Естественное вращение. Многие вещества, называемые оптически активными, обладают способностью поворачивать направление поляризации проходящего через них линейно-поляризованного света. Это кристаллические тела (кварц и др.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

Если на оптически активное вещество падает плоскополяризованный свет, то прошедший через него свет оказывается тоже плоскополяризованным: поворотом анализатора его можно полностью погасить и установить при этом угол $\varphi$ поворота плоскости поляризации.

В качестве примера возьмем кварцевую пластинку $K$, вырезанную перпендикулярно оптической оси, и поместим ее между двумя скрещенными поляризаторами $P$ и $P^{\prime}$ (рис. 6.25). Система будет пропускать свет (чего не было бы в отсутствие пластинки $К$ ). Повернув анализатор Рис. 6.25 $P^{\prime}$ на некоторый угол $\varphi$, обнаруживаем, что система перестала пропускать свет. Это означает, что в кристалле вектор $\mathbf{E}$ повернулся на тот же угол и оказался перепендикулярным плоскости пропускания анализатора $P^{\prime}$.

Опыт показывает, что все оптически активные вещества поворачивают плоскость поляризации падающего на них света на угол
\[
\varphi=\alpha l,
\]

где $l$ – толцина оптически активного слоя, $\alpha$ – постоянная вращения. Эта постоянная имеет различное значение для разных веществ и, кроме того, сильно зависит от длины волны света. Так для кварцевой пластинки толщиной в 1 мм углы поворота желтого и фиолетового света равны соответственно $20^{\circ}$ и $50^{\circ}$. В ультрафиолете еще больше: при $\lambda=215$ нм угол $\varphi=236^{\circ}$. Tаким образом, поворот плоскости поляризации света кварцем это сильный эффект, и его можно легко обнаружить.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации, оптически активные вещества подразделяют на право- и левовращающие, т. е. вращающие по или против часовой стрелки, если смотреть навстречу световому пучку.

Заметим, что все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях – право- и левовращающие.

Вращательная способность кварца связана с его кристаллической структурой, так как плавленный кварц не обладает оптической активностью. Для оптически же активных жидкостей и аморфных тел эффект врацения обусловлен асимметрическим строением самих молекул.
Опыт показывает, что при изменении направления распространения света на противоположное поворот плоскости поляризации происходит в обратную сторону (рис. 6.26). Другими словами, направление вращеРис. 6.26 ния (правое или левое) «привязано» к направлению луча. Поэтому при прохождении света сквозь активную среду, отражении его от зеркала и вторичного прохождения через ту же среду назад направление линейной поляризации восстанавливается.

Измерение угла поворота плоскости поляризации лежит в основе методов определения концентрации оптически активных веществ. Этим пользуются, в частности, для определения концентрации сахара в производственных растворах и биологических объектах (кровь, моча).

Магнитное вращение. Способность поворачивать плоскость поляризации приобретают даже оптически неактивные вещества, если их поместить в продольное магнитное поле (эффект Фарадея). Схема установки для наблюдения этого эффекта состоит из соленои́да с исследуемым веществом, который помещен между двумя скрещенными поляризаторами $P$ и $P^{\prime}$. Создание магнитного поля приводит к просветлению поля зрения. Поворотом плоскости пропускания анализатора $P^{\prime}$ добиваются затемнения, и таким образом находят угол поворота плоскости поляризации:
\[
\varphi=V l B,
\]

где $V$ – постоянная Верде (или магнитная вращательная способность), $l$ – длина пути света в веществе, $B$ – магнитная индукция*. Постоянная Верде зависит от рода вещества, его физического состояния и длины волны света. Приведем значения этой постоянной для двух веществ при разных длинах волн:

Направление вращения связано только с направлением магнитного поля В. От направления луча направление вращения не зависит. Поэтому при отражении луча зеркалом и возвращении его в исходную точку поворот плоскости поляризации удваивается (в отличие от естественного вращения). Это свойство позволяет увеличить угол поворота удлинением пути света в образце за счет многократных отражений от посеребренных поверхностей образца.
* Часто формулу (6.20) записывают иначе: $\varphi=V l H$, где $H$ – напряженность магнитного поля, Э, и размерность постоянной Верде $V$ в угл. мин/(см – Э). Тогда, например, для воды при $\lambda=589 \mathrm{нм} V=0,013$ угл. мин/(см-Э). Сравните с табличным значением на этой странице.

Знак вращения условно считают, если смотреть вдоль магнитного поля (вдоль вектора В). Для подавляющего большинства веществ вращение происходит вправо (т. е. правый винт относительно вектора В). Такие вещества называют положительными. Встречаются однако и отрицательные вещества, вращающие влево (т. е. левый винт относительно вектора В).
Пример. Узкий пучок плоскополяризованного света проходит, двукратно отражаясь, через право-вращающее положительное вещество, находящееся в продольном магнитном поле (рис. 6.27). Найдем угол, на который повернется плоскость поляризации вышедшего пучка, если длина трубки с веществом равна $l$, его постоянная вращения $\alpha$, постоянная Верде $V$ и индукция магнитного поля $B$.
Рис. 6.27
Если смотреть навстречу вышедшему пучку и положительное направление отсчитывать по часовой стрелке, то естественное вращение дает угол поворота $\varphi_{\text {ес }}=\alpha l>0$, поскольку вещество правовращающее. Магнитное же вращение (вещество положительное) дает угол поворота $\varphi_{B}=-V l B \cdot N$, где $N$ – число прохождений пучка через вещество (на рисунке $N=3$ ). В сумме угол поворота
\[
\varphi=\alpha l-V l B N .
\]

Рис. 6.28
Тот факт, что направление вращения в магнитном поле связано только с направлением вектора $\mathbf{B}$, позволяет осуществить так называемый оптический вентиль, который способен пропускать свет только в одном направлении. Сказанное поясняет рис. 6.28. Свет, прошедший после поляризатора $P$ магнитное поле, поворачивает плоскость поляризации на $\varphi=45^{\circ}$ и проходит через поляризатор $P^{\prime}$. А обратно, пройдя $P^{\prime}$ и повернувшись в ту же сторону на $\varphi$, оказывается задержанным поляризатором $P$.

Малая инерционность эффекта Фарадея ( 10-9 с) позволяет использовать его для модуляции света, для создания оптического затвора и т. п.