2. Двойное лучепреломление

Рис.18. 5

Все прозрачные кристаллы, кроме оптически изотропных, обладают способностью двойного лучепреломления. Это явление впервые открыто Э. Бартолином (1625-1698г.)

Если на кристалл перпендикулярно к нему направить узкий пучок света, то из кристалла выйдет два пространственно разделенных луча (рис.18. 5). Первый луч получил название обыкновенного, а второй – необыкновенного.

Оптической осью кристалла называется направление в оптически анизотропном кристалле, по которому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления. Прямая, проходящая параллельно этому направлению, является оптической осью кристалла.

В зависимости от типа симметрии кристаллы бывают одноосные и двухосные. Вышедшие из кристалла лучи плоскополяризованы во взаимно перпендикулярных направлениях.

Плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью (или главным сечением) кристалла.

Колебания светового вектора в обыкновенном луче происходят перпендикулярно главной плоскости, в необыкновенном – в главной плоскости. Неодинаковое преломление обыкновенного и необыкновенного лучей указывает на различие для них показателей преломления. Обыкновенный луч подчиняется закону преломления, а для необыкновенного луча этот закон не выполняется.

Обыкновенные лучи распространяются в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью , а необыкновенные – с разной скоростью (в зависимости от угла между вектором и оптической осью). Для распространяющегося вдоль оптической оси луча соблюдаются равенства: , , т.е. вдоль оптической оси существует только одна скорость распространения света.

60.

3. Исследование биологических объектов в поляризованном свете

Среди специальных методик для исследования биологических тканей используется поляризационная микроскопия.

Поляризационный микроскоп аналогичен обычному биологическому микроскопу, но имеет поляризатор перед конденсором и анализатор в тубусе между объективом и окуляром. Предметный столик имеет возможность вращаться вокруг оптической оси микроскопа. Объект освещают поляризованными лучами и рассматривают через анализатор.

Если скрестить поляризатор и анализатор, то поле зрения будет темным, таким же оно останется при помещении на предметный столик изотропных прозрачных тел. Анизотропные предметы изменяют поле зрения в соответствии с тем, какое влияние они оказывают на направление плоскости поляризации.

Поляризационная микроскопия возможна для таких видов ткани, как мышечная, костная, нервная, которые обладают оптической анизотропией. В этих случаях при скрещенных поляризаторе и анализаторе будут видны только те волокна, анизотропия которых изменяет поляризованный свет.

61.

4. Вращение плоскости поляризации

Оптически активные вещества обладают способностью вращать плоскость поляризации. Это сахар, киноварь, водный раствор сахара, винная кислота, скипидар.

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать в приведенном ниже опыте (рис.18. 7).

Рис. 18. 7

Если между скрещенными поляризатором Р и анализатором А, дающими темное поле зрения, разместить оптически активное вещество, то поле зрения анализатора просветляется. При повороте поляризатора на некоторый угол  вновь можно получить темное поле зрения. Этот угол и представляет собой тот угол, на который происходит поворот плоскости поляризации света, прошедшего поляризатор.

Свет, прошедший сквозь оптически активное вещество, является плоскополяризованным.

Из опыта известно, что угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей определяется

(18.6)

Для оптически активных растворов получаем

(18.7)

где – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе, – удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концентрации для растворов), – массовая концентрация оптически активного вещества, кг/м³.

Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны излучения в вакууме. Оптическая активность обуславливается как строением молекул вещества, так и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества разделяются на право- и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается вправо (по часовой стрелке), во втором влево (против часовой стрелки).

О. Френкель (1817 г.) объяснил вращение плоскости поляризации тем, что скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей, поляризованных по кругу влево и вправо.

Явление вращения плоскости поляризации лежит в основе точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ. Этот метод назван полярометрией.

Схема установки показана на рис.18. 7. По найденному значению угла поворота поляризации и известному значению – удельного вращения из выражения находится концентрация растворенного вещества.

М. Фарадеем обнаружено вращение плоскости поляризации в оптически неактивных веществах под действием магнитного поля. Это – эффект Фарадея. Он имеет огромное значение для науки, так как это было первое явление, в котором обнаружилась связь между оптическими и электромагнитными процессами.

Таким образом, в лекции рассмотрены вопросы поляризации света. Сформулирован закон Малюса для поляризованного света. Описаны поляризатор и анализатор. Приведены основные закономерности поляризации света при его отражении и преломлении. Рассмотрено явление двойного лучепреломления. Описаны используемые для получения поляризованного света призма Николя и двоякопреломляющие призмы. Представлены возможности использования поляризованного света для исследования биологических тканей, описано явление вращения плоскости поляризации света в оптически активных веществах.

62.