Badanie zjawiska rotacji optycznej w warunkach naturalnej i wymuszonej aktywności optycznej.

Światło spolaryzowane.

Światło jest fala elektromagnetyczną, w której drgania wektora natężenia pola elektrycznego
odbywają się w płaszczyźnie, w której leży kierunek propagacji światła. W próżni oraz w ośrodkach dielektrycznych wektor natężenia pola elektrycznego fali, jest prostopadły do jej wektora falowego.
Wektorem falowym

nazywamy wektor skierowany wzdłuż propagacji fali.
Wektor natężenia pola magnetycznego fali elektromagnetycznej jest zawsze prostopadły do płaszczyzny określonej wektorami
i
. Powyższy opis dotyczy fali monochromatycznej liniowo spolaryzowanej. W większości przypadków mamy do czynienia z tzw. światłem niespolaryzowanym. Możemy co najwyżej uznać, że światło takie złożone jest z wielu fal o różnych płaszczyznach drgań. Łatwo można wyobrazić sobie przypadek, gdy światło składa się jednak nie z bardzo wielu, a ograniczonej liczby fal składowych. Wystąpi wówczas tzw. częściowa polaryzacja światła.

Złożenie drgań elektromagnetycznych prowadzi do powstania tzw. krzywych Lissajous. Gdy częstotliwości drgań składowych są sobie równe, to
w ogólnym przypadku odpowiadająca im krzywa Lissajous ma kształt elipsy.
W szczególnym przypadku elipsa ta przechodzi w okrąg, gdy amplitudy drgań są sobie równe, a różnica faz pomiędzy falami wynosi
/2 lub 3
/2.

Przypadek ten dotyczy światła spolaryzowanego kołowo, gdyż wypadkowy wektor
pochodzący ze złożenia składowych ortogonalnych zakreśla w miarę propagacji światła linię śrubową. Gdy koniec wypadkowego wektora
obiega krzywą w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, mówimy, że światło jest spolaryzowane kołowo prawoskrętnie, jeżeli kierunek obiegu jest przeciwny, mówimy o polaryzacji lewoskrętnej.

Gdy różnica faz wynosi 0 lub
, wtedy krzywa Lissajous przyjmuje postać odcinka. W przypadku światła mówimy o świetle liniowo spolaryzowanym. Warto zauważyć, że w wyniku nałożenia się jednej na drugą dwóch fal o tej samej częstotliwości, lecz spolaryzowanych kołowo lewo- i prawoskrętnie, otrzymuje się falę spolaryzowaną liniowo.

Zjawisko rotacji optycznej.

W pewnych przypadkach płaszczyzna oscylacji wektora
liniowo spolaryzowanego światła obraca się w miarę propagacji fali i obrót ten jest funkcją drogi przebywanej przez światło w danym ośrodku. Mówimy wówczas
o tzw. zjawisku rotacji optycznej. W zależności od skręcenia płaszczyzny polaryzacji, patrząc w kierunku źródła światła, skręcenie może być dodatnie- zgodne z ruchem wskazówek zegara lub ujemne- przeciwne do ruchu wskazówek zegara. Odpowiednio, ośrodek aktywny optycznie nazywa się ośrodkiem prawoskrętnym lub lewoskrętnym.. Ośrodki, w których zjawisko rotacji optycznej zachodzi w warunkach normalnych, nazywamy ośrodkami optycznie aktywnymi. Należą do nich zarówno kryształy, jak i ciecze i gazy.

Wyjaśnienie teoretyczne zjawiska rotacji optycznej opiera się na wspomnianym już fakcie, że nałożenie jednego na drugie dwóch drgań spolaryzowanych kołowo o przeciwnych zwrotach prowadzi do drgań spolaryzowanych liniowo. Wychodząc z tego faktu przyjmuje się, że światło spolaryzowane liniowo w ośrodku optycznie aktywnym ulega rozkładowi na dwie fale spolaryzowane kołowo: jedną prawoskrętnie i drugą lewo skrętnie oraz że fale te propagują w danym ośrodku z różnymi prędkościami.

Jednocześnie fale propagującą wzdłuż osi z, spolaryzowana kołowo lewoskrętnie, możemy rozpatrywać jako złożenie fal spolaryzowanych
w kierunkach x i y oraz przesuniętych w fazie o 3
/2

x
;

y
;

Natomiast analogiczną falę spolaryzowaną kołowo prawoskrętnie możemy zapisać poprzez składowe:

x
;

y
;

k
=
; k
=
;

n
=c/v
; n
=c/v
;

v
, v
- współczynniki załamania i prędkości propagacji fal spolaryzowanych lewoskrętnie i prawoskrętnie
w ośrodku aktywnym optycznie.

Należy podkreślić, iż n
i n
mają różne wartości dla danego ośrodka aktywnego optycznie. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła po przejściu drogi o długości w w roztworze o stężeniu s danej substancji aktywnej optycznie wynosi :

=k*s*w;

k - właściwa zdolność skręcania;

Współczynnik k ma wartość równą kątowi skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła po przejściu przez warstwę o jednostkowej grubości roztworu
o jednostkowym stężeniu. Wartość współczynnika k zależy nie tylko od rodzaju rozpuszczonej substancji i rodzaju rozpuszczalnika, ale wykazuje także silną zależność od długości fali światła.

Zjawisko Faradaya.

Zjawisko rotacji optycznej jest obserwowane także w substancjach po umieszczeniu ich w polu magnetycznym. W przypadku gdy wektor indukcji pola magnetycznego
jest skierowany równolegle do kierunku propagacji światła, to efekt tej wymuszonej zewnętrznie rotacji optycznej nosi nazwę zjawiska Faradaya. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji wywołany zjawiskiem Faradaya opisuje empiryczny wzór :

=

w;

w - droga przebyta przez światło;

- stała proporcjonalności;

Wartość stałej proporcjonalności silnie zależy od własności danej substancji i jej temperatury oraz długości fali światła. Kierunek skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy od zwrotu wektora indukcji pola magnetycznego. Zjawisko Faradaya tłumaczy się również poprzez rozkład fali spolaryzowanej liniowo na dwie fale spolaryzowane kołowo lewo- i prawoskrętnie. Fale te w substancjach umieszczonych w polu magnetycznym biegną z różnymi prędkościami.

Polarymetr.

Do pomiaru skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła służą polarymetry. Zasadę działania polarymetru można wyjaśnić następująco. Promienie światła przechodząc przez soczewkę (2) uzyskują równoległy bieg, a następnie padają na polaryzator. Przez polaryzator przechodzi światło, dla którego płaszczyzna drgań wektora elektrycznego pokrywa się z kierunkiem przepuszczania przez polaryzator oscylacji elektrycznych fali elektromagnetycznej. Po przejściu przez polaryzator (3) światło liniowo spolaryzowane pada na przyrząd półcieniowy (4). Dzieli on pole widzenia na części zmieniając nieco płaszczyznę polaryzacji światła w jednej z nich. Za przyrządem półcieniowym płaszczyzny polaryzacji poszczególnych części wiązki światła tworzą ze sobą niewielki kąt
. Dla uzyskania równego oświetlenia analizator (6) ustawia się tak, aby jego płaszczyzna polaryzacji dzieliła kąt
na dwie równe części. Po wprowadzeniu ciała optycznie czynnego płaszczyzna polaryzacji światła ulega skręceniu w tym samym kierunku i o taki sam kąt w obu częściach pola widzenia. Stąd w celu ponownego uzyskania równości oświetlenia całego pola widzenia analizator należy skręcić o kąt równy kątowi skręcenia płaszczyzny polaryzacji.

Polarymetr optyczny jest urządzeniem stosunkowo dokładnym, wykorzystuje on bowiem dużą wrażliwość oka ludzkiego na względna zmianę natężenia oświetlenia.

---