Вращение плоскости поляризации

(оптика) — явление, происходящее с лучами поляризованного света, проходящими через некоторые кристаллы, жидкости и пары, находящиеся в естественном состоянии или же под влиянием магнетизма. Световые лучи, исходящие от самосветящихся тел (солнце, пламя свечи или газа и т. п.) по своим физическим свойствам считаются типическими и нормальными. После отражения или преломления нормальные лучи, например солнечные, приобретают некоторые особенности, выступающие особенно отчетливо в случае преломления лучей света в кристаллах, обладающих способностью двойного лучепреломления (см. это слово), каковы, например, кристаллы исландского шпата. Если пропустить солнечный луч сквозь небольшое отверстие, сделанное в непрозрачной пластинке, за которой помещен кристалл исландского шпата, то из кристалла выйдут два луча равной силы света. Солнечный луч разделился, с небольшой потерей силы света, в кристалле на два луча равной световой силы, но по некоторым свойствам отличные от неизмененного солнечного луча и друг от друга. Для определительности в дальнейшем обозначим один из новообразовавшихся лучей буквою O, а другой — буквою E. Происхождение световых лучей приписывают колебательному движению светового эфира (см. Волны света), наполняющего все свободное пространство вселенной и междучастичные промежутки тел. Колебания эфирных частиц в каждом из двух лучей, образовавшихся в исландском шпате, происходят по прямым линиям и такие лучи называются прямолинейно поляризованными (см. Поляризация света). При этом распространение светового луча происходит по направлению, перпендикулярному к направлению колебаний.

Черт. 1.

На черт. 1 буквой a обозначается частица эфира, колеблющаяся между пределами b и c по прямой bc; линия an, перпендикулярная к bc, показывает направление распространения луча. Через направление луча (an) и направление колебаний (bc) проведена мысленно плоскость, часть которой обозначена буквами abmnkca. Перпендикулярная к ней другая плоскость, тоже проведенная через луч mn, обозначена на чертеже буквами oarsnto; эта вторая плоскость получила название плоскости поляризации луча mn. Один из двух лучей, образовавшихся в исландском шпате, отличается от другого (луч О от луча E) тем, что направление колебаний частиц одного перпендикулярны к направлению колебаний другого. Поэтому и плоскость поляризации одного луча перпендикулярна плоскости поляризации другого. Неизмененному солнечному лучу приписываются два прямолинейных колебания, из коих одно перпендикулярно другому. Поляризация луча, поэтому, есть распадение луча со сложными колебаниями на два луча, — каждый с одним прямолинейным колебанием. Для отделения луча O от луча E с целью дальнейшего изучения их свойств употребляются различные средства. Можно для этого, например, пользоваться кристаллами исландского шпата, обделанными в форме так называемых николевых призм (см. Николь и Двойное лучепреломление). Николева призма делается из кристалла исландского шпата, разрезанного известным образом на две части, потом склеенные (канадским бальзамом); такие две одинаковые призмы N₁ и N₂ изображены в разрезе на чертеже 2.

Черт. 2.

Положим, что призмы помещены одна выше другой и что снизу падает луч света S на призму N₁. Из двух лучей, образующихся в нижней части призмы, только один проникает во вторую половину призмы, а из нее в воздух; другой же луч отражается в сторону на пределе между обеими половинами. Если две призмы совершенно одинаково расположены, т. е. так, чтобы их одинаковые части находились с одной и той же стороны (обе правые, по чертежу, — справа, обе левые — слева и т. д.), то поляризованный луч света E, вышедший из призмы N₁, попадает на вторую призму N₂ и проходит через нее. Если же призму N₂ (на которой предполагаем отметку, в виде черты) поворачивать на вертикальной линии, как на оси, то луч E разделяется на два, из которых только один проходит через N₂, постепенно ослабевая при дальнейшем поворачивании призмы и вовсе исчезая при повороте ее на прямой угол. Расположить призмы Николя таким образом называется, для краткости, установить их на темноту. На черт. 3 пунктирная линия MN пусть обозначает горизонтальный след плоскости поляризации луча E, вышедшего из призмы N₂, а сплошная линия PR обозначает положение отметки этой самой призмы, когда прибор установлен на темноту. Положим еще, что линии MN и PR взаимно перпендикулярны; при всяком небольшом поворачивании призмы N₂ отметка PR не будет составлять прямого угла с MN и через призму N₂, будет проходить свет.

Черт. 3.

Если, после установки призм на темноту, поместить между ними кусок горного хрусталя, отшлифованный соответственным образом (перпендикулярно оси), то в призме N₂ опять появится свет. Поворачиванием призмы N₂ около вертикальной линии, как на оси, можно вторично погасить свет; пусть при этом отметка PR примет положение P₁R₁. Так как плоскость поляризации при установке призм на темноту должна быть перпендикулярна к отметке призмы N₂, то, значит, эта плоскость приняла направление М₁N₁, составляющее прямой угол с P₁R₁. Поэтому-то описанное явление называется вращением плоскости поляризации; горный хрусталь повернул плоскость поляризации. Показанное на чертеже вращение произошло по направлению движения часовой стрелки или слева через верх направо. Некоторые кристаллы кварца вращают плоскость поляризации вправо и называются правовращающими или правыми; другие вращают влево и называются левовращающими или левыми. Перемена в положении плоскости поляризации сопровождается такой же переменой в положении плоскости колебания эфирных частиц, но так, что направление луча остается неизменным; следовательно, сущность явления заключается в угловом перемещении линии, по направлению которой происходит колебание эфирной частицы. Рассматриваемое здесь явление открыто французским физиком Ф. Араго (1811), а после него Био доказал, что угол В. плоскости поляризации пропорционален толщине кварцевой пластинки. Позднейшие исследователи подтвердили верность этого закона (Видеман, Брош). Пластинка толщиной в 1 мм вращает плоскость поляризации красного спектрального луча (линия B) на 15°30', а при двойной толщине — на 31°. Вращение плоскости поляризации тем больше, чем значительнее показатель преломления луча: фиолетовый спектральный луч (линия G) претерпевает вращение в 42°20' в кварцевой пластинке, толщиною в 1 мм. Био заключил из своих опытов, что величина вращения различных лучей пропорциональна квадратам показателей преломления, но более точные измерения показали, что она возрастает в быстрейшем отношении; если бы второе положение Био было верно, то вместо вышеприведенной величины 42°20 ' (Брош) должно бы получиться только 38°27'. Неодинаковая величина вращения плоскости поляризации для лучей разной преломляемости или разного цвета объясняет особенности явления, обнаруживающегося при поляризованном белом свете между николевыми призмами, поставленными на темноту. Когда кварц будет помещен между ними, то появляется окрашенный свет, который не может быть уничтожен вращением николевой призмы; такое вращение производит только изменение цвета. При всяком положении призмы уничтожаются лучи только определенной преломляемости, а другие только более или менее ослабляются, а так как белый свет состоит из множества лучей разного цвета и разной преломляемости, то в результате из николевой призмы (анализатора) всегда выходят какие-нибудь лучи, которые, слагаясь, производят всегда впечатление цветного света. Вращение плоскости поляризации замечено еще в кристаллах сернокислого стрихнина, киновари, уксуснокислого натра (кристаллы последнего принадлежат к правильной системе) и др. Если свет проходит через несколько пластинок, наложенных одна на другую, то плоскость поляризации поворачивается на сумму отдельных вращений в случае, если все они вращают в одну сторону; но если пластинки вращают в разные стороны, то плоскость поляризации луча, через них проходящего, поворачивается на разность отдельных вращений (Био). Поэтому две пластинки, вращающие одинаково сильно, но в разные стороны, будучи положены одна на другую, вовсе не вращают плоскость поляризации луча, через них пропущенного.

Прибор, состоящий из двух николевых призм с приспособлениями для вращения одной из них или обеих, называется поляризационным прибором. Одна призма обращает падающий на нее естественный свет в поляризованный, другая служит для исследования поляризованного луча. Первая называется поляризатором, вторая — анализатором. Другие поляризационные приборы — см. Поляризация света.

Кристаллы, способные вращать плоскость поляризации, суть одноосные; они должны быть отшлифованы перпендикулярно оси, т. е. через них должен проходить луч параллельно их оси — в других направлениях луча явление вращения не происходит. Кристаллический сахар (кристалл двуосный), отшлифованный перпендикулярно оси, вращает весьма слабо; раствор его обладает вращательной способностью, впрочем, значительно слабейшей, чем кварц [Удобство употребления растворов, хотя бы и слабо вращающих, заключается в возможности брать слои большой толщины.]. Раствор камфары виннокаменной кислоты в воде, винном спирте, древесном спирте, растворы сернокислого хинина, стрихнина и вообще многие растворы обладают вращательной способностью. Угол вращения растворов пропорционален количеству твердого вещества, содержащегося в растворе (Био). На этом законе основано устройство сахариметров (сахаромеров), употребляемых в технике для определения количества сахара в растворе; впрочем, этот закон не вполне точен. Подобный же прибор употребляется в медицине при исследованиях болезни, называемой сахарной (diabetes mellitus). Кроме растворов, есть жидкости, как, например, скипидар, лимонное масло, обладающие вращательной способностью; пары скипидара также вращают плоскость поляризации. Угол вращения скипидаром с лишком в 60 раз (это число с точностью не известно) меньше угла вращения кварцем при одинаковой толщине слоя, проходимого лучом; вращение лимонной кислоты в 42 раза слабее, чем кварца. Жидкости наливаются в трубочки со стеклянными донышками, а трубочки ставятся вертикально; лимонное масло в столбике, высотой 42 мм, вращает на такой же угол, как кварц, толщиной только в 1 мм. Возвышение температуры одних тел увеличивает их вращательную способность (например, в кварце и растворе сернокислого хинина в подкисленной воде), а в других остается без влияния: например, скипидар замороженный и жидкий вращают в одинаковой степени плоскость поляризации. Кристаллы кварца суть двупреломляющие, скипидар тоже обладает этой особенностью (Френель). Два луча, на которые распадается в кварце луч, прямолинейно поляризованный, сами поляризованы по кругу, т. е. в них частицы эфира имеют круговые движения, противоположные в обоих лучах; притом эти лучи проходят в кварце с неодинаковой скоростью. При выходе из кристалла эти два луча слагаются опять в один прямолинейно поляризованный, но с повернутой против прежнего плоскостью поляризации (см. Поляризация света). Ближайших сведений относительно внутреннего строения тел, обладающих вращательной способностью, наука не имеет. О влиянии химического состава тел на эту способность см. Вращательная способность.

Вращение плоскости поляризации магнитное. Прозрачные тела, не вращающие плоскости поляризации, могут приобрести эту способность, будучи намагничены (Фарадей). Способность эта сильно обнаруживается в фарадеевском тяжелом стекле (в состав которого входит борнокислый свинец), когда оно находится между оконечностями очень сильного электромагнита или, как говорится, в магнитном поле сильной напряженности. Для этой цели употребляются электромагниты (см. это слово) с просверленными наконечниками, в которых помещаются николевы призмы; между наконечниками, а следовательно, и николевыми призмами, помещают испытываемое прозрачное тело, обделанное в форме параллелепипеда, имеющего около 2-3 см длины. Наблюдения производились подобным образом, как было описано выше (черт. 2), т. е. в самом начале николевы призмы устанавливают на темноту. Когда по проволокам электромагнита будет пропущен соответственной силы гальванический ток, то замечается появление света в николевой призме, служащей анализатором; с прекращением тока и магнетизма исчезает и свет. Вращая призму — анализатор, можно определить угол вращения плоскости поляризации. Из этих явлений выводят заключение, что частичное строение (т. е. их расположение) прозрачного тела, находящегося в намагниченном состоянии, как бы уподобляется строению кварца и других вращающих тел. Сероуглерод (жидкость) вращает почти так же сильно, как фарадеевское стекло, вода — почти вчетверо слабее. Кварц и некоторые другие кристаллические тела только в слабой степени подвержены магнитному вращению плоскости поляризации. Аморфные тела, например 200 сортов стекол, исследованных Маттисеном, чувствительнее к действию на них магнетизма в этом отношении. Сильное сжатие тел противодействует проявлению этого свойства. Направление магнитного вращения плоскости поляризации для некоторых тел одинаково с направлением движения тока в катушках электромагнита (см. Электромагнит Румкорфа), а в других, противоположно ему. К первым относятся стекла, сероуглерод, вода, спирт, эфир, растворы солей никеля, кобальта и др., ко вторым — растворы солей железа, титана, лантана и др. Одни из этих тел притягиваются к магниту (парамагнитны), другие — отталкиваются (диамагнитны), но это не находится в связи с вращательной способностью. Существенно заметить, что кристалл, сам по себе обладающий способностью В. плоскости поляризации, вращает ее, например, всегда вправо, а другой влево относительно наблюдателя, будет ли он смотреть по оси кристалла от плоскости A к плоскости B или обратно. Магнитное же вращение совершается абсолютно в одну сторону, но в разные стороны относительно наблюдателя, в зависимости от того, смотрит ли он от A к B или обратно.

Ф. Петрушевский.