ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ

Выше упоминались естественные анизотропные среды — кристаллы. Существуют различные способы получения искусственной анизотропии, т. е. сообщения оптической анизотропии естественно-изотропным веществам. Например, оптически изотропные вещества (стекло, жидкости) можно превратить в анизотропные, подвергая их односторонней деформации или помещая в электрическое поле. Стеклянный кубик, подвергнутый одностороннему сжатию (или растяжению), становится анизотропным; направление деформации выделяется среди других направлений. Анизотропию жидкостей наблюдают, помещая их в электрическое поле (эффект Керра). Молекулы жидкости, обладающие электрическим моментом (или приобретающие эти моменты под растягивающим действием внешнего поля), ориентируются вдоль поля, поэтому электрические, а следовательно, и оптические свойства жидкости становятся различными вдоль направления поля и

перпендикулярно ему. Жидкость уподобляется одноосной оптически анизотропной среде.

На рис. IV.38 изображена схема установки для изучения искусственной анизотропии, вызванной электрическим полем; при изменении разности потенциалов приложенной к электродам, изменяется степень анизотропии вещества, а следовательно, и интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор.

Если убрать внешнее поле, то тепловое движение нарушает упорядоченное расположение электрических осей молекул и жидкость вновь делается изотропной. Это исчезновение анизотропии происходит примерно за поэтому жидкость почти без инерции реагирует на все изменения внешнего поля.

Рис. IV.38

Степень анизотропии, вызванной деформацией (сжатием или растяжением) или электрическим полем, можно оценить по разности показателей преломления вещества для обыкновенных и необыкновенных лучей берется для луча, у которого вектор колеблется вдоль направления деформации или внешнего поля, играющего роль оптической оси). Измерения показывают, что для твердых и жидких тел

где нормальное механическое напряжение; — напряженность электрического поля, в котором находится вещество; постоянные, характеризующие вещество.

Некоторые вещества (оптически активные) обладают свойством поворачивать плоскость колебаний вектора вдоль луча. Если световая волна с определенной ориентацией плоскости колебаний (в которой лежат веетор и направление луча) пройдет через такое вещество расстояние то плоскость колебаний поворачивается на угол равный

где а — коэффициент, характеризующий вещество. Наблюдения показали, что величина а различна для различных длин волн, поэтому, если проходящий свет — сложный, то различные его монохроматические составляющие повернут свои плоскости колебаний на различные углы (вращательная дисперсия). У кварца для коэффициент на миллиметр.

Свойством поворачивать плоскость колебаний, а также вращательный дисперсией обладают не только кристаллические тела (у которых

это свойство наблюдается вдоль оптической оси, когда но и изотропные среды, например скипидар, раствор сахара в воде и др. Для растворов угол вращения пропорционален концентрации раствора С:

где постоянная вращения (различная для различных ), характеризующая растворенное вещество; этой формулой пользуются для определения концентрации раствора, если измерены

Существуют вещества, вращающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть в сторону распространения света); их называют мвовращающими или отрицательными; вещества, вращающие плоскость колебаний против часовой стрелки, называются правовращающими или положительными. Например, существуют две модификации кварца — правовращающая и левовращающая.

Поворот плоскости колебаний волны наблюдается также в веществах, помещенных в магнитное поле (явление Фарадея); поляризованный луч пропускается в направлении поля. Угол поворота плоскости колебаний пропорционален пройденному в веществе расстоянию и напряженности поля

где величина, характеризующая вещество и зависящая от длины волны света; для различных веществ составляет несколько тысячных долей угловой минуты на ампер. Поворот плоскости колебаний волны происходит также при отражении плоскополяризованного луча от поверхности намагниченного ферромагнетика.

Перечислим важнейшие применения поляризованного света:

1) исследование механических напряжений в сложных деталях машин. Модели (прозрачные) этих деталей помещают между двумя поляризаторами и подвергают деформации; наблюдаемое распределение оптической анизотропии по объему детали показывает распределение механической деформации;

2) изучение различных физических свойств вещества (в частности, полимеров); состава и строения молекул; структуры кристаллических решеток; исследование минералов; количественный анализ веществ и т. д. Для этих целей изготовлен ряд специальных поляризационных приборов, в частности поляризационный микроскоп, сахариметры (для определения концентрации раствора сахара), фотометры и

3) изучение быстропротекающих процессов (скорости распространения света, скорости реакций; звукозапись и воспроизводство звука; фотографирование с очень малой экспозицией порядка Для этой цели применяется ячейка Керра (рис. IV.38) — сосуд с двумя электродами, между которыми находится вещество, изменяющее степень своей анизотропии под действием приложенного электрического поля. Эта ячейка при перпендикулярном расположении оптических осей поляризатора и анализатора представляет собой быстродействующий оптический затвор; интенсивность проходящего света почти без отставания следует за изменениями приложенного к пластинкам электрического напряжения.