§ 9. Искусственная оптическая анизотропия

Экспериментально установлено, что оптически изотропные вещества становятся анизотропными, если они подвергаются механическим напряжениям (Д. Брюстер, 1816), помещаются в электрическое (Д. Керр, 1816) или магнитное (Э. Коттон и А. Мутон, 1905) поле. В результате вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает соответственно с направлениями деформации, электрического или магнитного полей.

Мера возникающей оптической анизотропии во всех случаях – это разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:

n_o – n_e = k₁σ (в случае деформации);

n_o – n_e = k₂Е²_вн (в случае электрического поля);

n_o – n_e = k₃Н²_вн  (в случае магнитного поля),

где k₁, k₂, k₃ – постоянные, зависящие от свойств вещества; σ = F/S – напряжение, вызвавшее деформацию;   и   – напряженности электрического и магнитного полей. Разность n_o – n_e может принимать как положительные, так и отрицательные значения, она также зависит от длины волны света.

При одностороннем сжатии или растяжении оптические свойства деформированного объекта становятся подобными свойствам одноосного кристалла. Оптическая ось такого объекта, например прозрачного кубика, проходит в направлении действия силы. После прохождения через кубик линейно-поляризованный свет превращается в свет с эллиптической поляризацией.

На рис. 3.10 приведена схема для изучения эффекта Керра – оптической анизотропии прозрачных веществ (жидкостей, стекол) под воздействием однородного электрического поля. Ячейка Керра, например, кювета с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора, помещается между поляризатором и анализатором, плоскости пропускания которых взаимно перпендикулярны. При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит. При наложении электрического поля, направленного перпендикулярно распространению света, среда приобретает свойства одноосного кристалла, и выходящий из ячейки свет становится эллиптически поляризованным и частично проходит через анализатор.

Эффект Керра безынерционен: переход вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении или выключении электрического поля составляет около 10^–10 с. Поэтому ячейка Керра – идеальный световой затвор, применяемый в быстропротекающих процессах.

Оптическая анизотропия появляется в телах и под действием магнитного поля, когда свет распространяется перпендикулярно к направлению поля – эффект Коттона-Мутона. Для получения заметного двойного лучепреломления магнитные поля должны быть очень сильными.

§ 10. Оптическая активность

Явление оптической активности, или гиротропия, занимает особое место среди физических свойств. На основе способности некоторых веществ вращать плоскость поляризации возникли такие направления, как стереохимия, асимметрический синтез, сахариметрия. Открытое более 1800 лет назад это явление привлекало и до сих пор привлекает многих исследователей, в первую очередь потому, что все важные биохимические процессы связаны с участием оптически активных веществ.

Многие известные физики, в том числе и Ландау, уделяли внимание изучению оптической активности.

Особенно большой объем работ по исследованию оптической активности в кристаллах выполнен в Институте кристаллографии РАН. Среди полученных результатов можно выделить следующие: решены граничные задачи о прохождении света из одноосного прозрачного и поглощающего оптически активного кристаллов при учете многократных отражений, предложены методы определения оптических параметров кристаллов, изучены оптическая активность и дихроизм большого количества кристаллов различных классов симметрии, что позволило определить природу возникновения оптической активности в этих кристаллах и связать ее с особенностями структуры кристалла в целом и структурой отдельных локальных центров.

Кафедра физики Дальневосточного государственного университета путей сообщения также внесла свой вклад в исследование этого интересного явления. Разработана альтернативная теория оптической активности в кристаллах, а также предложены новые методы качественного и количественного исследования оптической активности в кристаллах в направлениях, отличных от оптической оси. Рассчитаны, смоделированы и получены экспериментально-коноскопические картины оптически активных кристаллов с различной поляризацией световых пучков. Рассчитано теоретически и исследовано экспериментально влияние оптической активности на интенсивность и параметры поляризации прошедшего через кристалл света.

Ниже рассматривается оптическая активность в кристаллических телах и аморфных веществах, приводятся основы теории вращения плоскости поляризации.

Для примера рассмотрим кварцевую пластинку, вырезанную перпендикулярно оптической оси. При нормальном падении света на пластинку свет распространяется в направлении оптической оси, и происходит поворот плоскости поляризации (Араго, 1811 г.). Угол поворота плоскости поляризации определяется по взаимной ориентировки осей николей N₁ (поляризатор) и N₂ (анализатор). Установлено экспериментально, что угол поворота зависит от длины d пути кристаллической пластине и от длины волны,  т. е. имеется вращательная дисперсия:

φ = αd,

где α – вращательная способность. Эта величина выражается в радианах на метр или в градусах на миллиметр. У кварца для красной области спектра α ≈ 15 град/мм, для зеленой α ≈ 27 град/мм, фиолетовой α ≈ 51 град/мм. Эти данные показывают, что вращательная дисперсия у кварца весьма значительна.

Направление вращения плоскости поляризации изменяется при изменении направления распространения света на обратное и может определяться правилом винта.

Экспериментально установлено, что существует две модификации кристаллов кварца – правовращающая и левовращающая. Они характеризуются различными направлениями вращения плоскости поляризации, которые определяются в соответствии с правилом правого или левого винта при распространении света вдоль оптической оси. Исторически сложилось так, что направление вращения плоскости поляризации устанавливается для наблюдателя, к которому направлен луч света. Поэтому правовращающая модификация кварца (правый кристалл) обусловливает левовинтовое вращение плоскости поляризации, а левовращающая (левый кристалл) – правовинтовое.

При распространении света в направлениях, отличных от направления оптической оси, оптическая активность проявляется совсем по-другому.  В этих направлениях существует обычное линейное двупреломление, поэтому активность проявляется более сложным образом. Еще труднее наблюдать явление в двуосных кристаллах, так как вращение может быть различным вдоль каждой из осей. Известны также некоторые кристаллы кубической системы, не обнаруживающие обычного двойного лучепреломления, но обладающие свойством вращать плоскость поляризации; в этом случае величина вращения не зависит от ориентации кристалла.

Во многих аморфных веществах, в том числе и жидкостях (например, в скипидаре), также наблюдается вращение плоскости поляризации, причем в ряде случаев довольно значительное (например, в никотине α ≈ 1,64 град/мм для желтой области спектра).

Аморфные вещества также существуют в двух модификациях – право- и левовращающей. Если вращающее плоскость поляризации вещество находится в растворе, то угол поворота плоскости вращения при прохождении света через раствор определяется по закону Био (1832):

,

где q – концентрация раствора,   – длина пути в растворе.

14)

Электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии излучающего тела, называется тепловым излучением. Оно определяется температурой и оптическими свойствами тела.  Основные характеристики теплового излучения: 1) Энергетическая светимость M_e [Вт/м²] – количество энергии, излучаемой за единицу времени по всем направлениям с единицы площади поверхности тела во всем диапазоне длин волн.  2) Спектральная плотность энергетической светимости M_?,T [Вт/м³] – количество энергии, излучаемой за единицу времени по всем направлениям с единицы площади поверхности тела в единичном диапазоне длин волн. Энергетическая светимость и спектральная плотность энергетической светимости связаны следующим образом:  M_?,T = dM_e/d?; M_e =  _?,T d? . Тело, которое при всех температурах полностью поглощает все падающее на него излучение во всем диапазоне длин волн, называется абсолютно черным. Спектральный коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единице для всех длин волн, т.е.: a_?,T = a_T = 1. Спектральная плотность энергетической светимости M_?,T и коэффициент поглощения a_?,T любого тела связаны соотношением, называемым законом Кирхгофа: в состоянии теплового равновесия отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральному коэффициенту поглощения не зависит от природы тела и является для всех тел одной и той же универсальной функцией, равной спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела: (M_?,T /a_?,T)₁ = (M_?,T /a_?,T)₂ = M^o_?,T . Следствия из закона Кирхгофа: 1) Всякое тело при данной температуре излучает преимущественно лучи тех же длин волн, которые сильнее всего поглощает. 2) Из всех тел при одной и той же температуре абсолютно черное тело обладает наибольшей спектральной плотностью энергетической светимости для любой длины волны излучения.

15)