Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

будет иметь одинаковые значения для разных направлений, тело приобретет анизотропию в значениях диэлектрической проницае­ мости, а значит, и оптическую анизотропию.

Такую анизотропию, выражающуюся в появлении двойного лучепреломления, можно вызвать почти всегда неоднородной де­ формацией твердого тела, у некоторых жидкостей — внесением их в электрическое поле (эффект Керра), р также созданием потока жидкостей тех веществ, молекулы которых имеют вытянутую форму. Двойное лучепреломление наблюдается в биологических объектах, высокополимерах, т. е. опять-таки в веществах, состоящих из длин­ ных молекул, которые не могут уложиться в веществе полностью беспорядочным образом. Вообще говоря, в той или иной степени двойное лучепреломление присутствует почти всегда, так как крайне трудно создать в теле идеальную изотропию.

Если тело подвергнуть одностороннему сжатию или растяжению, то в нем возникает анизотропия осевого типа. Такое тело по опти­ ческим свойствам подобно одноосному кристаллу. Наблюдение за возникающей оптической анизотропией удобнее всего вести между скрещенными николями. Легкое надавливание пальцами делает прозрачную пластмассу или стекло анизотропными — поле зрения сразу же просветляется. Неоднородная деформация создает раз­ личные значения разности п0— пе в разных местах объекта. Поэтому на теле, подвергнутом деформации, образуются полосы равной раз­ ности фаз б. Форма этих кривых соответствует напряжениям, воз­ никающим в теле. Анализируя ход кривых, удается получить от­ четливое представление о распределении напряжений.

Каким же образом использовать столь ценный метод на практике, имея в виду, что он применим лишь к прозрачным телам? Путь здесь единственный — создание моделей из прозрачных пластмасс. Соз­ давая модель моста, здания, элемента машины и нагружая модель в соответствующей пропорции, можно видеть картину возникающих напряжений. Количественная оценка напряжений оптическим спо­ собом носит название метода фотоупругости. Ее изложению посвя­ щены специальные руководства.

При наблюдении в белом свете возникают причудливые цветные картины. Если деформации упругие, то после снятия нагрузки кар­ тина пропадает. Напротив, если напряжения не снимаются удале­ нием нагрузки, то цветная картина фиксируется.

Остановимся теперь на оптической анизотропии жидкостей, по­ мещенных в электрическое поле.

Электрическое поле оказывает ориентирующее действие лишь в том случае, если молекулы жидкости обладают постоянным жест­ ким дипольным моментом. Тогда молекулы стремятся располо­ житься так, чтобы направление жесткого дипольного момента сов­ пало с направлением поля. При этом жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью вдоль Е. Наблюдение эф­ фекта удобнее всего производить, помещая жидкость с наложенным полем между скрещенными николями (рис. 179).

Опыт показывает, что разность п0— пе, возникающая в жидкости, пропорциональна квадрату напряженности Е электрического поля. Разность фаз равна б = б/£"-, где / — длина, пройденная световым лучом в жидкости, а В — постоянная Керра, характерная для ве­ щества.

1 +

ч

N —

Рис. 179.

Большим значением В выделяется нитробензол, имеющий боль­ шой жесткий дипольный момент, 2 - Ю - 5 ед. СГС. Бензол имеет постоянную Керра 0,5- Ю - 7 ед. СГС, сероуглерод 3,5- 10~7 ед. СГС.

£ = J / ^ 2 ^ = 2 6 600 В/см. Для этого, при расстоянии между пластинами 1мм, к конденсатору надо приложить разность потенциалов 2660 В.

Эффект Керра дает возможность трансформировать колебания электрического поля в изменения интенсивности света. Инерция эффекта мала: время релаксации, связанное с занятием молекулами в электрическом поле надлежащего положения, есть величина по­ рядка миллиардной доли секунды. Поэтому электрические колеба­ ния, модулированные звуком, могут быть превращены в изменения световой интенсивности. Это дает возможность записывать звук на фотопленку.

§ 152. Оптическая активность

Оптической активностью называется способность некоторых ве­ ществ поворачивать направление колебания линейно поляризован­ ного луча. Явление состоит в следующем. Устанавливаются скре­ щенные николи и на пути луча помещается вещество. Происходит просветление поля, которое может быть уничтожено поворотом анализатора на какой-либо угол а. Значит, линейно поляризован­ ный свет, прошедший через оптически активное вещество, так и ос­ тается линейно поляризованным, но направление колебания луча изменяется на угол а. Опыт показывает, что поворот направления колебания строго пропорционален толщине слоя вещества:

a = pd.

Характеризующая вещество постоянная р называется удельным вра­ щением и выражается обычно в градусах на миллиметр. Явление

Поворот направления колебания довольно значителен и у мно­ гих веществ для ряда длин волн достигает десятков градусов на 1 мм. Для водных растворов органических веществ вращение пло­ скости поляризации зависит от концентрации: a=pcd, где с — кон­ центрация.

Какие же вещества относятся к оптически активным? Оптически активное вещество должно быть построено из таких структурных единиц, которые не имеют в числе своих элементов симметрии ни плоскости симметрии, ни центра симметрии. В случае молекуляр­ ных веществ такими единицами, как правило, будут молекулы. В случае кристаллов, в которых молекулы не могут быть выделены, такой единицей будет элементарная ячейка.

Молекулы (или ячейки), удовлетворяющие указанным условиям, могут встретиться в виде двух оптических изомеров, обозначаемых буквами d и / (правые и левые). Оптические изомеры находятся между собой в отношении предмета и его изображения в зеркале. Вещество, состоящее из d-молекул (ячеек), вращает свет вправо, из /-молекул — влево. При этом под правым вращением понимают тот случай, когда при увеличении толщины слоя вещества для вос­ становления темноты приходится поворачивать анализатор вправо, смотря против луча света. Меняя направление света на обратное, мы не изменим знака эффекта.

Оптическая активность наблюдается у веществ как в жидком, так и в твердом состоянии. Важно лишь наличие в веществе избытка d- или /-молекул. Ориентация же этих молекул может быть как бес­ порядочной, так и упорядоченной. В первом случае тело изотропно и вращение одинаково, в каком бы направлении ни шел луч света. В оптически активных кристаллах величина вращения а зависит от

так и жидкое вещество обладает оптической активностью. Приме­

ром может служить сахар, который, кроме того, обладает актив­ ностью и в растворах. Эту способность сахара используют в прак­ тике (сахариметрия) для определения процентного содержания сахара по величине вращения направления колебания светового луча.

Иначе обстоит дело в таких кристаллах как кварц (рис. 180). Расположение атомов в ячейке кварца удовлетворяет необходимым условиям, а именно, не обладает ни центром симметрии, ни

плоскостью симметрии. В кристалле кварца нельзя выделить моле­ кулу; поэтому при плавлении конфигурация атомов меняется и в плавленом кварце отсутствуют нужные структурные единицы — плавленый кварц оптически неактивен.

Одно и то же, с точки зрения химического состава, вещество может встретиться как в оптически активном, так и в неактивної^ виде. Это относится не только к кварцу. Структура неактивной мо­ дификации весьма мало похожа на структуру кристаллов, облада­ ющих оптической активностью. Сказанное вполне понятно в случае ионных и гомеополярных кристаллов.

Но каким образом может образоваться неактивный кристалл из активных молекул в случае молекулярного кристалла? Это про­ исходит путем образования кристаллов-рацематов. Рацемической смесью называется смесь равного количества d-молекул и /-молекул. Такая смесь не вращает, так как уравниваются два противополож­ ных эффекта. Кристалл-рацемат построен из пар молекул d и I. Каждая пара дает центросимметричную группу атомов.

Что же касается оптически активных кристаллов, то они встре­ чаются в виде d- и /-форм. Эти кристаллы обладают структурами, тождественными в том же смысле, как левая и правая перчатки. Так, отмеченные на рис. 180 одинаковыми буквами грани кристалла тождественны именно в этом смысле. Если речь идет о молекуляр­ ных кристаллах, то это значит, что в одном случае структура вы­ полнена d-молекулами, а в другом — /-молекулами. Правый и ле­ вый кварц, правый и левый сахар, правая и левая винная кислота — все свойства этих веществ, все подробности их структуры тожде­ ственны во всем, за исключением направления вращения света.

Неорганические оптические изомеры (например, левый и пра­ вый кварц) встречаются в природе в равных количествах. Иначе обстоит дело с органическими молекулами, играющими биологи­ ческую роль. Французский химик Пастер показал, что ряд микро­ организмов способен питаться только определенным оптическим изомером.

§ 153. Принципы теории оптической активности

Каким же образом объясняется явление оптической активности? Прежде чем ответить на этот вопрос, покажем, что линейно поля­ ризованный свет эквивалентен двум лучам, поляризованным по кругу влево и вправо.

Запишем уравнения колебания электрического вектора, считая, что между левой и правой волнами есть сдвиг фаз б. При круговой

Чтобы увидеть поляризационное состояние возникшего колеба­ ния, найдем отношение Еу/Ех для суммарного поля. С помощью про­ стых тригонометрических преобразований получим

Отношение не зависит от времени; это и означает наличие линейно поляризованного колебания, происходящего под углом 6/2 к оси х. Требуемое доказано.

С точки зрения подобного представления вполне ясно, в чем состоит явление вращения направления колебания. Поворот пло­ скости колебания на угол 6/2 означает, что левовращающая волна отстала от правовращающей (или наоборот, в зависимости от направ­ ления вращения) на угол 6. Это рассуждение оправдывает рассмо­ трение проблемы оптической активности в главе, посвященной двой­ ному лучепреломлению. И здесь, как и ранее, волна разделяется веществом на две составляющие, из которых одна движется бы­ стрее другой и непрерывно уходит от нее вперед по фазе. Удельное вращение с этой точки зрения пропорционально разности коэффи­ циентов преломления левого и правого лучей.

Этим рассуждением мы нисколько не продвинулись в объясне­ нии явления, а дали ему лишь другую (вполне эквивалентную) ин­ терпретацию. Однако новый подход позволит нам легче объяснить

Рис. 181.

оптическую активность. Волны, поляризованные по кругу влево и вправо, движутся по веществу с разной скоростью. У них разные коэффициенты преломления, а значит, разные диэлектрические