Опис експериментальної установки та методу дослідження. Світло – електромагнітні хвилі, довжина яких лежить у межах від 1 до 10 5 нм

Світло – електромагнітні хвилі, довжина яких лежить у межах від 1 до 10 ⁵ нм. Електромагнітні хвилі є поперечними. Це означає, що вектори напруженості електричного й магнітного полів у будь-який момент часу взаємно перпендикулярні й лежать у площині, яка перпендикулярна до напрямку поширення хвилі (рис. 6.2.1).

Будь-яке джерело світла складається з дуже великої кількості елементарних випромінювачів (атомів і молекул). Кожний збуджений атом або молекула під час випромінювання створює цуг електромагнітної хвилі, вектор напруженості електричного поля якої має певну площину коливань (рис. 6.2.1). У світлі, яке випромінюється багатьма атомами та молекулами, площини коливань вектора напруженості електричного поля від різних атомів (молекул) у загальному випадку не збігаються. Вони залишаються перпендикулярними до вектора швидкості й орієнтуються одна відносно одної хаотично. З часом відбувається заміна цугів електромагнітних хвиль. Тому напрямок коливань вектора напруженості результуючого електричного поля світла за достатньо тривалий проміжок часу неперервно хаотично змінюється.

Рисунок 6.2.1 – «Моментальна фотографія» плоскої електромагнітної хвилі, що поширюється вздовж осі . Вектор коливається вздовж осі , вектор – уздовж осі , вектор фазової швидкості хвилі спрямований вздовж осі . Площина – площина поляризації

Світло, у якому напрямки коливання вектора напруженості електричного поля у перпендикулярній до променя площині невпорядковано змінюють один одного та мають однакову ймовірність, називають природним.

Світло, у якого напрями коливань упорядковані будь-яким чином, називають поляризованим.

Якщо коливання світлового вектора відбуваються лише в одній площині, яка проходить через напрямок поширення променя, то таке світло називається плоско- (або лінійно) поляризованим(рис. 6.2.1). Площина, в якій відбуваються коливання вектора напруженості електричного поля, називається площиною коливань, або площиною поляризації. На рис 6.2.1 площина є площиною поляризації.

Упорядкованість коливань може полягати й у тому, що вектор може обертатися відносно променя, одночасно змінюючись за величиною. У результаті кінець вектора описує еліпс (рис. 6.2.2). Таке світло називається еліптично поляризованим. Якщо кінець вектора описує коло, то таке світло називається поляризованим по колу.Зрозуміло, що еліптично поляризоване світло можна подати як сукупність двох взаємно перпендикулярних лінійно поляризованих променів світла.

Пристрої, які призначені для перетворення природного світла у лінійно поляризоване світло, називають поляризаторами. Площину коливань вектора напруженості електричного поля у світлі, яке пропускається поляризатором, називають площиною поляризатора.

Існують три основних способи отримання поляризованого світла. Ці способи базуються на таких явищах: відбиття світла, заломлення світла на межі поділу двох прозорих ізотропних діелектриків, подвійне променезаломлювання в одновісних кристалах.

Найбільш ефективним для отримання плоскополяри­зованого світла є спосіб, що базується на явищі подвійного променезаломлювання. Розглянемо цей спосіб детально на прикладі призми Ніколя.

Рисунок 6.2.2 – В еліптично поляризованому світлі кінець вектора рухається по еліпсу в площині , світло поширюється вздовж осі

Під час проходження світла через усі прозорі кристали, за винятком тих, що належать до кубічної системи, спостерігається явище, яке полягає у тому, що падаючий на кристал промінь розділяється всередині кристала на два промені, які поширюються в загальному випадку з різними швидкостями й у різних напрямках. Це явище отримало назвуподвійної променезаломлюваності. В одновісних кристалах є напрямок, уздовж якого ці два промені поширюються, не розділяючись, і з однаковою швидкістю. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала.

Для виготовлення призми Ніколя у ромбоедра, який отримано сколюванням зі шматка ісландського шпату, шліфують основи так, щоб нові основи утворювали з бічними ребрами кут 68° (замість 71° у природного кристала). Потім кристал розрізають уздовж площини, яка перпендикулярна до нових основ та до головного перерізу кристала (останній перпендикулярний до цих основ і проходить через оптичну вісь кристала). Відполірувавши площини розрізу, обидва шматки склеюють у попередньому положенні тонким шаром канадського бальзаму. Переріз призми Ніколя площиною головного перерізу показаний на рис. 65.2. Подвійна стрілка, нахилена під кутом 64° до довгого ребра, показує напрям оптичної осі.

Рисунок 6.2.3 – Призма Ніколя

Промінь світла, падаючи на виготовлену основу кристала, розділяється всередині кристала на звичайний і незвичайний . Показник заломлення канадського бальзаму ( 1,550) має проміжне значення між звичайним ( 1,658) і незвичайним ( 1,486) показниками заломлення ісландського шпату. Кути в призмі Ніколя розраховані так, щоб незвичайний промінь пройшов через шар канадського бальзаму, а звичайний зазнав на ньому повного внутрішнього відбиття й поглинувся зачерненою бічною гранню. У результаті світло, яке виходить з призми, виявляється лінійно поляризованим.

Будь-який поляризатор можна використовувати для дослідження поляризованого світла, тобто як аналізатор. У цьому разі інтенсивність I лінійно поляризованого світла, яке пройшло аналізатор, відповідно до закону Малюса дорівнюватиме

, (6.2.1)

де – інтенсивність падаючого на аналізатор лінійно поляризованого світла; – кут між площинами коливань падаючого світла (площина коливань вектора ) й площини аналізатора. Повертаючи площину аналізатора відносно осі, що проходить через поляризований промінь світла, можна спостерігати зміну освітленості поля зору за аналізатором. Так, коли площина аналізатора та площина коливань світла схрещені ( ), інтенсивність світла, яке проходить через аналізатор, дорівнює нулю ( ), тобто поле зору буде темним.

Під час проходження лінійно поляризованого світла через деякі речовини спостерігається поворот площини коливань світла. Такі речовини називають оптично активними. До них відносять кристалічні тіла (наприклад, кварц, кіновар), чисті рідини (наприклад, скипидар, нікотин) і розчини оптично активних речовин у неактивних розчинниках (водяні розчини цукру, винної кислоти та інші).

Рисунок 6.2.4 – Поворот площини поляризації світла в оптично активній речовині

Явище повороту площини поляризації світла пояснюється такими міркуваннями. Лінійно поляризоване світло можна подати як суперпозицію право- та ліво- поляризованих по колу хвиль, які мають однакові частоти й амплітуди (рис. 6.2.4). Дійсно, як випливає з рис. 6.2.4 а, у деякій точці простору сума двох векторів і дорівнює підсумковому вектору , який у довільний момент часу паралельний сталому в часі напрямку . Тобто є напруженістю електричного поля лінійно поляризованого світла. Френель з’ясував, що в оптично активних речовинах світлові хвилі, які мають праву та ліву поляризацію, поширюються з різною швидкістю. Через це під час проходження світла через оптично активну речовину один із векторів, наприклад , буде відставати у своєму обертанні від вектора (рис. 6.2.4 б). Тому в іншій точці простору підсумковий вектор повертатиметься у бік більш "швидкого" вектора і займе положення . Кут повороту дорівнюватиме .

Неоднаковість швидкостей поширення світла з різними напрямками колової поляризації обумовлена асиметрією молекул або асиметричним розміщенням атомів у кристалі.

З фізичних міркувань зрозуміло, що кут , на який повертається площина поляризації у розчинах, збільшується прямо пропорційно товщині шару розчину й концентрації оптично активної речовини :

, (6.2.2)

де – коефіцієнт, який називають питомим обертанням розчиненої речовини (стала обертання). Стала обертання залежить від температури і довжини хвилі світла.

Визначивши шлях променя світла у розчині, сталу обертання та кут повороту площини поляризації, можна обчислити концентрацію оптично активної речовини в розчині.

Проаналізуємо особливості визначення кута повороту площини поляризації світла. Розглянемо систему, що складається з поляризатора й аналізатора, площини пропускання яких взаємно перпендикулярні. У цьому разі світло через таку систему не проходить (після поляризатора світло стає лінійно поляризованим, а потім воно повністю затримується аналізатором відповідно до закону Малюса). Якщо між поляризатором та аналізатором помістити оптично активну речовину, то поле зору стане світлішим. Щоб відновити темне поле зору, необхідно повернути площину аналізатора. Зрозуміло, що кут повороту площини аналізатора, необхідний для відновлення темного поля зору, дорівнює куту повороту площини поляризації світла оптично активної речовини.

Прилади, що дозволяють знайти кут повороту площини поляризації світла, називають поляриметрами. У лабораторній роботі використовується поляриметр, схема якого зображена на рис. 6.2.5.

Від джерела 1 світло проходить через світлофільтр 2, систему лінз 3, після якої перетворюється в паралельний пучок. Потім проходить через поляризатор 4, бікварц Солейля 5, трубку 6 з досліджуваною оптично активною речовиною, клиноподібний компенсатор 7, аналізатор 8 і потрапляє у поле зору окуляра 9. За поляризатор та аналізатор у поляриметрі використовуються призми Ніколя. Ручка 10 регулює кут повороту площини коливань світла компенсатором, 11 – окуляр шкали компенсатора.

Вимірювання кута за допомогою встановлення аналізатора на повне затемнення поля зору, як це було описано вище, спочатку без трубки з оптично активним розчином, а потім з нею є досить неточним. Це пов’язано з тим, що людське око малочутливе до невеликих змін абсолютної яскравості рівномірно освітленого або затемненого поля зору. Однак око дуже чутливе до незначних відмінностей у яскравості суміжних частин поля зору однакового кольору. Цю властивість ока використовують, вводячи між поляризатором 4 і аналізатором 8 напівтіньовий аналізатор (бікварц Солейля) 5 (рис. 6.2.5). Бікварц Солейля складається із двох половинок циліндрів, які розрізані вздовж діаметра (рис. 6.2.6). Одна частина циліндра виготовляється з лівообертального кварцу, а інша – з правообертального.

Рисунок 6.2.5 – Схема поляриметра

Із введенням бікварцу Солейля пучок світла, що падає на аналізатор, виявляється розділеним на дві частини. Одна частина пучка буде складатися з поляризованого світла, що пройшло через правообертальний кварц, інша – через лівообертальний. Внаслідок оптичної активності кварцу площина коливань світла буде повернутою на деякий кут лівою частиною вліво, а правою частиною – вправо (рис. 6.2.6 б). Площина світлових коливань в обох частинах світлового пучка буде різною. Внаслідок цього інтенсивність променів, що пройшли через аналізатор, у загальному випадку в правій і лівій частинах пучка буде неоднаковою.

Рисунок 6.2.6 – Напівтіньовий аналізатор (бікварц Солейля)

У цьому разі поворотом аналізатора не можна отримати одночасно повне затемнення всіх частин поля зору, але можна зорієнтувати аналізатор так, щоб усі частини поля зору були однаково затемнені. Це спостерігається, коли площина світлових коливань, що пропускаються аналізатором, буде паралельною або перпендикулярною до бісектриси кута між напрямками коливань світла у двох частинах пучка (рис. 6.2.6 б). Лише в цьому разі амплітуди коливань, що проходять через аналізатор, будуть однаковими для обох частин поля зору, тобто яскравість обох полів зору також буде однаковою.

Отримати однакову яскравість двох частин поля зору можна при двох взаємно перпендикулярних положеннях аналізатора: в одному випадку яскравість буде більшою, в іншому – меншою. Останнє положення фіксується більш точно (чутливість ока вища до менш освітленого об’єкта). Тому аналізатор звичайно налаштовують на більш темне поле (напівтемне поле).

Крім поляризатора 4, аналізатора 8 і бікварцу Солейля 5, до складу поляриметра входить клиноподібний компенсатор 7(рис. 6.2.5). Він призначений для повороту площини коливань світла. Тоді аналізатор може бути нерухомим, а поворот площини коливань здійснюється за допомогою компенсатора.

Рисунок 6.2.7 – Схема клиноподібного компенсатора

Клиноподібний компенсатор виготовляють із пластинки правообертального кварцу 1 і двох клинів лівообертального кварцу 2, які можуть ковзати один по одному вздовж діагональної площини (рис. 6.2.7). У положенні а (рис. 6.2.7 а) товщина пластинки із правообертального кварцу 1 дорівнює товщині двох клинів 2 з лівообертального кварцу. У цьому разі сумарний поворот площини коливань світла на виході з компенсатора дорівнює нулю. У положенні б (рис. 6.2.7 б) товщина двох клинів 2 з лівообертального кварцу виявляється більшою, ніж товщина пластинки 1. Площина коливань світла повертається вліво. У положенні в (рис. 6.2.7 в) площина коливань повертається вправо. Пристрій, за допомогою якого пересуваються клини компенсатора, пов’язаний зі шкалою, за якою визначають поворот площини коливань світлового пучка. Ручка 10 (рис. 6.2.5) регулює кут повороту площини коливань світла, що вноситься компенсатором. Кут повороту визначають за допомогою окуляра 11 (рис. 6.2.5) за шкалою, що пов’язана з компенсатором.

Якщо досліджувана речовина 6 (рис. 6.2.5) є оптично активною, то вона повертає площини коливань світлових променів на певний кут . Інтенсивності правої й лівої частин поля зору окуляра 5 (рис. 6.2.5) стають різними. Для відновлення рівності яскравості досить повернути площину коливань світлового пучка за допомогою компенсатора 7 (ручка 10, рис. 6.2.5) на деякий кут. Цей кут і дорівнює куту повороту площини поляризації в досліджуваній оптично активній речовині.

У лабораторній роботі необхідно визначити концентрацію цукрового розчину. Це можна зробити, вимірявши кут повороту , довжину й використовуючи співвідношення (6.2.2):

. (6.2.3)

Якщо стала обертання не відома, то її можна визначити з вимірювання кута повороту й довжини трубки з відомою концентрацією цукрового розчину . Згідно з (6.2.2)

. (6.2.4)

Підставляючи (6.2.4) у формулу (6.2.3), отримаємо

. (6.2.5)

Формула (6.2.5) є розрахунковою для лабораторної роботи.