Вращение плоскости поляризации представляет собой явление, демонстрирующее способность некоторых веществ в условиях отсутствия внешнего воздействия к вращению плоскости поляризации. Такие вещества (например, кварц, скипидар, водный раствор сахара и пр.) будут называться оптически активными.
Рисунок 1. Вращение плоскости поляризации. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Вращение плоскости поляризации для поперечной волны
Явление вращения плоскости поляризации (для поперечной волны) заключается в действии поляризационного вектора линейно-поляризованной поперечной волны (повороте) вокруг ее волнового вектора (в условиях прохождения волны сквозь анизотропную среду). При этом волна может быть:
- электромагнитная;
- акустическая;
- гравитационная и др.
Линейно-поляризованную поперечную волну можно при этом описать в виде суперпозиции двух циркулярно поляризованных волн, обладающих амплитудой и равнозначным волновым вектором. В рамках изотропной среды проекции полевого вектора таких волн на плоскость поляризации будут совершать колебательные движения синфазно, а их сумма при этом равнозначна полевому вектору суммированной линейно-поляризованной волны.
В условиях различия фазовой скорости циркулярно поляризованных волн в среде, одна из них будет отставать от другой, что спровоцирует разность фаз между колебаниями проекций на выбранную плоскость. Такая разность фаз начнет изменяться при распространении волны (линейно расти в однородной среде).
При повороте плоскости поляризации (по окружности волнового вектора) угол, который равен половине разности фаз, колебания спроектированных на нее полевых векторов снова окажутся синфазными. В этот момент повернутая плоскость превратится в плоскость поляризации.
Причина поворота плоскости поляризации кроется в набеге разности фаз, возникающей между циркулярно поляризованными составляющими линейно-поляризованной волны в условиях ее распространения в циркулярно-анизотропной среде. Подобная среда (для электромагнитных колебаний) оптически активная (гиротропная). При этом для упругих поперечных волн – она акустически активная.
Циркулярная анизотропия среды может зависеть от внешних полей, которые наложены на среду (речь идет об электрическом и магнитном) и от механических напряжений (эффект фотоупругости). Степень анизотропии может быть зависимой от длины волны (явление дисперсии).
Оптически активная среда (из смеси неактивных и активных молекул) вращает плоскость поляризации пропорционально (относительно концентрации оптически активного вещества). На этом базируется поляриметрический метод измерения степени концентрации подобных веществ в растворах.
При акустических колебаниях поворот плоскости поляризации можно наблюдать исключительно для поперечных упругих волн (из-за неопределенности плоскости поляризации для продольных волн). Это делает такое явление доступным только для твердых тел и исключает такую возможность для газов или жидкостей (по причине отсутствия поперечной составляющей).
Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами
Из электромагнитной теории света следует, что плоские световые волны поперечны. Электромагнитная волна с упорядоченными каким-либо образом направлениями колебаний электрического и магнитного векторов является поляризованной.
Излучение, состоящее из множества атомов светящегося тела, представляет собой явление суперпозиции излучений отдельных атомов (излучения атомов при этом спонтанны и независимы друг от друга, что провоцирует беспорядочное изменение направления светового вектора в точке, которая рассматривается).
Световая волна с хаотичным изменением направления светового вектора (в условиях равной вероятности для него всех направлений колебаний в перпендикулярной лучу плоскости) будет называться естественным (неполяризованным) светом.
Согласно такому определению, естественный свет в произвольной точке будет рассматриваться в качестве суперпозиции некогерентных взаимно перпендикулярных колебаний напряженности равно амплитудных магнитного и электрического полей. Частичная поляризация света наблюдается при различии амплитуд данных колебаний.
Явление вращения плоскости поляризации в природе
Вращение плоскости поляризации применяют в следующих оптических приборах:
- оптические затворы;
- модуляторы.
Определенные оптически активные вещества способны к вращению плоскости поляризации. Каждое оптически активное в жидком состоянии вещество способно не терять такое свойство и в кристаллическом состоянии. При этом активность веществ в кристаллическом состоянии не всегда переходит в активность в жидком (пример с расплавленным кварцем). Таким образом, оптическая активность обусловлена не просто строением молекул вещества (их асимметрия), но и особенностями размещения частиц в кристаллической решетке.
Оптически активные вещества существуют в природе в виде право- и левовращающих, что будет зависеть от направления вращения поляризационной плоскости. В первом случае, например, плоскость поляризации (при взгляде навстречу лучу), вращается по часовой стрелке (то есть вправо), во втором случае мы наблюдаем левое вращение.
Явление вращения плоскости поляризации объяснил в своих работах ученый О. Френель (1817 г.). Согласно представленной им теории, в оптически активных веществах скорость распространяющегося света оказывается различной для поляризованных вправо и влево (по кругу) лучей. На явлении вращения плоскости поляризации базируется точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ (сахариметрия).
Впоследствии М. Фарадей выявил вращение плоскости поляризации (для оптически неактивных тел), которое появляется под воздействием магнитного поля (впоследствии - эффект Фарадея). Открытие стало значимым, поскольку позволило обнаружить связь между электромагнитными и оптическими процессами.
