Теория вращения плоскости поляризации

Явление вращения плоскости поляризации сводится к особому типу двойного лучепреломления (Френель, 1817г.). В основе объяснения лежит гипотеза, согласно которой скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей поляризованных по правому и левому кругу. Для правых веществ большее значение имеет скорость право круговой волны, для левых веществ – лево круговой волны. Плоско поляризованный свет можно представить как сумму двух поляризованных по правому и левому кругу волн с одинаковыми периодами и амплитудами рис.2.2. Пусть в месте входа в слой вращающего вещества совокупность право и лево поляризованного света эквивалент поляризованному свету с колебаниями по АА рис.2.2, т.е. вращающиеся электрические векторы правой и левой волн симметричны относительно АА.

Рассмотрим какова будет взаимная ориентация этих векторов в любой точке среды рис. 2.2, б). Пусть для определенности Vп>Vл (индексы п и л относятся соответственно к правой и левой волне). Так как левая волна распространяется медленнее, то до какой-либо точки внутри среды она дойдет с отставанием по фазе по сравнению с правой. В этой точке векторы правой и левой волн будут симметричны уже относительно нового направления ВВ, повернутого вправо относительно АА на угол y. Результирующее плоское колебание будет направлено по ВВ, т.е. плоскость поляризации света повернулась вправо на угол y. Из рис. 2.2, б видно, что

jп – y = jл + y

или y = ½ (jп – jл). (2.4)

Учитывая, что Vп = c/nп и Vл = c/nл – это соответственно фазовые скорости распространения правого и левого циркулярно поляризованных лучей, а nп и nл соответствующие показатели преломления, можно получить

y = pd/l0(nл – nп), (2.5)

где d – толщина слоя вещества; l0 – длина волны света в вакууме. Из (2.5) видно, что если nл > nп, плоскость поляризации поворачивается вправо, если nл < nп – влево.

Причина различия скоростей распространения световых волн с правой и левой циркулярной поляризацией в оптически активной среде лежит в различном характере взаимодействия асимметричных молекул этой среды с электрическим и магнитным полями световых волн. То обстоятельство, что оптически активные вещества существуют в виде двух модификаций, правой и левой, свидетельствует о том, что молекулы таких веществ тоже должны быть поляризованы. Две разновидности этих молекул построены так, что одна является зеркальным отображением второй и, следовательно, никаким перемещением не может быть с ней совмещена. Представление об асимметричных молекулах нашло широкое применение в органической химии и положено в основу стереохимии – учения о пространственном распределении атомов в молекулах. Так, например, асимметрия органических молекул связывается со свойством атома углерода вступать в соединение с четырьмя атомами или атомными группами (радикалами), причем в получившейся молекуле эти группы расположены в вершинах четырехугольной пирамиды, в центре которой расположен атом углерода. Если четыре вершины заняты разными радикалами А, Б, В, Г, то молекула имеет дисимметричный характер и возможны две разновидности, являющиеся зеркальным отображением друг друга рис.2.3.

Известны активные соединения, содержащие в своих молекулах другие асимметричные атомы (кремний, фосфор, бор и др.).

Итак, оптически активные вещества можно разделить на два типа: относящиеся к первому типу оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахар, камфара, винная кислота), ко второму виду – оптически активны только в кристаллическом состоянии (кварц, киноварь). У веществ первого типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, второго типа – асимметричным строением кристалла, асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решетке при одинаковости самих частиц.

Это изображено на схеме рис. 2.4.