Fenomenul de polarizare rotatorie

Fenomenul de polarizare rotatorie

Dispozitivul experimental utilizat pentru evidentierea si studiul fenomenului de polarizare rotatorie consta dintr-o sursa S de lumina (in cazul general, radiatie electromagnetica) monocromatica, blocul optic convergent B utilizat pentru obtinerea unui fascicul luminos paralel F, nicolul polarizor P care produce lumina total-polarizata, cu oscilatiile campului electric paralele cu planul principal al polarizorului (care coincide in figura 3.8.1 cu planul foii de hartie), lama "optic activa" L (care prezinta - datorita anizotropiei la oglindire a structurii moleculare sau cristaline a materialului din care este confectionata - anizotropie la oglindirea in plane paralele cu directia fasciculului luminos F), nicolul analizor A al carui plan principal (hasurat in figura 3.8.1) se poate roti, ramanand insa paralel cu directia fasciculului luminos P si luneta de observatie L_obs.

Fig. 3.8.1

Dupa cum este cunoscut, in cazul in care planele principale ale celor doi nicoli sunt perpendiculare (nicolii sunt "incrucisati"), iar lama L lipseste, dupa analizor se produce intuneric (nicolii sunt asezati la "extinctie"). Ca si in cazul polarizarii eliptice, introducerea intre cei 2 nicoli a lamei "optic active" L va determina aparitia luminii dupa nicolul analizor (ramas cu planul principal perpendicular pe cel al polarizorului). Spre deosebire insa de fenomenele polarizarii eliptice, in care caz oricum am roti nicolul-analizor lumina persista in spatele acestuia (dupa analizor), in cazul introducerii intre cei doi nicoli a unei lame "optic active" (deci al fenomenului de polarizare rotatorie), prin rotirea analizorului - din pozitia ortogonala pe planul principal al polarizorului - de un anumit unghiu Δθ, se reobtine extinctia (intuneric dupa analizor). Aceasta constatare experimentala arata ca lumina emergenta din lama optic-activa este tot total-plan polarizata, insa cu planul de oscilatie (a intensitatii campului electric E) rotit cu unghiul Δθ fata de planul de oscilatie al luminii emergente din polarizor.

Pentru explicarea fenomenului de polarizare rotatorie, vom tine seama ca - datorita anizotropiei la oglindire a lamei optic active - vitezele de propagare in aceasta lama a fazei undelor electromagnetice polarizate circular stanga, respectiv dreapta, vor fi diferite. In scopul descrierii starilor de polarizare ale undelor electromagnetice care strabat lama optic activa L, vom folosi metoda Fresnel a descrierii oscilatiilor in planul complex (x, iy). In aceasta descriere, intensitatii campului electric al undei incidente pe lama la momentul t ii va corespunde numarul complex (fazorul) .

Tinand seama de formulele lui Euler (aici, de relatia: ), gasim: ,

primul termen din dreapta corespunzand undei total-circular stanga polarizata, iar cel de al doilea termen - undei total - circular dreapta polarizata (v. si figura 3.8.2). Deoarece vitezele propagarii fazei undelor polarizate total circular stanga (v_s), respectiv dreapta (v_d), in lama optic activa L, sunt diferite (v_s ≠ v_d), momentele intrarii in lama a oscilatiilor electromagnetice circular stanga polarizate (), respectiv circular - dreapta polarizate (), emergente din lama L (de grosime g) la momentul t, sunt de asemenea diferite.

Fig. 3.8.2

Avand in vedere expresiile deduse mai sus ale fazorilor care descriu oscilatiile electromagnetice circular - stanga, respectiv dreapta polarizate, la intrarea in lama si neglijand atenuarile acestor oscilatii in lama optic activa L, obtinem expresia fazoruluii care descrie intensitatea campului electric al undei electromagnetice emergente din lama L la momentul t:

,

unde E_oL este fazorul amplitudinii oscilatiilor intensitatii campului electric al undei emergente din lama L,avand expresia:, unde E_oP este fazorul amplitudinii intensitatii campului electric al undei (total-plan polarizate) emergenta din polarizor (si incidenta pe lama optic-activa), λ_o este lungimea de unda in vid a radiatiei monocromatice, iar n_d si n_s sunt indicii de refractie ai componentelor circular - dreapta, respectiv stanga polarizate. Constatam astfel ca radiatia electromagnetica emergenta din lama optic activa L este de asemenea total-plan polarizata, insa cu planul de oscilatie (al intensitatii campului electric al undei electromagnetice) rotit fata de planul de oscilatie al undei incidente pe lama optic-activa L cu unghiul: , unde este birefringenta rotatorie a materialului lamei L.

In cazul in care anizotropia la oglindire a unui material optic-activ este datorata anizotropiei structurii moleculare a substantei optic-active (spre exemplu, zaharuri) dizolvate intr-un anumit solvent, valoarea birefringentei rotatorii a solutiei optic-active este proportionala cu concentratia "c" a substantei optic-active in solutie. Rezulta astfel, posibilitatea determinarii concentratiei unor substante optic-active in solutii, pornind de la valoarea birefringentei rotatorii a solutiei, calculata in baza valorii masurate a unghiului Δθ de rotatie a planului de oscilatie (prin fenomenul de polarizare rotatorie); asemenea determinari pot prezenta un interes tehnic considerabil (in particular, determinarea concentratiei zaharului in anumite solutii). De asemenea, datorita faptului ca valorile birefringentei rotatorii sunt specifice diferitelor substante, studiul polarizarii rotatorii produse de compusii optic-activi a devenit o metoda importanta (ORD = optical rotation dispersion) de analiza chimica (atat calitativa, cat si - dupa cum am vazut mai sus, in unele cazuri - cantitativa).