Поляризация света и связанные с ней явления

Содержание

 

1. Введение
2. Поляризация света и связанные с ней явления
1. Поляризация света
2. Оптическая активность вещества
3. Поляризационные устройства и приборы
1. Простейшие поляризационные устройства
2. Поляризационные призмы
3. Приборы для поляризационно-оптических исследований
4. Поляриметрия в фармацевтическом анализе

 

 

Введение

 

Оптически активные вещества, имеющие асимметричную молекулярную или кристаллическую структуру, поворачивают плоскость поляризации линейно поляризованного света на угол α - угол вращения плоскости поляризации, который зависит от природы оптически активного вещества, концентрации (для растворов), длины волны света, температуры, природы растворителя. Величина, характеризующая зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны dα/dl , называется дисперсией оптического вращения. Величина α пропорциональна толщине слоя вещества и концентрации раствора. Характеристика природы вещества учитывается удельным углом вращения αD(20) . Угол поворота плоскости поляризации измеряют обычно при 20 0С и стандартной длине волны 589,3 нм (D-линия Na). Один из вариантов закона Био для растворов связывает все эти параметры уравнением αD20=α(lr(20)), l – длина кюветы, r(20) – плотность жидкости при 200С. Измерения, как правило, проводят на приборах, называемых поляриметрами.

Поляриметрия широко применяется для исследования строения оптически активных веществ и измерения их концентрации. Оптическая активность - эффект второго порядка, получаемый при учёте различия фаз световой волны в разных точках молекулы, который возникает в результате электронных взаимодействий в молекуле. Она чрезвычайно чувствительна к любым изменениям строения вещества и к межмолекулярному взаимодействию, поэтому она может дать ценную информацию о природе заместителей в молекулах (как органических, так и комплексных неорганических соединений), об их конформациях, внутреннем вращении и т.д. На оптическую активность веществ влияют межмолекулярного взаимодействия, которые модно рассматривать в модели молекулы как системы анизотропно поляризующихся атомных групп, между которыми в поле световой волны возникает специфическое электростатическое взаимодействие, индуцирующее дополнительное диполь-дипольное взаимодействие.

Трудности теоретических оценок оптической активности химических соединений определяются неаддитивностью явления, не позволяющей вести расчёты на основе простой схемы, как, например, в случае молекулярной рефракции. Перспективными здесь являются методы поляриметрии, основанные на измерении поляризационных свойств прошедшего через тестируемое вещество квазимонохроматического излучения различных спектральных диапазонов.

 

Поляризация света и связанные с ней явления

 

Поляризация света

 

Поляризация света – одно из фундаментальных свойств оптического излучения, состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). Поляризацией света называются также геометрические характеристики, которые отражают особенности этого неравноправия [1-3].

Впервые понятие о поляризации света было введено в оптику И. Ньютоном в 1704 г., хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления в кристаллах Э. Бартолином в 1669 г. и его теоретическое рассмотрение Х. Гюйгенсом в 1678-1690 гг.). Сам термин “поляризация света” предложен в 1808 Э. Малюсом. С его именем и с именами Ж. Био, О. Френеля, Д. Араго, Д. Брюстера и др. связано начало широкого исследования эффектов, в основе которых лежит поляризация света. Существенное значение для понимания поляризации света имело её проявление в эффекте интерференции света. Именно тот факт, что два световых луча, линейно поляризованных под прямым углом друг к другу, при простейшей постановке опыта не интерферируют, явился решающим доказательством поперечности световых волн (Френель, Араго, Т. Юнг, 1816—19). Поляризация света нашла естественное объяснение в электромагнитной теории света Дж. К. Максвелла (1865—73). 

  Поперечность световых волн выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны направлению распространения волны. Векторы Е и Н выделяют определённые направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, Е и Н почти всегда (об исключениях см. ниже) взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

Световая волна, испускаемая отдельно взятым элементарным излучателем (атом, молекула) в единичном акте излучения, всегда поляризована полностью. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа элементарных излучателей, что приводит к хаотическому распределению ориентаций вектора E в пространстве. Подобное излучение называется неполяризованным (естественным) светом,  а вектор Е, как и всякий вектор, всегда можно представить в виде суммы его проекций на 2 взаимно перпендикулярных направления (выбираемых в плоскости, поперечной направлению распространения света). В естественном свете разность фаз между такими проекциями непрерывно и хаотически меняется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т. е. взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны. Создав определённые условия на пути распространения естественного света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую. Кроме того, полная или частичная поляризация света возникает в ряде природных процессов испускания света и его взаимодействия с веществом.

Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е в каждой точке луча на плоскость, перпендикулярную лучу (рис 1). В общем случае т. н. эллиптической поляризации такая проекция – эллипс, что связано с постоянством частоты колебаний и разности фаз между взаимно перпендикулярными компонентами Е в монохроматической волне. Для полного описания эллиптической поляризации света необходимо знать направление вращения Е по эллипсу (правое или левое), ориентацию осей эллипса и его эксцентриситет (рис 2).

Рисунок 1 – Колебания проекций вектора Е световой волны в системе координат х, у, z,

z – направление распространения волны (а); б и в – мгновенные изображения колебаний

и соответствующей огибающей концов вектора Е в разных точках волны для случая,

когда колебания Ex на четверть периода (π) опережают колебания Ey

 

Рисунок 2 – Возможные направления вращения вектора E и направления осей

эллипса поляризации

 

Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической поляризации света – линейная поляризация (разность фаз Δφ=±nπ, где n – целое число, эллипс вырождается в отрезок прямой – рисунки 2а и 2д) и круговая (циркулярная) поляризация (Δφ=±(2n+1)π/2, эллипс поляризации превращается в окружность, рисунок 2в). В сложных неоднородных световых волнах (например, в металлах или при полном внутреннем отражении, рис) мгновенные направления векторов Е и Н уже не связаны простым соотношением ортогональности, и для полного описания поляризации света в таких волнах требуется знание поведения каждого из этих векторов по отдельности (рисунки 2б, 2 г и 2е).

Если фазовое соотношение между компонентами Еx и Еу меняется за времена, много меньшие времени измерения поляризации света, нельзя говорить о полной поляризации света. Однако может случиться, что в составляющих пучок света монохроматических волнах Е меняется не совершенно хаотически, а между взаимно перпендикулярными компонентами Е существует некоторый преимущественный фазовый сдвиг (фазовая корреляция), сохраняющийся в течение достаточно длительного времени. Физически это означает, что в поле световой волны одна из компонент вектора Е всегда больше другой (Еx¹Еу). Степень подобной фазовой корреляции в таком (частично поляризованном) свете описывают степенью поляризации света р:

 

 

где индексы 1 и 2 относятся к интенсивностям I света двух ортогональных поляризаций. Очевидно, что р может меняться от 0 до 100%, отражая все количественные градации состояния поляризации света. Однако следует иметь в виду, что свет, проявляющийся в одних опытах как неполяризованный, в других может оказаться полностью поляризованным – с поляризацией, меняющейся во времени, по сечению пучка или по спектру.

К частичной или полной поляризации света может приводить множество физических процессов. Это, например, отражение и преломление света, при которых поляризация света обусловлена различием оптических характеристик границы раздела двух сред для компонент светового пучка, поляризованных параллельно и перпендикулярно плоскости падения. Свет может поляризоваться при прохождении через среды, обладающие естественной или вызванной внешними воздействиями (индуцированной) оптической анизотропией (вследствие неодинаковости коэффициентов поглощения света при различных состояниях поляризации света, например при правой и левой круговых поляризациях - т. н. круговой дихроизм, являющийся частным случаем плеохроизма; вследствие различия преломления показателей среды для лучей различных линейных поляризаций - двойного лучепреломления. Очень часто полностью поляризовано излучение лазеров; одной из основных причин поляризации света в лазерах является специфический характер вынужденного излучения, при котором поляризации испускаемого фотона и фотона, вызвавшего акт испускания, абсолютно тождественны; таким образом, при лавинообразном умножении числа испускаемых фотонов в лазерном импульсе их поляризации могут быть совершенно одинаковыми. Поляризация возникает при резонансном излучении в парах, жидкостях и твёрдых телах. Поляризация при рассеянии света столь характерна, что её исследование - один из основных способов изучения как особенностей и условий самого рассеяния, так и свойств рассеивающих центров, в частности их структуры и взаимодействия между собой. В определённых условиях сильно поляризовано люминесцентное свечение, особенно при возбуждении его поляризованным светом. Поляризация весьма чувствительна к величине напряжённости и ориентации электрических и магнитных полей; в сильных полях компоненты, на которые расщепляются спектральные линии испускания, поглощения и люминесценции газообразных и конденсированных систем, оказываются поляризованными.

 

Оптическая активность вещества

 

Оптическая активность - способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё света. Одним из первых исследований, приведших к обнаружению оптической активности, было исследование зависимость интенсивности линейно поляризованного света после его прохождения через анализатор от угла b между плоскостями поляризации падающего света и анализатора, проведенное Э. Л. Малюсом. В 1810 г. им было установлена зависимость соотношения между интенсивностями падающего на анализатор I0 и выходящего из него I света и углом b, получившее название закона Малюса:

 

I=I0cos2β

 

Сама же оптическая активность впервые была обнаружена в 1811 г. Д.Ф. Араго в кварце. В 1815 г. Ж.Б. Био обнаружил ее у чистых жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров многих, главным образом органических, веществ. Он же установил, что:

• угол φ поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя активного вещества (или его раствора) и концентрации с этого вещества с (закон Био):

 

φ=αlc ,

 

где коэффициент α называется удельной оптической активностью;

• поворот плоскости поляризации света в данной среде происходит либо по часовой стрелке (φ>0), либо против неё (φ<0), если смотреть навстречу ходу лучей света. Соответственно оптически активные вещества, проявляющие естественную оптическую активность разделяют на правовращающие (положительно вращающие, φ>0) и левовращающие (отрицательно вращающие, φ<0).

Феноменологическую (макроскопическую) теорию оптической активности предложил в 1823 г. О. Ж. Френель, объяснивший ее различием преломления показателей среды n+ и n– для право- и левополяризованных по кругу световых волн. Полученное Френелем выражение имеет вид

 

φ= π·l /λ(n+–n-),

 

где λ - длина волны излучения в вакууме. Т. о., φ может быть значительным даже при очень малом различии n+ и n–, если l, как это обычно, бывает много больше λ. Этим объясняется чрезвычайно высокая чувствительность методов, основанных на измерении оптической активности (например, при определении различий в показателе преломления в 10 000 раз точнее самых точных измерений с помощью интерферометров).

В 1896 г. французский учёный Э. Коттон, обнаружил, что в одном и том же веществе угол вращения плоскости поляризации φ имеет различные знаки по разные стороны от полос резонансного поглощения. Его исследования оптической активности веществ при прохождении через них света с длинами волн λ, близкими к длинам волн полос поглощения λ0, выявили аномальную оптическую активность - увеличение α с ростом λ, а также различие показателей поглощения при этих длинах волн для право- и левополяризованных по кругу лучей - т. н. круговой дихроизм, или эффект Коттона. Вследствие кругового дихроизма вблизи полос собственного поглощения не только поворачивается плоскость поляризации света, исходно поляризованного линейно, но и одновременно этот свет превращается в эллиптически поляризованный.