光的偏振

引入

自然光的电场方向是各向随机的，为什么透过一副墨镜（偏振片）后亮度会变暗？

为什么两片偏振片旋转到互相垂直时，光会完全被挡住？

为什么糖水和盐水看起来一样，用旋光仪却能区分？

偏振是横波独有的性质。它不改变光的频率，只筛选电场振动的方向。正因为光能偏振，才能断言光是横波，也才有了液晶显示、偏光显微镜和手性分子分析。

正文

定义

光的偏振是光波电场振动方向在空间中具有特定取向的性质。只有横波才具有偏振现象。

偏振态分类

偏振态	特征	产生方式
自然光	电场振动各向均匀分布	太阳、白炽灯
线偏振光	电场只在一个平面内振动	偏振片、反射
圆偏振光	电场矢量端点画圆	波片
椭圆偏振光	电场矢量端点画椭圆	波片、反射
部分偏振光	自然光与偏振光的混合	天空散射光

马吕斯定律

线偏振光通过偏振片后，透射光强度：

$$I=I_0{\cos }^2\theta$$

其中 $\theta$ 为入射光振动方向与偏振片透光轴的夹角。

夹角	透射强度
$0^{\circ }$	$I_0$（全透）
$45^{\circ }$	$I_0/2$
$90^{\circ }$	$0$（全挡）

自然光通过第一片偏振片后强度减半，因为自然光各方向均匀，投影到透光轴的分量平均为一半。再通过第二片时按马吕斯定律衰减。

布儒斯特角

光以特定角度入射到界面时，反射光成为完全线偏振光：

$$\tan {\theta }_B=\frac{n_2}{n_1}$$

此时反射光与折射光互相垂直。这个角度称为布儒斯特角，与折射率直接相关。

界面	布儒斯特角（约）
空气→水	$53^{\circ }$
空气→玻璃	$56^{\circ }$

应用：偏振太阳镜利用水面的反射偏振，减少眩光；摄影中的偏振滤镜同理。

旋光性

某些物质的溶液能使线偏振光的偏振面旋转一个角度 $\alpha$：

$$\alpha =[\alpha ]\cdot c\cdot l$$

其中 $[\alpha ]$ 为比旋光度（物质特征常数），$c$ 为浓度，$l$ 为光程长度。

分子特征	旋光性
有手性中心（不对称碳）	有旋光性
外消旋体（等量对映体混合）	无净旋光
内消旋体	无旋光

旋光方向分为左旋（$-$）和右旋（$+$），与分子的绝对构型相关。

化学中的应用

技术	原理	用途
旋光仪	测量比旋光度	鉴定手性化合物、检验对映体纯度
圆二色谱（CD）	手性分子对左、右圆偏振光吸收不同	蛋白质二级结构分析
偏光显微镜	晶体的双折射	鉴定矿物、观察液晶

常见误区

错误说法	问题
“偏振改变了光的频率”	只筛选振动方向，频率不变
“自然光通过偏振片后强度不变”	变为原来的一半
“所有光都能偏振”	只有横波，纵波（如声波）不能
“无旋光性说明分子没有手性”	外消旋体和内消旋体也无净旋光

引出

偏振现象揭示了光的横波本质。它在液晶显示、应力分析和光学薄膜中也有广泛应用。

光的色散则从另一个角度展示了光与物质相互作用的频率依赖性。

为什么糖类、氨基酸等生物分子大多具有旋光性？