Часть III. Молекулы и излучение

III-1. Взаимодействие света с веществом и теория оптической вращающей способности

Л. Дж. Остерхоф

1. Введение

Пучок света распространяется в веществе с некоторой скоростью меньшей скорости с света в вакууме. Отношение двух скоростей — называется показателем преломления последний зависит от свойств среды, в которой распространяется свет, и от частоты света. В изотропных средах показатель преломления обычно не зависит от состояния поляризации света. Имеются, однако, случаи, когда показатели преломления для света с правой и левой круговой поляризациями различны. В этих случаях наблюдается явление оптического вращения плоскости поляризации. Для его наблюдения используется пучок плоскополяризованного света. Удобно рассматривать этот пучок, или луч, как бы составленным из двух лучей с противоположной круговой поляризацией. Пусть, например, луч с левой круговой поляризацией распространяется с меньшей скоростью, чем луч с правой поляризацией (меньшая скорость распространения отвечает большему показателю преломления: Тогда чтобы пройти через какой-то слой вещества, лучу с левой круговой поляризацией требуется большее время, чем лучу с правой круговой поляризацией, и, следовательно, поворот вектора поляризации первого луча будет больше, чем поворот вектора поляризации второго луча. В результате сложения двух указанных лучей по выходе из оптически активного слоя вещества опять возникает плоскополяризованный луч (если только отсутствует поглощение); однако плоскость поляризации этого нового луча будет теперь повернута вправо, если смотреть со стороны наблюдателя, на которого падает свет. Угол вращения плоскости поляризации

(в радианах на единицу длины) рассчитывается по формуле

где — частота падающего света.

С описанным явлением вращения плоскости поляризации света тесно связано другое явление — явление кругового дихроизма, возникающее при наличии разницы в поглощении света левой и правой круговой поляризации.

В области спектра, в которой наблюдаются сразу оба указанных явления, при прохождении света через слой вещества будет происходить не только изменение фаз, но также и изменение амплитуд для двух лучей с разной круговой поляризацией; поэтому в результате получится не плоскополяризованный свет, а, вообще говоря, свет с эллиптической поляризацией. Приращение эллиптичности, отнесенное к единице длины (в радианах на единицу длины), дается формулой

где — отнесенные к единице длины коэффициенты поглощения света с левой и правой круговой поляризацией соответственно.

Величины связаны дисперсионными соотношениями Кронига — Крамерса, эти соотношения основаны только на иринципе причинности и на том обстоятельстве, что связь между возмущением и ответной реакцией системы линейная.

Запишем электромагнитную волну, распространяющуюся в х-направлении, в виде

где — векторная амплитуда, k — коэффициент поглощения, — частота света, — скорость распространения света. Соотношения Крамерса — Кронига можно представить в виде

где интегралы понимаются в смысле главного значения. Комбинируя выражения (4) и (5) с выражениями (1) и (2), для электромагнитной волны с левой или правой круговой поляризацией,

получим

где интегралы опять берутся в смысле главного значения.

На первый взгляд может показаться, что измерения и О дают одинаковую информацию. Сделанное утверждение было бы справедливым, только если бы измерения величин и 0 можно было провести при всех частотах. Однако в эксперименте этого никогда не удается сделать, так как фактически нам доступна только небольшая часть спектра, скажем, от 200 до 1000 ммк. Таким образом, необходимо проводить измерения обеих величин .

Для построения теории, устанавливающей корреляцию феноменологических величин с молекулярной структурой вещества и межмолекулярными взаимодействиями, совершенно несущественно, какая именно величина или 0) выбрана в качестве объекта исследования. На практике, однако, и здесь возникают важные различия.

В настоящем разделе мы рассмотрим оптическую вращающую способность прозрачных сред только в видимой или ближней ультрафиолетовой областях спектра и тем самым избежим трудностей, обычно встречающихся при попытках построения полной дисперсионной теории поглощающих сред.