Главная | Обратная связь

Обертання площини поляризації

Явище повертання площини поляризації світлової хвилі на деякий кут при проходженні світла крізь кристалічні тіла і деякі ізотропні рідини, називається обер­танням площини поляризації або оптич­ною активністю.

Якщо речовина не знаходиться у зовнішньому магнітному полі, то оптична активність буде природною.

Природна оптична активність була відкрита в 1811 р. Д. Араго на пластинках кварцу, які вирізані перпендикулярно до оптичної осі.

Нехай погляд спостерігача спрямований назустріч падаючому променю. Обертання називають правим (додатним), якщо площина поляризації повертається вправо (за годинниковою стрілкою) для спостерігача, і лівим (від’ємним), якщо вона повертається вліво.

В природі існує два типи кристалів кварцу, які є дзеркальним відображенням один одного. Перші обертають площину поляризації вправо, другі – вліво і відпо­відно називаються право- і лівообертаючим кварцем. Кут обертання площини поляризації пропорційний до товщини шару оптично активної речовини:

,

де – довжина шляху променя в оптично активному середовищі; – коефіцієнт пропорційності, який називають обертальною здатністю, або питомим обертанням. Він залежить від природи речовини, від температури та довжини хвилі.

Питоме обертання дорівнює величині кута, на який повертається площина поляризації монохроматичного світла при проходженні шару завтовшки .

Далеко від смуг поглинання світло речовини залежність від задовольняє закон Біо:

.

Для оптично активних рідин та розчинів Ж.Біо встановив, що кут повороту площини поляризації прямо пропорційний товщині шару l і концентрації C оптично активної речовини, тобто

,

де – коефіцієнт пропорційності, який називається питомим обертанням розчину. Коефіцієнт залежить від природи оптично активної речовини і розчинника, температури та довжини хвилі світла.

Властивості оптичної активності розчинів дають змогу визначити їх концен­трації. Прилади, за допомогою яких проводять такі вимірювання, називаються поляриметрами. Оскільки для розчину цукру питоме обертання значне, то поляриметри набули широкого застосування в цукрометрії.

Теорію обертання площини поляризації оптично активними речовинами розробив О. Френель. Він вважав, що це явище зумовлене особливим видом подвійного заломлення променів, при якому швидкість поширення світла в активному середовищі різна для променів, що мають праву і ліву колові поляризації. Знак кута повертання площини поляризації визначається співвідношенням між швидкостями поширення променів правої циркуляційної поляризації і лівої циркуляційної поляризації . Для оптично активне середовище буде додатним, а для буде від’ємним.

На вході в оптично активну речовину лінійно поляризоване монохроматичне світло розкладається на дві хвилі тої самої частоти, але поляризовані по колу у взаємно протилежних напрямках (рис. 264).

Вектори і цих хвиль симетричні відносно площини p – p коливань падаючого світла.

Якщо , то при виході з оптично активного середовища з товщиною шару l електричний вектор правоциркуляційної хвилі буде повернутий на більший кут , ніж для лівоциркуляційної хвилі . Внаслідок цього площина , відносно якої електричні вектори цих хвиль розміщені симетрично, буде повернута вправо на кут відносно площини поляризації падаючої хвилі (рис. 265). Кут виз­начається з умови , звідки маємо

.

Кути повороту електричного вектора правої і лівої хвиль залежать від часу поширення хвилі t і довжини їх шляху в оптично активному середовищі, тобто

і .

Тоді

.

Фазові швидкості поширення лівої і правої хвиль виразимо відповідно через коефіцієнти заломлення і , і . Враховуючи, що з попередньої формули, отримуємо

,

де – довжина світлової хвилі у вакуумі. Отже, при площина поляризації повертається вправо, а при – вліво.

У 1845 р. М. Фарадей виявив, що при поширенні лінійно поляризованого світла в оптично неактивних речовинах в напрямку магнітного поля, то відбувається поворот площини поляризації на деякий кут. Якщо спостерігач дивиться у напрямку маг­нітного поля, то повертання праворуч вважається додатним, ліворуч – від’ємним. Досліди М. Фарадея та М. Вер­де показали, що кут повертання площини поляризації пропорційний довжині шляху l променя у речовині і магнітній індукції B, тобто

=VlB,

де V – стала Верде, яка залежить від природи речовини і довжини хвилі світла.

ЛУБЧЕНКО АНДРІЙ ФЕДОРОВИЧ

(1921-1977)

Вперше розвинув теорію природного і магнітного обертання площини поляризації світла молекулярними кристалами в області екситон­них збуджень при слабкій екситон-фононній взаємодії.

ВЛОХ ОРЕСТ ГРИГОРОВИЧ

(нар.1934 р.)

Відкрив(1964-69рр.) із І.С.Жолудєвим теоре­тич­но і підтвердив експериментально нове яви­ще – електрогірацію. Воно полягає в тому, що при проходженні світла перпендикулярно до оптичної осі кристала під дією електричного поля відбувається повертання еліпса поляри­зації світла.

СТАСЮК ІГОР ВАСИЛЬОВИЧ

(нар.1938 р.)

Розробив на мікроскопічному рівні теорію природної та індукованої електричним полем оптичної активності діелектричних кристалів та явища п’єзогірації, при якому причиною ефекту є постійне механічне напруження, прикладене до кристалу.

Ефект Доплера

Якщо джерело світла і приймач
світлових хвиль нерухомі один відносно одного, то частота коливань, що сприймається приймачем, дорівнюватиме частоті коливань джерела. Якщо ж джерело або приймач рухаються один відносно одного, то частота , що сприймається прий­мачем, може виявитись відмінною від . Це явище називається ефектом Доплера.

Зв’яжемо з джерелом світла початок координат системи K, а з приймачем – початок координат системи . Осі Х і спрямуємо вздовж вектора швидкості , з якою система рухається відносно системи K (рис. 266).

Рівняння плоскої світлової хвилі, що випромінюється джерелом у напрямку до приймача, буде в системі K мати вигляд

.

Тут – частота хвилі, що фіксована в сис­темі K, тобто частота з якою коливається джерело.

Згідно з принципом відносності закони природи мають однаковий вигляд у всіх інерціальних системах відліку. Тому в системі хвиля описується рівнянням:

,

де – частота, що фіксована в системі відліку , тобто частота, що сприймається приймачем.

Рівняння хвилі в системі можна отримати з рівняння в системі K, перей­шовши від x і t до і за допомогою перетворень Лоренца:

, , , .

Отримуємо

.

Це рівняння описує в системі ту саму хвилю, що і рівняння . Тому повинно виконуватися такі співвідношення:

Змінимо позначення: циклічну частоту джерела позначимо , а частоту приймача – . В результаті

.

При віддаленні приймача і < ; при наближенні приймача до джерела і > .

Перейшовши від циклічної частоти до лінійної, отримаємо

.

Якщо кут між напрямом спостереження і напрямом швидкості, що вимірюються в системі відліку, зв’язаній з спостерігачем, дорівнює , то

.

Формула

описує поздовжній ефект Доплера, який спостерігається під час руху приймача вздовж лінії, що з’єднує його з приймачем. Якщо <<c, то

.

Обмежившись членами порядку /c, отри­маємо , звідси відносна зміна частоти .

Зазначимо, що при віддаленні джерела і приймача один від одного спостерігається зсув в область довших хвиль , так зване червоне зміщення. При наближенні – зсув в область ко­ротших хвиль , так зване фіолетове зміщення.

Крім поздовжнього ефекту, для світлових хвиль також існує поперечний ефект Доплера. Він полягає в зменшенні частоти, яка сприймається приймачем, і спостерігається в тому випадку, коли вектор відносної швидкості напрямлений пер­пендикулярно вздовж прямої, що проходить через приймач і джерело (наприклад, джерело рухається по колу, в центрі якого поміщено приймач).

У такому разі

.

Відносна зміна частоти при поперечному ефекті Доплера

.

Вона значно менша, ніж при поз­довжньому ефекті.