Что такое вращение плоскости поляризации

Вращение плоскости поляризации

Вращение плоскости поляризации поперечной волны — физическое явление, заключающееся в повороте поляризационного вектора линейно-поляризованной поперечной волны вокруг её волнового вектора при прохождении волны через анизотропную среду. Волна может быть электромагнитной, акустической, гравитационной и т. д.

Линейно-поляризованная поперечная волна может быть описана как суперпозиция двух циркулярно поляризованных волн с одинаковым волновым вектором и амплитудой. В изотропной среде проекции полевого вектора этих двух волн на плоскость поляризации колеблются синфазно, их сумма равна полевому вектору суммарной линейно-поляризованной волны. Если фазовая скорость циркулярно поляризованных волн в среде различна (циркулярная анизотропия среды, см. также Двойное лучепреломление), то одна из волн отстаёт от другой, что приводит к появлению разности фаз между колебаниями указанных проекций на выбранную плоскость. Эта разность фаз изменяется при распространении волны (в однородной среде — линейно растёт). Если повернуть плоскость поляризации вокруг волнового вектора на угол, равный половине разности фаз, то колебания проекций полевых векторов на неё будут вновь синфазны — повёрнутая плоскость будет плоскостью поляризации в данный момент.

Таким образом, непосредственной причиной поворота плоскости поляризации является набег разности фаз между циркулярно поляризованными составляющими линейно-поляризованной волны при её распространении в циркулярно-анизотропной среде. Для электромагнитных колебаний такая среда называется оптически активной (или гиротропной), для упругих поперечных волн — акустически активной. Известен также поворот плоскости поляризации при отражении от анизотропной среды (см., например, магнитооптический эффект Керра).

Циркулярная анизотропия среды (и, соответственно, поворот плоскости поляризации распространяющейся в ней волны) может зависеть от наложенных на среду внешних полей (электрического, магнитного) и от механических напряжений (см. Фотоупругость). Кроме того, степень анизотропии и набег фаз, вообще говоря, могут зависеть от длины волны (дисперсия). Угол поворота плоскости поляризации линейно зависит при прочих равных условиях от длины пробега волны в активной среде. Оптически активная среда, состоящая из смеси активных и неактивных молекул, поворачивает плоскость поляризации пропорционально концентрации оптически активного вещества, на чём основан поляриметрический метод измерения концентрации таких веществ в растворах; коэффициент пропорциональности, связывающий поворот плоскости поляризации с длиной луча и концентрацией вещества, называется удельным вращением данного вещества.

В случае акустических колебаний поворот плоскости поляризации наблюдается лишь для поперечных упругих волн (так как для продольных волн плоскость поляризации не определена) и, следовательно, может происходить лишь в твёрдых телах, но не в жидкостях или газах.

Содержание

Использование

Эффект вращения плоскости поляризации света используется

См. также

Примечания

Литература

Источник

Вращение плоскости поляризации

Вы будете перенаправлены на Автор24

Вращение плоскости поляризации представляет собой явление, демонстрирующее способность некоторых веществ в условиях отсутствия внешнего воздействия к вращению плоскости поляризации. Такие вещества (например, кварц, скипидар, водный раствор сахара и пр.) будут называться оптически активными.

Рисунок 1. Вращение плоскости поляризации. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Вращение плоскости поляризации для поперечной волны

Явление вращения плоскости поляризации (для поперечной волны) заключается в действии поляризационного вектора линейно-поляризованной поперечной волны (повороте) вокруг ее волнового вектора (в условиях прохождения волны сквозь анизотропную среду). При этом волна может быть:

Линейно-поляризованную поперечную волну можно при этом описать в виде суперпозиции двух циркулярно поляризованных волн, обладающих амплитудой и равнозначным волновым вектором. В рамках изотропной среды проекции полевого вектора таких волн на плоскость поляризации будут совершать колебательные движения синфазно, а их сумма при этом равнозначна полевому вектору суммированной линейно-поляризованной волны.

В условиях различия фазовой скорости циркулярно поляризованных волн в среде, одна из них будет отставать от другой, что спровоцирует разность фаз между колебаниями проекций на выбранную плоскость. Такая разность фаз начнет изменяться при распространении волны (линейно расти в однородной среде).

Готовые работы на аналогичную тему

При повороте плоскости поляризации (по окружности волнового вектора) угол, который равен половине разности фаз, колебания спроектированных на нее полевых векторов снова окажутся синфазными. В этот момент повернутая плоскость превратится в плоскость поляризации.

Причина поворота плоскости поляризации кроется в набеге разности фаз, возникающей между циркулярно поляризованными составляющими линейно-поляризованной волны в условиях ее распространения в циркулярно-анизотропной среде. Подобная среда (для электромагнитных колебаний) оптически активная (гиротропная). При этом для упругих поперечных волн – она акустически активная.

Циркулярная анизотропия среды может зависеть от внешних полей, которые наложены на среду (речь идет об электрическом и магнитном) и от механических напряжений (эффект фотоупругости). Степень анизотропии может быть зависимой от длины волны (явление дисперсии).

Оптически активная среда (из смеси неактивных и активных молекул) вращает плоскость поляризации пропорционально (относительно концентрации оптически активного вещества). На этом базируется поляриметрический метод измерения степени концентрации подобных веществ в растворах.

При акустических колебаниях поворот плоскости поляризации можно наблюдать исключительно для поперечных упругих волн (из-за неопределенности плоскости поляризации для продольных волн). Это делает такое явление доступным только для твердых тел и исключает такую возможность для газов или жидкостей (по причине отсутствия поперечной составляющей).

Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами

Из электромагнитной теории света следует, что плоские световые волны поперечны. Электромагнитная волна с упорядоченными каким-либо образом направлениями колебаний электрического и магнитного векторов является поляризованной.

Излучение, состоящее из множества атомов светящегося тела, представляет собой явление суперпозиции излучений отдельных атомов (излучения атомов при этом спонтанны и независимы друг от друга, что провоцирует беспорядочное изменение направления светового вектора в точке, которая рассматривается).

Световая волна с хаотичным изменением направления светового вектора (в условиях равной вероятности для него всех направлений колебаний в перпендикулярной лучу плоскости) будет называться естественным (неполяризованным) светом.

Согласно такому определению, естественный свет в произвольной точке будет рассматриваться в качестве суперпозиции некогерентных взаимно перпендикулярных колебаний напряженности равно амплитудных магнитного и электрического полей. Частичная поляризация света наблюдается при различии амплитуд данных колебаний.

Явление вращения плоскости поляризации в природе

Вращение плоскости поляризации применяют в следующих оптических приборах:

Определенные оптически активные вещества способны к вращению плоскости поляризации. Каждое оптически активное в жидком состоянии вещество способно не терять такое свойство и в кристаллическом состоянии. При этом активность веществ в кристаллическом состоянии не всегда переходит в активность в жидком (пример с расплавленным кварцем). Таким образом, оптическая активность обусловлена не просто строением молекул вещества (их асимметрия), но и особенностями размещения частиц в кристаллической решетке.

Оптически активные вещества существуют в природе в виде право- и левовращающих, что будет зависеть от направления вращения поляризационной плоскости. В первом случае, например, плоскость поляризации (при взгляде навстречу лучу), вращается по часовой стрелке (то есть вправо), во втором случае мы наблюдаем левое вращение.

Явление вращения плоскости поляризации объяснил в своих работах ученый О. Френель (1817 г.). Согласно представленной им теории, в оптически активных веществах скорость распространяющегося света оказывается различной для поляризованных вправо и влево (по кругу) лучей. На явлении вращения плоскости поляризации базируется точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ (сахариметрия).

Источник

Вращение плоскости поляризации

Процесс вращения плоскости поляризации поперечных волн

Различают несколько классов волн: гравитационные, акустические, электромагнитные и прочие. Круговое движение плоскости поляризации в поперечной волне происходит за счет поворотного движения вектора поляризации линейно-поляризованной поперечной волны относительно ее волнового вектора в процессе их проникновения в среде со свойством анизотропии.

Линейно-поляризованные волны в подобном случае описываются явлением суперпозиции волн с циркулярной поляризацией, имеющих равные амплитудное значение и значение вектора волны. В среде со свойством изотропии проекции векторов этих волн на плоскость поляризации будут производить синфазные колебания, а сумма их значений будет равняться векторам просуммированных линейно-поляризованных волн.

Поляризационная плоскость вертится благодаря набегу различия фаз, появляющемуся между циркулярно поляризованными составными частями линейно-поляризованных волн в момент их продвижения в циркулярной среде с анизотропией. В процессе электромагнитных колебаний эта среда являет собой оптически активное пространство, еще ее называют гиротропной. В случае с упругими поперечными колебаниями эта среда являет собой акустически активное пространство.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

В процессе верчения поляризационной плоскости параллельно кругу вектора волны угол проекции колебаний полевых векторов, что равняется половине разности фаз, опять-таки станет синфазным. В подобном случае такая поворачиваемая плоскость преобразуется в поляризованную плоскость.

При разных фазовых скоростях циркулярно поляризованные волны будут отставать друг от друга, следствием чего будет наблюдаться отличие между проекциями их колебаний на плоскую поверхность. Это отличие будет постоянно меняться с продвижением волн (для однородной среды оно будет расти линейно).

В среде, которая оптически активна и состоит из различных по активности молекул, поляризационная плоскость вращается пропорционально, в соответствии с плотностью этой субстанции. Эта зависимость лежит в основе поляриметрического метода определения степени концентрации таких субстанций в растворах.

В случае с акустическими волнами верчение поляризационной плоскости происходит лишь в упругих поперечных волнах из-за неопределенного состояния поляризационной плоскости в продольных волнах. Поэтому подобное явление может иметь место только в кристаллических агрегатных состояниях субстанций, так как в газообразном и жидком агрегатном состоянии нет поперечных составляющих.

Эффектом фотоупругости называется процесс, в котором циркулярная анизотропия зависима от магнитного и электрического полей, воздействующих на вещество снаружи, а также от механического воздействия. Часто наблюдается эффект дисперсии, что показывает зависимость между величиной анизотропии и длинной волны.

Процесс вращения плоскости поляризации в средах с оптической активностью

Понятие суперпозиции свечения атомов являет собой излучение, что состоит из немереного количества атомов, что светятся. Эти излучения являются спонтанными, они не зависят один от другого, и это является причиной того, что направление вектора света хаотично изменяется.

Опираясь на вышесказанное, можно утверждать, что неполяризованный свет в любой точке будет находиться в суперпозиции некогерентных перпендикулярных друг другу колебательных волн напряженностей равных амплитудам магнитных и электрических полей. Если амплитуды этих колебаний различны, то будет происходить эффект частичной поляризации световых волн.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Вращающаяся поляризационная плоскость в природе

Понятие вращающейся поляризационной плоскости используют в некоторых устройствах, например, в модуляторах или оптических затворах.

Часть оптически активных субстанций имеют способность вертеть поляризационную плоскость.

Если вещество имеет такую способность в жидком агрегатном состоянии, оно сохраняет эту способность и в твердом агрегатном состоянии. Хотя, имея это свойство, твердые тела могут лишаться его при переходе в жидкость (например, расплавленный кварц). То есть оптическая активность зависит не исключительно от асимметрии молекулярной структуры субстанции, но и от характеристик его кристаллических решеток.

Процесс верчения поляризованных плоскостей изучал еще в 1817 году в своих работах ученый О. Френель. В его работах говорится о том, что скорость движения волны свет в оптически активной среде отличается для поляризованных по окружности влево и вправо пучков света. Метод измерения концентраций растворов оптически активных субстанций опирается на процесс верчения поляризационных плоскостей. Этот метод считается очень точным и называется сахариметрией.

Позже М Фарадеем была установлена зависимость между оптическим и электромагнитным явлениями. Он обнаружил верчение поляризационных плоскостей для оптически неактивных сред, возникающее при влиянии магнитного поля. Это явление позже получило название эффекта Фарадея.

Источник

8.3. Вращение плоскости поляризации

Следствием теории Максвелла является поперечность электромагнитных волн (ЭМВ): векторы напряженности электрического и магнитного полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно волновому вектору (направлению волны). Поперечность ЭМВ лишает волну осевой симметрии относительно направления ее распространения из-за наличия выделенных направлений (векторы и ) в плоскости, перпендикулярной направлению волнового вектора (поперечная анизотропия). Т. е. свойства ЭМВ зависят от ориентировки векторов и , характеризуемой понятием поляризации. Для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение одного из указанных векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора напряженности электрического поля, направление которого при действии света на вещество в нерелятивистском приближении определяет направление силы, действующей на заряженные частицы (например, электроны в атомах вещества) в поле световой волны.

Если проекция траектории конца вектора на плоскость, перпендикулярную лучу, представляет собой отрезок прямой линии, то свет называют Линейно поляризованным или Плоскополяризованным. Плоскость, проходящая через направление колебаний электрического вектора линейно поляризованной световой волны и направление распространения этой волны, называется Плоскостью поляризации.

Вращение плоскости поляризации кристаллическими и некристаллическими телами

В некоторых случаях распространение линейно поляризованного света в веществе сопровождается поворотом направления поляризации вокруг оси пучка. Это явление называют Естественным вращением плоскости поляризации или Естественной оптической активностью. Вещества, обладающие свойством вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света, называют Оптически активными.

Естественная активность была открыта французским физиком Д. Ф. Араго в 1811 г. для кристаллов кварца. В 1815 г. французский ученый Ж. Б. Био открыл оптическую активность чистых жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров многих, главным образом органических веществ. Теперь известно много естественно активных веществ, хотя у большинства из них это явление выражено очень слабо.

К числу оптически активных веществ принадлежат двояко преломляющие кристаллы (кварц, исландский шпат CaCO3, киноварь HgS и др.), причем сильнее всего они вращают плоскость поляризации, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Кристалл в этом случае ведет себя как изотропное тело. (Обычного (линейного) двойного лучепреломления с пространственным разделением двух лучей не происходит.)

В оптически активных Кристаллах и чистых жидкостях угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине D проходимого светом слоя оптически активного вещества:

. (1)

Коэффициент a, численно равный углу поворота плоскости поляризации света слоем вещества единичной толщины, является мерой оптической активности вещества и называется Постоянной вращения (Вращательной способностью). Он зависит от природы вещества, длины волны света (вращательная дисперсия) и температуры и не зависит от интенсивности света. Био определил, что вращение a увеличивается с уменьшением длины волны света, причем приближенно a

1/l2. В области прозрачности и малого поглощения с опытом хорошо согласуется формула Друде: , где Bi — некоторые постоянные, характеризующие вещество, lI – длины волн, соответствующие собственным частотам рассматриваемого вещества (длины волн полос поглощения вещества).

Для оптически активных Растворов Согласно Закону Био (1831г.):

, (2)

Где D — расстояние, пройденное светом в растворе оптически активного вещества; C — массовая концентрация оптически активного вещества в растворе (кг/л, г/см3); [a] – Удельная постоянная вращения вещества (Удельная оптическая активность). Определяется природой вещества, сильно зависит от длины волны света (в грубом приближении вдали от полос поглощения [a] = B1/l2 + B2/l4) и слабо зависит от температуры (для большинства веществ при повышении Т на 1° [a] Уменьшается на

0,1 % ), не зависит или может незначительно довольно сложным образом зависеть от природы растворителя. Для данного растворителя (например, для слабых водных растворов веществ с плотностью ρ1кг/л) [a] растворенного вещества выражается в радианах на метр (в СИ) или в градусах на метр (концентрация в этом случае равна массовой доле C ′·оптически активного вещества в растворе: C = MВ/VР‑ра = rр‑ра×MВ/MР‑ра = C‘р-ра » С‘).

Закон Био фактически выражает пропорциональность угла поворота j числу молекул оптически активного вещества на пути светового луча. Следовательно, вращение плоскости поляризации в аморфных веществах, жидкостях и парах является молекулярным свойством.

Все кристаллические вещества, оптически активные в аморфном состоянии (расплавленные или растворенные), обладают таким же свойством и в кристаллическом состоянии (Оптически активные вещества 1-Го типа). При этом в отличие от аморфных тел постоянные вращения кристалла и его раствора (расплава) могут сильно отличаться. К таким веществам относится большое количество органических соединений (ряд кислот и эфиров, сахарá, сульфиды, селениды и др.), многие соединения металлов, металлоорганические соединения, а также некоторые жидкие кристаллы.

Однако вещества, оптически активные в кристаллическом состоянии, не всегда активны в жидком (например, расплавленные кварц, киноварь и др.) (Оптически активные вещества 2-Го типа). Следовательно, оптическая активность может быть обусловлена как молекулами вещества, так и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации разделяют на право — и левовращающие. Если смотреть навстречу распространяющемуся световому лучу, то в Правовращающих веществах плоскость поляризации будет поворачиваться по часовой стрелке (положительное вращение, a > 0), в Левовращающих – против часовой стрелки (отрицательное вращение, a Nл (ПП NП) (рассмотренный случай), а для левовращающих nл 0) считается вращение плоскости поляризации по часовой стрелке при распространении света вдоль магнитного поля, т. е. вращение происходит в ту же сторону, куда течет ток по виткам обмотки электромагнита, создающего магнитное поле. Большинство веществ характеризуется положительным вращением. В области нормальной дисперсии правовращающими (V > 0), как правило, являются диамагнитные вещества (единственное исключение – хлористый титан TiCl4), левовращающими (V > l, как это обычно и бывает. Наряду с этим существующие современные приборы для измерения углов вращения плоскости поляризации в оптической области спектра – поляриметры и спектрополяриметры (для измерения дисперсии оптической активности) – обладают чувствительностью

10 – 6 – 10 – 7 град. Это позволяет детектировать чрезвычайно малые различия показателей преломления среды для двух циркулярных поляризаций (

10 – 12). Т. е. методы, основанные на измерении естественной или индуцированной оптической активности, характеризуются очень высокой чувствительностью (в

104 раз чувствительнее самых точных интерферометрических методов) и информативностью и позволяют выявлять и исследовать тончайшие физические эффекты, приводящие к циркулярной анизотропии среды.

Оптическая активность и дисперсионные эффекты вращения плоскости поляризации широко используются в атомной физике, молекулярной физике и химии, оптике, биологии, химической физике и биофизике и др. для исследования особенностей строения вещества, пространственной структуры молекул, полимеров и биополимеров, кристаллов (в том числе жидких), симметрии кристаллов, структуры примесных центров, природы заместителей в молекулах как органических, так и комплексных неорганических соединений, симметрии ближайшего окружения молекул в жидкостях, внутри — и межмолекулярных взаимодействий.

Эффекты магнитного вращения плоскости поляризации используются также в физических исследованиях структуры (в том числе энергетической структуры электронных состояний) и магнитных свойств атомных и конденсированных сред и т. д.

Наряду с применением явления вращения плоскости поляризации в научных исследованиях, оно широко используется в технике, особенно лазерной, промышленности (например, химической, химико-фармацевтической, пищевой, нефтяной), медицине, фармакологии и т. д. Естественная оптическая активность – наиболее удобный способ идентификации изомеров. В геологии оптически активные вещества позволяют определить минералы, компоненты нефтей.

Источник

Вращение плоскости поляризации

Полезное

Смотреть что такое «Вращение плоскости поляризации» в других словарях:

Вращение плоскости поляризации — поперечной волны физическое явление, заключающееся в повороте поляризационного вектора линейно поляризованной поперечной волны вокруг её волнового вектора при прохождении волны через анизотропную среду. Волна может быть электромагнитной,… … Википедия

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ — ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ, изменение направления (плоскости) колебаний лучей поляризованного света (см. Поляризация оптическая). Этим свойством обладают: 1. Все прозрачные тела, если их поместить в магнитном поле (магнитное В. п. п.). Для… … Большая медицинская энциклопедия

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ — поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Вращение плоскости поляризации наблюдается в оптически активных веществах, а также в веществах, помещенных в магнитное поле … Большой Энциклопедический словарь

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ — света, поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через в во (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА). Наиболее простое модельное объяснение явления В. п. п. состоит в следующем. Линейно поляризованный пучок света можно… … Физическая энциклопедия

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ — изменение пл. поляризации поляризованного луча, идущего вдоль опт. оси. Кристаллическая пластинка, вырезанная перпендикулярно опт. оси у веществ, обладающих В. п. п., с поворотом столика микроскопа остается освещенной. Угол поворота пл.… … Геологическая энциклопедия

вращение плоскости поляризации — Поворот плоскости световых колебаний, зависящий от длины пути света в веществе, в котором он распространяется. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.]… … Справочник технического переводчика

вращение плоскости поляризации — поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Вращение плоскости поляризации наблюдается в оптически активных веществах, а также в веществах, помещённых в магнитное поле. * * * ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ… … Энциклопедический словарь

вращение плоскости поляризации — poliarizacijos plokštumos sukimas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Pro medžiagą einančios poliarizuotosios šviesos poliarizacijos plokštumos kampo pokytis. atitikmenys: angl. rotation of polarization plane vok. Drehung… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

вращение плоскости поляризации — poliarizacijos plokštumos sukimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Pro medžiagą einančios poliarizuotos šviesos poliarizacijos plokštumos kampo pokytis. atitikmenys: angl. rotation of polarization plane rus. вращение плоскости поляризации … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

вращение плоскости поляризации — poliarizacijos plokštumos sukimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. rotation of polarization plane vok. Drehung der Polarisationsebene, f rus. вращение плоскости поляризации, n pranc. rotation du plan de polarisation, f … Fizikos terminų žodynas

Источник