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

свойства, также в той или иной степени должны быть двупреломлягощимп. Выше уже приводился пример рас­ тянутых полимерных пленок. По свойствам такие среды вполне аналогичны веществам, в которых наблюдается поляризованная люминесценция при изотропном возбуж­ дении.

Анизотропия прозрачных аморфных тел (например, стекол) может быть создана механической деформацией (сжатием, растяжением и т. д.). Деформированные стекла, помещенные между скрещенными николями, просветляют поле, причем наблюдаемая картина однозначно связана с распределением деформаций.

В потоке жидкости оптическая анизотропия возникает по двум причинам — из-за ориентации частиц и их растя­ жения. При этом скорость потока должна быть неоднород­ ной, иначе жидкость будет перемещаться как целое и никакой деформации в ней не будет. Двойное преломление света в потоке жидкости называется эффектом Максвелла. Относительная роль ориентации и растяжепия частиц раз­ лична в разных жидкостях и зависит от свойств и струк­ туры молекул. Так, в веществе с длинными палочкообраз­ ными молекулами главную роль пграет ориентация. На­ против, для глобулярных частиц большее значение имеет растяжение (фотоэластпческпй эффект).

и т. д. По-видимому, это одно-из фундаментальных свойств живого вещества. Структура их сложнее кристаллической, дело здесь не сводится к простой периодичности. Сущест­ вуют структуры, включающие в себя другие структуры как элементы. Как правило, вследствие этого возникает сложная анизотропия и, следовательно, сложная картипа двойного преломлеппя, меняющегося в процессе дея­ тельности структур и различного в разных частях этих структур.

Оптическая анизотропия в прозрачных изотропных веществах (например, в жидкостях) может быть создана также с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле ориентирует молекулы, обладающие собствеппым дипольным моментом. Полной ориептацпн достигнуть нельзя, потому что всегда существует хаотич­ ное тепловое движение. Поэтому эффект сильно зависит

3 67

от температуры. Двойное преломление жидкостей в элек­ трическом поле называется эффектом Керра. Эффект раз­ личен в разных жидкостях, очень многие нм вообще не обладают. Хорошо проявляется этот эффект, например, в нитробензоле.

Если стеклянную кювету, наполненную нитробензо­ лом, поместить между скрещенными НИКОЛЯМИ и наложитъ электрическое поле, наступит просветление. Наибольшим оно будет, когда направление напряженности поля соста­ вит 45° с главными плоскостями ннколей. При выключе­ нии поля затемнение восстанавливается. Нитробензол в электрическом поле ведет себя как фазовая пластинка, потому что из-за возникающей анизотропии световые вол­ ны с электрическим вектором, параллельным напря­ женности наложенного поля и перпендикулярным ему, распространяются с разной скоростью. Между ними воз­ никает разность хода, величнпа которой пропорцноиальпа квадрату напряженности поля До = кЕ~ и, следователь­ но, не зависит от его паправлеппя. Лпнейпо-поляризоваи- ный луч после прохождения через кювету становится в общем случае эл.тпптпчеекп-полярпзоваипым и частично проходит через второй николь — анализатор. Очень важ­ на практическая безынерцпопиость эффекта — возникно­ вение и исчезновепие двойного преломления при включе­ нии и выключении поля происходит за время ІО-9—

ІО“10 сек.

Аналогичный эффект наблюдается и в кристаллах; например, в электрическом поле кубический кристалл может стать двупреломляющнм, а в одноосном может воз­ никнуть двупреломлеипе вдоль оптической оси. В одних кристаллах возникающая разность хода, как и в жидко­ стях, пропорциональна квадрату напряженности поля (в этих случаях явленпе по-прежнему называют эффектом Керра), в других она пропорциональна просто напряжен­ ности поля (эффект Покельса),,— это зависит от строения решетки кристалла. Для практических применений эффек­

в работе.

Аналогично можно создать искусственную анизотропию с помощью магнитного поля. Если анизотропные моле­ кулы (хаотически расположенные в среде) имеют постоян­ ный магнитный момент, то наложение сильного магнит-

68

анизотропного поглощения. В общем случае опи представ­ ляют собой трехосные эллипсоиды. Ось любого эллипти­ ческого сечения выражает коэффициент поглощения света, распространяющегося по нормали к сечению и по­ ляризованного параллельно этой оси. Очевидно, есть два круговых сечения, по нормалям к которым нет дихроизма. По аналогии с оптическими осями эти направления назы­ вают мопохроичными осями.

Если индикатриса представляет собой эллипсоид вра­ щения, то два круговых сечения сливаются в одно. Таким образом, в отношении дихроизма, как и в отношении двойного преломления, кристаллы могут быть двуосными или одноосными.

Дихроизм обнаруживают не только кристаллы, но и многочисленные некристаллические тела, обладающие естественной или искусственно созданной анизотропией. Отдельные молекулы вещества, особенно сложные моле­ кулы, как правило, анизотропны в отличие от атомов, в которых электронные оболочки имеют приблизительно шаровидную форму. Поэтому атомы невозможно ориенти­ ровать. Из нпх можно составить анизотропное кристал­ лическое тело, только располагая атомы с различной пе­ риодичностью по разным кристаллографическим направ­ лениям. Такой порядок характеризует все системы атомных и ионных кристаллов, кроме изотропных куби­

ческих.

В молекулах электроны обладают различной способно­ стью смещаться в разных направлениях под действием электрического ноля поглощаемой световой волны. Напри­ мер, в случае органических молекул с длинными цепочка­ ми сопряженных связей (о них уже шла речь в связи с поляризованной люминесценцией) световая волна, поля­ ризованная вдоль линии сопряженных связей, поглощает гораздо сильнее волны, поляризованной в перпендикуляр­ ном направлении. Типичным примером таких соединений могут служить дифеиилполиены

Можно сказать, что осциллятор поглощения ориенти­ рован в молекуле вдоль направления цепочки зх-элек- тронов.

70

Если молекула обладает .способностью к флуоресцен­ ции, то так же будет направлен и ее осциллятор излуче­ ния. Однако среда, состоящая из таких молекул, в целом не обладает дихроизмом, если молекулы в ней никак не ориентированы, и осцилляторы хаотично направлены в разные стороны, как в жидкостях, молекулярных napáx, аморфных стеклообразных телах.

Дихроизм появляется, если все молекулы или их зна­ чительную часть ориентировать в определенном направле­ нии. Для этого пригодны те же способы, что и для спон­ танной поляризации люминесценции (молекулярные кри­ сталлы, растянутые пленки, ориентация в потоке и др.). Это естествепио, ибо речь идет о весьма сходных по фи­ зическому механизму явлениях.

Молекулярные кристаллы обладают н частично поля­ ризованной люминесценцией, и некоторой степенью ди­

нимальный коэффициент). Частичный дихроизм молеку­ лярных кристаллов объясняется, как и частичная поляри­ зация люминесценции, тем, что не все молекулы в моле­ кулярных кристаллах ориентированы одинаково.

Однако в спектре поглощения молекулярных кристал­ лов обнаружены и полосы, обладающие полным дихроиз­ мом, причем электрический вектор поглощаемого света направлен по одной нз кристаллографических осей. Таких полос немного, и они свойственны только кристаллам — их не бывает у тех же молекул ни в растворах, ни в па­ рах. Эти полосы поглощения принадлежат не отдельным молекулам, а кристаллу в целом, потому-то их поляриза­ ция и определяется симметрией всего кристалла, а не ориентацией молекул в его решетке. Это очень интерес­ ный результат, наглядно показывающий возникновение в кристаллической фазе принципиально новых свойств, ко­ торых нет у отдельных элементов (молекул), образующих кристалл. Коллективные возбужденные состояния кри­ сталла, возникающие при таком поглощении света, полу­ чили название экситоиов. Они представляют большой интерес для современных исследований по. физике твер­ дого тела.

71

Экситонный дихроизм кристаллов представляет собой специфический тип дихроизма. Он встречается в пленках некоторых полимеризующихся красителей (псевдоизоцианииовых), которые можно рассматривать как одномерные (линейные) молекулярные кристаллы. В таких полимерах поглощается свет, поляризованный вдоль оси полимери­ зации.

Явлению частичной поляризации люминесценции изо­ тропных сред при возбуждении поляризованным светом до некоторой степени аналогично явление, называемое фотодихропзмом. Оно состоит в возникновении дихроизма в изотропной среде под воздействием на эту среду поля­ ризованного света. Свет вызывает фотохимические пре­ вращения молекул вещества, поэтому меняется их коэф­ фициент поглощения. Поляризованный свет преиму­

тропии.

Дихроизм может быть использован для получения лпнейночюляризованпого света из естественного.

Примером дпхропчиых поляризаторов могут служить мопокристаллические пластинки уже упоминавшегося турмалина. В прошлом веке именно они применялись во многих исследованиях и сыграли свою роль при открытии ряда поляризационных явлений. Однако широкого приме­ нения, особенно в практике, такие монокристаллы найти не смогли из-за редкости и дороговпзиы. Есть у них и другие недостатки, например узкая спектральная область пропускания.

Тем не менее именно дпхроичные поляризаторы «про­ били дорогу» поляризованному свету в практику и в ши­ рокие экспериментальные исследования. Но это были не монокристаллы, а анизотропные пленки, активированные (пропитанные) анизотропными молекулами или микро­ кристаллами,— так называемые пленочные поляроиды, изобретенные в 1920-х годах.

Если полимерную пленку, состоящую из длинных лпиейиых макромолекул полимера, в нагретом и размягчен­ ном состоянии подвергнуть сильному механическому растяжению в определенном направлении, то молекулы полимера ориентируются длинными осями вдоль на­ правления растяжения и пленка становится апизотропиой. Таким способом удается получать очень

72

высокую, близкую к 100%, анизотропию. Если при этой в полимере растворено вещество, молекулы которого ани­ зотропны по форме (лучше всего, если они тоже линейны) и обладают высоким дихроизмом, то упорядоченная, ори­ ентированная среда макромолекул полимера, образующая­ ся при растяжении, ориентирует эти примесные молеку­ лы и они образуют дихроичиую макроскопическую систе­ му. Пленка становится поляризатором света. Таким способом изготавливаются поляроиды высокого качества (до 99,99% поляризации прошедшего света) и достаточно большого размера, что особенно важно для многочислен­ ных практических применений.

Направление осциллятора поглощения может не совпа­ дать с длинной осью молекулы. Иногда эти направления взаимно перпендикулярны. Электрический вектор пропу­ скаемого света может бытьориентирован вдоль осп растя­ жения пленки или перпендикулярно ей в зависимости от структуры и свойств молекул активатора.

Чаще всего для изготовления поляроидов применяют полимер, называемый поливиниловым спиртом.

Дальнейшие поиски, несомненно, приведут к созданию новых тппов поляроидов с заданными специальными свойствами.

Только поляроиды достаточно дешевы для массового производства, и многие практические применения поляри­ зации света обязаны именно им.

До сих пор речь шла о линейном дихроизме, т. е. о различном поглощении света с различной линейной поля­ ризацией. Существуют среды, обладающие циркулярным дихроизмом, по-разиому поглощающие правоцпркулярио- и левоцпркулярпо-полярпзоваииый свет. Явление это было открыто Коттоиом.

Подобно тому как линейное двойное преломление света и линейный дихроизм свойственны одним и тем же средам, вещества, обладающие циркулярным двойным преломлением, обладают и циркулярным дихроизмом. Но в предыдущем параграфе было показано, что двойное циркулярное преломление по результатам тождественно вращению плоскости поляризации. Знанит, циркулярным дихроизмом, как правило, обладают вещества с естествен­ ной оптической активностью.

Если правоциркуляриый и левоциркулярный свет по­ глощаются в среде по-разиому, то их амплитуды после

73