Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

порядку величипы обычно составляет 10%, для жидко­ стей она значительно больше, в отдельных случаях до­ стигает 80%. Объяснение этих фактов связано, конечно,

соптической анизотропией рассеивающих молекул, т. е.

стем обстоятельством, что электроны в молекулах сме­

щаются с разной вероятностью по разным направлениям под действием электрического поля световой волны. Од­ нако при рассеянии света роль анизотропии молекул об­ ратна той, которую она играет, например, в явлениях по­ ляризованной люминесценции или дихроизма. Полностью

поляризованный рассеянный свет (А = 0) дают только полностью изотропные, сферически симметричные атомы пли молекулы (рис. 38, а). Ибо в отличие от дихроизма и поляризованной люминесценции причина полной поля­ ризации рассеянного под углом 90° света — природа са­ мой электромагнитной поперечной световой волны (как для поляризации при отражении под углом Брюстера), а вовсе не анизотропия и ориентация молекул. Именно поэ­ тому анизотропия может приводить только к деполяриза­ ции, создавая в рассеянном свете компоненту І„ (рис. 38, б). Чем выше анизотропия молекул, тем больше де­ поляризация. Этот факт можно использовать для исследо­ вания структуры молекул наряду с другими поляризаци­ онными методами.

Свет, прошедший сквозь рассеивающую среду, в об­ щем случае частично поляризован, и его интенсивность зависит от поляризации падающего света. По аналогии с дихроизмом это явление называют дитипдализмом (пото­

81

му что рассеяние света в некоторых случаях называют эффектом Тиндаля). Как н дихроизм, оно может приме­ няться для исследования анизотропии различных сред. С его помощью можно, папрпмер, легко различать потоки жидкости, в которых взвешены изотропные или анизо­ тропные частицы.

Более сложными законами характеризуются некоторые специальные случаи рассеяния света. К ним относится

6

Рис. 38. Поляризации при рассеянии изотропными и анизотропными частицами

рассеяние па крупных частицах в коллоидных растворах, когда максимальная степепь поляризации наблюдается при углах, отличпых от 90°. Своеобразны также свойства поляризации света, рассеяппого пеодпородпой поверхно­ стью. Законы рассеяния в этом случае вообще сильно от­ личаются от случая объемного рассеяния. Достаточно ска­ зать, что интенсивность поверхностного рассеяния обрат­ но пропорциональна не четвертой, а лишь второй степени длины волны.

Поляризация при рассеянии пмеет фундаментальное значение в рентгеновской области спектра. Рентгеновское излучение можно поляризовать только с помощью рассея­ ния. Все другие способы здесь неприменимы.

Не только поляризация рассеянного света, но и само рассеяние может применяться в поляризационных прибо­ рах. В некоторых двупреломляющих поляризаторах одна из компонент устраняется рассеянием в подходящей сре­ де. Примером такого рассепвающе-двупреломляющего по­ ляризатора является поляризатор Ямагути (рис. 39). В нем монокристалл нитрата натрия помещается (точнее, выращивается) между двумя стеклянными пластинками, показатель преломлепня которых равеп показателю пре­ ломления обыкновенного луча в кристалле. Внутренние поверхности пластин, прилегающие к кристаллу, мато­ вые, иаружпые — полироваппые. Если па такую трех-

82

слойиую систему падает естественный свет, то обыкно­ венный луч проходит через нее без преломления, как сквозь однородную среду. А показатель преломления не­ обыкновенного луча в кристалле очень сильно отличается от показателя преломления стекла, поэтому необыкновен­ ный луч практически полностью рассеивается во всех на­ правлениях па внутренних матовых поверхностях.

Кроме обычного рассеяния света, о котором до сих пор шла речь и при котором не про­

щей частоты и колебательных частот. Линин комбинацион­ ного рассеяния часто поляризованы, причем поляризация определяется симметрией колебаний в молекуле или крис­ талле.

Комбинационное рассеяние света — один из самых важных методов исследования структуры молекул и коле­ бательных процессов в молекулах. Изучение поляризации линий комбинационного рассеяния дает большое количе­ ство информации о топких деталях строения молекул н кристаллов.

Глава IV

АНИЗОТРОПИЯ МОЛЕКУЛ, КРИСТАЛЛОВ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Все свойства поляризованного света, с которыми мы по­ знакомились, указывают на то, что поляризованный свет удобно использовать для изучения анизотропии веществ. Взаимодействие поляризованного света с любой анизотроп­ ной средой содержит информацию об этой анизотропии. Надо только уметь извлекать эту информацию.

Анизотропия встречается у самых разнообразных ве­ ществ и сред как природного, так и искусственного про­ исхождения. Можно назвать следующие типы анизотро­ пии: 1) полная анизотропия (крайний случай) — среда состоит из анизотропных молекул, и все они ориентиро­ ваны одинаково; 2) все молекулы ориентированы, но ориентация неодинакова, а имеется несколько видов ориентации (типичный пример — молекулярные моно­ кристаллы) или преимуществеииая ориентация. Такая среда частично анизотропна; 3) полная изотропия неупо­ рядоченной среды, состоящей пз изотропных частичек (другой крайний случай), например атомный газ.

Казалось бы, полностью изотропной должна быть п среда, состоящая из анизотропных молекул, но либо рас­ положенных совершенно беспорядочно, хаотично (напри­ мер, жидкий раствор), либо расположенных и ориентиро­ ванных так, что оптические свойства среды по всем на­ правлениям одинаковы (например, кубический кристалл). Действительно, макроскопически такая среда изотропна. Но то, что она состоит из анизотропных элементов, поз­ воляет говорить о ее скрытой анизотропии. Эта внутрен­ няя анизотропия может быть вскрыта, «проявлена» раз­ личными способами. Часто это делается с помощью поля­ ризованного света.

Очень большое число разнообразных, интересных п весьма важных и с познавательной и с практической точ­ ки зрения примеров скрытой и частичной анизотропии

84

можно найти среди элементарийх биологических объек­ тов. Исследования таких объектов современными метода­ ми (в частности, с помощью электронных микроскопов) показывают, что все пли почти все они имеют высоко упорядоченную сложную структуру, весьма далекую да­ же от намека на хаос. Нервные волокна, хлоропласты, различные элементы клетки — митохондрии, рибосомы и т. д,— всему присуща молекулярная упорядоченность, структурность. Но эта структура много сложнее кристал­ лической. Здесь нет простой повторяемости элементарной ячейки. Зато есть как бы иерархия структур — эле­ ментарные структуры являются субъединицами вторич­ ных структур, а те в свою очередь — более сложных тре­ тичных и т. д.

Среди биологически важных молекул весьма распро­ странены асимметричные соединения, т. е. такие, ко­ торые существуют в виде левой и правой форм. Их важ­ нейшее свойство — вращение плоскости поляризации. Это свойство служит и самым эффективным методом пх изучения. Кроме биохимии и биологии, эти исследова­ ния имеют большое значение в стереохимии и кристал­ лографии.

Главные методы исследования анизотропии вещества, основанные на поляризации света,— это поляризованная люминесценция, дихроизм, оптическая активность и двойное преломление.

Экспериментальные методы измерения степени поляризации и поворота плоскости поляризации

Все основные приборы для измерения поляризации света называют поляриметрами '. Не очень удачно, что одним и тем же словом именуют приборы для измерения раз­ ных характеристик, но так уж сложилось исторически. Основной недостаток термина в его двузначности. Физи­ ки обычно пазывают поляриметрами устройства для из­ мерения степени поляризации света, химики — приборы для измерения угла поворота плоскости поляризации.

1Технические подробности и описание конкретных приборов мож­ но найти в специальной литературе, иапрпмер в книге Б. И. Ва­

сильева «Оптика поляризационных приборов» (М., 1969).

85

В этом случае поляриметры иногда называют еще сахари­ метрами (потому что сахар — одно из важнейших опти­ чески активных веществ). Если измерения проводится отдельно для разных длин волн, то в обоих случаях при­ боры пазывают спсктрополярпметрамп.

Сначала поговорим о поляриметрах для измерения

заданный едет

Рив. 40. Схема поляриметра с полярископом Савара

1 — компенсирующая стопа па лимбе; 2 — кристаллическая пластинка; 3 — ииколь

Рис. 4L Принцип действия поляриметра Корню

устройство можно сделать поляриметром, добавив к нему компепсатор (рис. ЙО). Компенсатором чаще всего слу­ жит стопа стеклянных пластинок, частично поляризую­ щая проходящий через пее свет. Поляризация, вносимая стопой, зависит от ориентации стопы отпоептельпо на­ правления луча и преимущественного направления элек­ трического вектора. Можно так расположить стопу, чтобы

создаваемая ею поляризация была равна по абсолютной величине и противоположна по знаку поляризации изме-

86

ряемого светового потока. Тогда наблюдатель зафиксиру­ ет исчезновение интерференционной картины. Для на­ хождения компенсирующего положения стопу надо пово­ рачивать вокруг оси, совпадающей с направлением пре­ имущественных световых колебаний. Тогда они станут «гладящей» компонентой и будут сильнее ослабляться за счет отражения. Конечно, перед измерениями стопа должна быть предварительно проградуирована по источ­ никам света с известной поляризацией. Это обстоятель­ ство (п не только это) ограничивает точность измерений.

Другой широко известный прибор — визуальный по­ ляриметр Корню основан на разделении взаимно перпен­ дикулярных компонент с помощью поляризационной призмы Волластопа. На пути двух потоков помещается анализатор, с помощью которого можно уравнять осве­ щенность полей в обоих потоках. Освещенность полей оди­ накова прп такой ориентации николя, когда проекции компонент Аі и А2 на пропускаемое ииколем направление

Именно угол 2ср удобно измерить на опыте — это угол поворота анализатора между двумя положепиями с рав­ ной освещенностью полей. Никакого компенсатора в этом

ляризации ограиичепа контрастной чувствительностью глаза человека, т. е. его способностью различать разную освещенность. Малых различий глаз пе ощущает. Это приводит к ошибкам в измерении степени поляризации. Особенно большими стаповятся ошибки, если степень по­ ляризации невелика и интенсивность измеряемого свето­ вого потока слаба, а такие случаи как раз очень часты.

Весьма высокая чувствительность, а следовательно, и контрастная чувствительность могут быть достигнуты при измерении двух потоков разной интенсивности одно­ временно двумя разными фотоэлектроппымп умножите­ лями (ФЭУ) или последовательно одним и тем же. Тех­ ника изготовления ФЭУ непрерывно совершенствуется, чувствительность пеуклоппо повышается.

87

В последние годы с успехом разрабатываются фото­ электрические устаповки для измерения степени поляри­ зации света. Эти установки бывают двух типов. Один тип можно назвать модуляционным, другой — статическим. В первом случае модулируется (т. е. периодически меня­ ется со временем) интенсивность поляризованного света. Для этого, например, на пути пучка ставят вращающийся поляроид. На ФЭУ подается перемеппын световой сиг­ нал, а снимается переменный электрический сигнал, глубнпа модуляции которого (т. е. относительные изменения со временем) однозначно связана со стенепыо поляриза­ ции. В статическом способе отдельно измеряются компо­ ненты с взаимно перпендикулярной поляризацией, на которые световой поток разделяется, например, с помо­ щью поляризационных призм с большим углом расхожде­ ния (типа призмы Аббе).

Перейдем теперь к поляриметрам второго типа — при­ борам для измерения вращения плоскости поляризации.

Простейшей установкой может служить пара скре­ щенных пиколей. Если между ними поместить оптически активную среду, наступит просветление. Погасить про­ светление можно, повернув анализатор на угол, равный углу вращения плоскости поляризации. Однако точность такого примитивного метода невысока. Более широкое применение нашли так пазываемые полутеневые устрой­ ства, в которых установка производится ие на темноту, а па равное освещение двух половин поля. В этом случае поляризатор заменяется парой поляризаторов, разделя­ ющих поле зрения на две части. Направления пропускае­ мых ими колебаний составляют малый угол. Обе полови­ ны одинаково освещены, если анализатор ориентирован по биссектрисе угла между этими направленнями. Если между поляризатором (двойпым) и анализатором помес­ тить оптически активное вещество, то равенство освещен­ ностей нарушится. Оио восстановится, если анализатор повернуть на угол, равный углу вращения плоскости, по­ ляризации в активном веществе.

В них используется установка на минимум интенсивности света (т. е. «па темпоту»), прошедшего через поляриза­ тор, активное вещество и анализатор. Поворотом анализа­ тора, как и в предыдущих случаях, компепсируется вра-

88