Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Способ, которым свет проходит сквозь прозрачное вещество, в таком случае зависит от того, как сформировано это вещество из атомов — другими словами, как ориентированы промежутки между атомами. В большинстве случаев атомы сгруппированы так, что световые волны с любой ориентацией могут без труда проходить сквозь вещество. Свет входит неполяризованным и выходит наружу неполяризованным. Что же касается исландского шпата, с ним все не так: сквозь него могут проходить только четко вертикально и горизонтально колеблющиеся волны, причем одни из них — с большим трудом, следовательно, сильнее замедляются и сильнее преломляются. В результате из кристалла выходят два луча: один — состоящий только из вертикально колеблющихся волн, а другой — только из горизонтально колеблющихся. Оба луча представляют собой поляризованный свет. Поскольку колебания световых волн в каждом луче происходят только в одной плоскости, такой свет более точно можно назвать плоскополяризованным.

В 1828 году британский физик Уильям Николь (1768–1851) создал устройство, где использовались различные направления, в которых двигались эти плоскополяризованные лучи внутри кристалла исландского шпата. Он начал с ромбоэдрического кристалла вещества (все грани которого имели форму параллелограмма) и разрезал его по диагонали. Две половинки были вновь склеены канадским бальзамом (смолой дерева, именуемого бальзамической пихтой).

Лучи света, попадавшие в кристалл, расщеплялись на два плоскополяризованных луча, движущиеся в несколько различных направлениях. Один луч попадал в слой канадского бальзама под таким углом, что отражался полностью. Отраженный луч попадал на окрашенную часть призмы и поглощался. Второй луч, попадая в слой канадского бальзама под несколько другим углом, передавался, проходил во вторую половину кристалла и вновь попадал в открытый воздух.

Исходящий из такой призмы (призмы Николя) свет состоял из одного плоскополяризованного луча, представлявшего примерно половину яркости изначального света.

Предположим, что свет, проходящий через призму Николя, пропускают через вторую призму Николя. Если вторая призма сориентирована так же, как первая, то свет пройдет сквозь нее беспрепятственно. (Как если веревку, по которой пустили волну вверх-вниз, пропустить сначала через одну изгородь, потом через вторую. Ни одна, ни другая не помешает колебаниям.)

Но предположим, что вторую призму Николя повернули под небольшим углом. Поляризованный свет, исходя из первой призмы, не может с полной силой пройти через вторую. Происходит небольшая потеря (как будет и с колебаниями веревки, если жерди второй изгороди будут немного наклонены диагонально).

Количество света, которое пройдет через вторую призму, будет уменьшаться по мере того, как будет возрастать угол ее вращения. Когда, наконец, он дойдет до 90°, свет вообще не будет проходить.

Таким образом, вторую призму можно использовать для точного определения плоскости, по которой поляризован свет, исходящий из первой призмы. Вращая вторую призму и отмечая положение, при котором видимый свет имеет максимальную яркость, можно обнаружить плоскость поляризации. Если света вообще не видно, то плоскость второй призмы находится под прямым углом к плоскости поляризации.

Поскольку трудно с точностью судить о максимуме или минимуме яркости, вторую призму можно сделать таким образом, чтобы она состояла как бы из двух призм под небольшим углом друг к другу. Если одна выровнена верно, другая будет слегка отклонена. Таким образом, глядя в окуляр, можно будет увидеть, что одна половина отчетливо ярче другой. Настраивая выравнивание таким образом, чтобы обе половины имели одинаковую яркость, можно найти плоскость поляризации.

Первая призма является инструментом, который производит поляризованный свет, — поляризатором. Вторая, определяющая плоскость поляризации, — анализатор. Весь прибор в целом — полярископ.

Еще до того, как была изобретена призма Николя, французский физик Жан Батист Био (1774–1862) в 1815 году обнаружил, что, когда поляризованный свет двигается через растворы некоторых веществ или некоторые прозрачные кристаллы, его плоскость поляризации сдвигается.

Предположим, например, что между двумя призмами полярископа находится цилиндрический сосуд, содержащий воздух, и что призмы выровнены в том же направлении. Если в сосуд налить воды, ничего не происходит; две половинки поля, видимого в окуляр, остаются одинаково яркими. Плоскость поляризации света не изменилась, пройдя сквозь воду. Если вместо чистой воды в сосуд поместить раствор сахара, то две половинки, видимые в окуляр, будут иметь различную яркость. Чтобы они вновь стали одинаково яркими, анализатор придется повернуть на определенный угол. Этот угол покажет, насколько раствор сахара повернет плоскость поляризации света.

Размер этого угла зависит от различных факторов: от концентрации раствора и природы растворенного вещества; от расстояния, проходимого светом в этом растворе; от длины волны света; от температуры раствора. Если стандартизировать эти факторы и посмотреть или подсчитать, какой угол вращения будет иметь свете длиной волны, которую производит натриевая лампа, проходя один дециметр раствора, содержащего 1 г/см 3при температуре 20 C°, то мы получим удельное вращение.

Значение удельного вращения характеризует любую прозрачную систему. Для многих систем оно равно 0°, то есть плоскость поляризованного света вообще не поворачивается. Такие системы называются оптически неактивными. Системы, которые поворачивают плоскость поляризованного света, называются оптически активными.

Некоторые оптически активные системы вращают плоскость поляризованного света по часовой стрелке. Это описывается как правостороннее вращение, и такие системы — правосторонние. Другие же вращают свет против часовой стрелки и являются левосторонними.

В 1848 году французский химик Луи Пастер (1822–1895) смог продемонстрировать, что оптическая активность прозрачных кристаллов зависит от асимметричности таких кристаллов. Далее, если таким асимметричным кристаллам придать форму двух зеркал, одно будет правосторонним, а другое — левосторонним. Тот факт, что определенные растворы также были оптически активными, не позволял предположить, что асимметрия должна присутствовать в самих молекулах этих веществ. В 1974 году голландский физик и химик Якоб Ван Гофф (1852–1911) представил теорию молекулярной структуры, которая рассчитывала такую асимметрию в оптически активных средах. Обсуждение этого, однако, более уместно в учебнике химии, и я не буду здесь углубляться в эту тему.