Polarisation et pouvoir rotatoire

Les ondes électromagnétiques ont la particularité d'avoir deux états de polarisation possibles. Le plan de polarisation est déterminé par l'orientation du vecteur de champ électrique de l'onde électromégnatique (le vecteur de champ magnétique lui étant perpendiculaire, et perpendiculaire aussi à la direction de propagation de l'onde). Cette polarisation résulte des propriétés quantiques : le photon (particule élémentaire de lumière) ayant une masse nulle et ayant un spin de 1, seulement deux états de polarisation sont possibles : +1 et –1 (la valeur 0 n'est pas permise).

1 Matériel

• Filtres polarisants (Polaroid, polarizing films).
• Cuve à faces parallèles
• Saccharose (sucre de table) ou glucose
• Source de lumière visible, de préférence monochromatique

2 Protocole et explications

Les filtres polarisants ont la propriété de transformer la lumière ordinaire qui les traverse en lumière polarisée. On s'en aperçoit en superposant deux de ces feuilles. La lumière les traverse si elles sont parallèles. Mais si elles sont croisées à angle droit, la lumière ne passe pas.

Si I₀ est l'intensité de la lumière incidente, I_t l'intensité de la lumière transmise et θ l'angle entre les deux directions de polarisation, alors on a la relation :

I_t = I₀ cos²θ

• Si θ = 0°, alors I_t = I₀
• Si θ = 45°, alors I_t = ½ I₀
• Si θ = 90°, alors I_t = 0

On peut expliquer ce phénomène par analogie avec une corde tendue entre votre main gauche et un mur éloigné. Avec votre main droite vous donnez des à-coups secs désordonnés sur la corde, qui se propagent vers le mur.

Le filtre polarisant est semblable à une grille, un peigne ou un râteau qui chevauche la corde. Selon la disposition relative de deux de ces grilles, le mouvement d'oscillation passe ou ne passe pas vers le mur.

Quand on dispose une ampoule n'émettant qu'une seule couleur et qu'on la regarde au travers de deux écrans polarisants croisés, aucune lumière ne passe. Et c'est pareil si on intercale une solution aqueuse quelconque entre les deux filtres polarisants. par contre si on intercale une solution d'eau sucrée (avec du saccharose ou du glucose) la lumière passe. Pour rétablir l'extinction, il faut tourner l'un des Polaroïds d'un certain angle.

Ceci démontre simplement que le sucre (et toutes les substances optiquement actives) agit en faisant tourner le plan de polarisation de la lumière, un peu à la manière de l'ouvrier qui manie un tournevis.

Commentaires :

• Forme de la cuve. L'eau sucrée doit être dans une cuve ou une bouteille de verre à faces planes et parallèles. Si on prend un récipient cylindrique, l'extinction ne peut pas être retrouvée,car l'angle de rotation dépend de l'épaisseur de solution traversée.
• Choix de la couleur. Éviter les ampoules qui émettent de la lumière blanche, car le sucre n'agit pas de la même façon sur tous les couleurs de la lumière. Le bleu subit un angle de rotation plus grand que le rouge. On n'arrive jamais à obtenir l'extinction parfaite avec de la lumière blanche. Les petites ampoules colorées utilisées pour les décorations de Noël vont très bien. Le vert est le meilleur, car il correspond au maximum de sensibilité de l'œil.

3 Vidéo

Vidéos lors de la journée Physique en fête :

• Par le Lycée les Iris (Lormont) :
  • Polarisation et pouvoir rotatoire (5,8 Mo, QuickTime)
  • Polarisation et couleurs (3,4 Mo, QuickTime)

• Par le Lycée Stendhal (Aiguillon) : Réfraction et polarisation (13,8 Mo, QuickTime)

4 Références

Merci à Maurice Cosandey pour cette contribution.