В отсутствие напряжения на пластинах конденсатора затвор будет закрыт. При включении напряжения затвор пропускает значительную часть света, падающего на первый поляризатор.
В 5 4 отмечалось, что такие затворы были использованы для измерения скорости света в лабораторных условиях. 3 34. Вращение плоскости поляризации Естественное вращение. При прохождении плоско- поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости колебаний светового вектора или, как принято говорить, вращение плоскости 182 поляризации. Вещества, обладающие такой способностью, называются о п ти чески а к т и в ными. К их числу принадлежат кристаллические тела (например, кварц„киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.). Кристаллические вещества, например кварц, сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота ~р пропорционален пути 1, пройденному лучом в кристалле: <~ = а1. (34.1) Коэффициент а называют постоянной в р а щения.
Ее принято выражать в угловых градусах на миллиметр. Постоянная вращения зависит от длины волны (дисперсия вращательной способности). Так, например, у кварца для желтых лучей (Лз = 0,5890 мк) а = 21,7 град(мм, а для фиолетовых лучей (Лз=0,4047 мк) а=48,9 град/мм. В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути луча в растворе 1 и концентрации активного вещества с: <р =(а) с1, (34.2) где (а) — величина, называемая удельной постоя иной вращения. В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. Если смотреть навстречу лучу, то в правовращающих веществах плоскость поляризации будет поворачиваться по часовой стрелке„в левовращающих — против часовой стрелки. Таким образом, направление луча и направление вращения образуют в правовращающем веществе левовинтовую систему, а в левовращающем веществе— правовинтовую систему. Направление вращения (относительно луча) не зависит от направления луча в оптически активной среде.
Поэтому, если, например, луч, прошедший вдоль оптической оси через кристалл кварца, отразить зеркалом и заставить пройти через кристалл еще раз в обратном направлении, то восстанавливается первоначальное положение плоскости поляризации, 1ЗЗ Е! Ез и У Ф 'Ъ 1 6 1 1 1 1 1 -1-- 1 поворачиваться относитель- но первоначальной плоскости Р (рис. (29,б). различие в скоростях света с разным направлени- у ем круговой поляризации обусловливается асимметрией Т Т молекул, либо асимметрич- ю~ д7 ным размещением атомов в кристалле. На рис. (30 приРис !ЗО. веден пример асимметричной молекулы.
В центре тетраэдра помещается ятом углерода, в Вершинах — отличающиеся друг от друга атомы нли группировки атомов (радикалы), обозначенные буквами Х, 'У, Я и Т. Если смотреть на тетраэдр, изображенный на рис. (30,а, вдоль направления СХ, то при обходе по часовой стрелке будет иметь место чередова!С4 Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах лучи, поляризованные по кругу вправо и влево, распространякттся с Ф неодинаковой скоро- стью.
Плоскополяризо- й ванный свет можно и и1 Ъ представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, правой и левой, с 1 ( 1 одинаковыми частота- и 1 ми и амплитудами. й ,' Действительно, геомет- 11 - рическая сумма Е све- товых векторов Е1 и ЕЗ Щ 4 поляризованных по кру- гу волн в каждый моРис !2Э. мент времени будет ле- жать в одной и той же плоскости Р (рис. (29,а). Если скорости распространения обеих волн окажутся неодинаковыми, то по мере прохождения через вещество один из векторов, Е1 или Еь будет отставать в своем вращении ог другого вектора, в результате чего плоскость Р; в которой лежит результирующий вектор Е, будет ние ХУТХ. в при обходе против часовой стрелки — ХТУХ.
То же самое наблюдается для любого из других направлений: СУ, СХ и СТ. Молекула, изображенная на рис. !30,б, является зеркальным отражением молекулы, показанной на рис. !30,а. Чередование радикалов Х, У, Х, Т в молекуле 6 противоположно их чередованию в молекуле а. Поэтому, если, например, вещество, образованное молекулами а, правовращающее, то вещество, образованное молекулами б, будет левовращающим.
Оказывается, что все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях — правовращающей и левовращающей. Таким образом, существуют право- и левовращающий кварц; право- н левовращающий сахар н т. д. Молекулы или кристаллы одной разновидности являются зеркальным отражением молекулы или кристаллов другой разновидности (в кристаллографии две такие формы кристаллов носят название э н а н т н ом о р ф и ы х). Обе разновидности отличаются только направлением.
вращения плоскости поляризации. Численное значение постоянной вращения у ннх одинаково. Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество (кристалл кварца или прозрачную кювету с раствором сахара), то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть второй поляризатор на угол ф, определяемый выражением (34 !) или (34.2). Зная удельную постоянную вращения [а) данного вещества и длину (, можно, измерив угол поворота Ч~, определить по формуле (34.2) концентрацию раствора с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
