Взаимодействие световой волны с веществом может быть различным в зависимости от её поляризации. Вещества, обладающие способностью вращать плоскость поляризации, называют оптически естественно-активными. Известно, например, что после прохождения плоско поляризованного света через раствор сахара свет остается плоско поляризованным, но плоскость поляризации (плоскость колебаний вектора 
) поворачивается на некоторый угол (явление вращения плоскости поляризации). Молекулы сахара имеют левую винтовую структуру. В зависимости от того, является ли световая волна поляризованной по правому или левому кругу, винтообразный характер вращения вектора 
совпадает с молекулярной винтовой структурой или противоположен ей. Вполне естественно, что в этих двух случаях взаимодействие волн с молекулами будет различным. Поэтому в растворе сахара волны с правой и левой круговой поляризацией будут распространяться с разными фазовыми скоростями: 
и 
. В этом случае оказываются разными показатели преломления 
и 
и разными коэффициенты поглощения для правой и левой поляризаций.
Пусть падающая волна 
имеет линейную поляризацию и распространяется вдоль оси 
. Такую волну можно разложить на две волны с правой и левой круговой поляризацией и одинаковыми амплитудами: 
. На входе в слой оптически активного вещества (фиксированная плоскость 
) вектор 
вращается по часовой стрелке, а вектор 
- против часовой стрелки с одинаковой частотой 
(рис.2а) так, что 
в плоскости 
. В любой момент времени сумма векторов 
и 
дает вектор 
, который совершает колебания в плоскости 
.
Рис.2. К повороту плоскости поляризации на угол  .
|
Запишем фазовые углы для волн с правой и левой круговой поляризацией в фиксированной плоскости
внутри активной среды:
, 
.
Разность фаз 
равна
Предположим, что 
, 
. Так как волна с левой круговой поляризацией распространяется с меньшей скоростью, то до рассматриваемой плоскости 
она дойдет с отставанием по фазе на величину 
по сравнению с волной, поляризованной по правому кругу. Вектор 
повернется в плоскости 
на угол 
, который больше, чем угол 
(рис.2б). Колебания вектора 
суммарной волны будут происходить в плоскости 
, которая повернулась вправо на угол 
относительно плоскости 
так, что
или 
На выходе из слоя толщиной 
оптически активного вещества плоскость поляризации повернется на угол
,
где 
- длина волны в вакууме.
Явление вращения плоскости поляризации наблюдается во многих веществах (твердых, жидких, газообразных). Многие оптически активные вещества существуют в виде двух модификаций (разновидностях): одни из них вращают плоскость поляризации линейно поляризованной волны вправо (при наблюдении навстречу волне), для них 
, 
, другие вращают влево, для них 
, 
.
Жидкие растворы активных веществ содержат асимметричные молекулы с пространственной структурой, не имеющей ни центра симметрии, ни плоскости симметрии. Зеркальное изображение такой молекулы никаким перемещением (поворотом) нельзя совместить с исходной молекулой. Наиболее простая модель такой молекулы – отрезок спирали. Зеркальное изображение левой спирали – правая спираль, никаким поворотом изображение нельзя превратить в левую спираль.
| Рис.3. Кристаллы правого и левого кварца.
|
Классическим примером оптически активного твердого вещества является кристаллический кварц (химическое обозначение
). В природе существуют две модификации кварца, имеющие зеркально-симметричную форму кристаллов (рис.3). Одни из них вращают плоскость поляризации вправо, другие вращают влево. Зеркально-симметричные внешние формы кристаллов на рис.3 обусловлены атомным строением элементарных ячеек кристаллической решетки, состоящей из атомов кремния и кислорода.
Плавленое (аморфное) кварцевое стекло не вращает плоскость поляризации.
Угол 
, на который поворачивается плоскость поляризации в кварце, вправо или влево в зависимости от модификации, пропорционален длине пути 
, проходимого в нем света:
,
где 
- постоянная вращения, которая зависит от длины волны 
монохроматического света (вращательная дисперсия) и температуры. Для длины пути света в кварце 
и температуры 
изменение 
с изменением 
иллюстрируется данными в таблице 1. Зависимость 
от температуры незначительна. Так, например, для 
нм повышение температуры на 1 K приводит к увеличению 
на угол 
.
Таблица 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 16,6
| 17,3
| 21,7
| 28,6
| 30,8
| 32,8
| 39,2
| 41,9
| 48,9
| 114,5
|
|
