ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫМ ВЕЩЕСТВОМ

Рисунок 1

Свет представляет собой поперечную электромагнитную вол-ну, которая характеризуется напряженностями электрического и магнитного полей. Векторы и колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях в одинаковой фазе, а скорость распространения волны перпендикулярна векторам и (рисунок 1). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного вектора ( или ). Обычно выбирают вектор , называя его световым вектором, так как физиологическое, фотохимическое и фотоэлектрическое действия света вызываются колебаниями именно этого вектора.

Световая волна складывается из множества независимых световых излучений отдельных атомов, поэтому различные направления колебания вектора в ней равновероятны. Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Свет, в котором колебания светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, то это плоскополяризованный свет. Плоскость в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний. Плоскостью поляризации называется плоскость, в которой колеблется вектор . Если вектор меняется со временем так, что его конец описывает эллипс, лежащий в плоскости, перпендикулярной лучу, то свет является эллиптически поляризованным, если круг - поляризованным по кругу.

Рисунок 2

Поляризованный свет получают с по-мощью поляризаторов, пропускающих ко-лебания только определенного направления (кристаллы исландского шпата, турмалина, кварца, поляроиды). Поляризаторы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, называемой плоскостью поляризатора, и полностью задерживают перпендикулярные к ней. Колебания с амплитудой А, совершающиеся в плоскости, образующей угол j с плоскостью поляризатора, можно разложить на два колебания с амплитудами

(рисунок 2). Первое колебание пройдет через прибор, а второе будет задержано. Интенсивность прошедшей волны

.

В естественном свете все значения j равновероятны, поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, будет равна среднему значению = 1/2. При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света не изменяется, а меняться будет лишь ориентация плоскости его колебаний.

Если на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды А₀ и интенсивности I₀ , то пройдет составляющая колебания с амплитудой A =A₀ cos j и интенсивность прошедшего света равна . Это соотношение называется законом Малюса. При наличие двух поляризаторов, плоскости поляризации которых образуют угол j, и падении на первый естественного света, из первого выйдет свет интенсивности , а из второго – I = . При j = 0, I_max = I_ест., при j = , I_min= 0 - поляризаторы скрещены. При вращении второго поляризатора вокруг направления луча будем наблюдать изменение интенсивности света от I_max до I_min .

Рисунок 3

Поляризованный свет можно получить и при падении ес-тественного света на границу раздела двух диэлектриков (на-пример, на поверхность стек-лянной пластинки). Если угол падения отличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи будут частично поляризо-ваны. Степень поляризации зависит от угла падения. Д. Брюстер установил, что при угле падения, определяемом соотно-шением tg i = , отраженный луч полностью поляризован (содержит только колебания перпендикулярные плоскости падения), а преломленный - частично (рисунок 3). Отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Степень поляризации преломленного луча можно увеличить, пропустив его через набор параллельных стеклянных пластинок, называемый стопой.

Рисунок 4

Все прозрачные кристаллы (кро-ме имеющих кубическую решетку) обладают способностью двойного лучепреломления, обнаруженного впервые Э. Бартолином в кристалле исландского шпата. Двойное лучепреломление заключается в том, что в кристалле луч света разделяется на два: обыкновенный (о) и необыкновенный (е) (рисунок 4). Обыкновенный подчиняется всем законам геометрической оптики, а необыкновенный не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к границе раздела сред и для него отношение не остается постоянным при изменении угла падения i₁. Однако, в кристалле есть направление, вдоль которого лучи распространяются с одинаковой скоростью, не разделяясь. Любая прямая, параллельная данному направлению, является оптической осью кристалла. Плоскость, проходящая через луч и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью. Оба луча плоскополяризованы, причем необыкновенный в главной плоскости, а обыкновенный перпендикулярно к ней. Кристаллы бывают одноосные и двуосные.

Для получения поляризованного света обычно применяют призмы и поляроиды. Призмы делятся на поляризационные, дающие только плоско поляризованный луч и двоякопреломляющие, дающие два луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Примером поляризационной призмы может служить призма Николя, представляющая собой две призмы из исландского шпата, склеенные канадским бальзамом (смолообразное вещество, получаемое из канадской пихты, с n = 1,55) (рис.5). Обыкновенный луч на границе АВ испытывает полное внутреннее отражение (n₀=1,66) и поглощается зачерненной боковой поверхностью СВ. Необыкновенный выходит параллельно падающему лучу, незначительно сместившись.

Рисунок 5

Двоякопреломляющие кристал-лы обладают свойством дихроиз-ма, то есть различного поглощения света в зависимости от ориентации вектора . Например, пластинка турмалина толщиной 1 мм поглощает обыкновенный луч, пропуская только необыкновенный. Различие в поглощении зависит и от длины волны, что дает различную окраску кристалла по разным направлениям при освещении его белым светом. Дихроичные кристаллы применяются при изготовлении поляроидов. Примером поляроида может служить тонкая пленка из целлулоида, в которую вкраплены кристаллики герапатита (сернокислого йодхинина). Такая пленка при толщине около 1 мм полностью поглощает обыкновенные лучи в видимой области спектра. Поляроиды могут иметь большую площадь, но они менее прозрачны и термостойки, чем призмы.

Оптическую анизотропию можно получить и искусственно. Оптически изотропные вещества становятся анизотропными под действием:

1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла);

2) электрического поля (жидкости, аморфные тела, газы);

3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды).

Некоторые вещества (например, кварц, сахар, киноварь, винная кислота, скипидар) обладают способностью поворачивать плоскость поляризации и называются оптически активными. Они разделяются на право- и левовращающие. Вращение плоскости поляризации было объяснено О.Френелем. Плоскополяризованный свет можно рассматривать, как наложение двух лучей с одинаковой частотой и скоростью распространения, но поляризованных по кругу вправо и влево. Вследствие наложения световых векторов обоих колебаний результи-рующий вектор в каждой точке поля располагается в одной плоскости. В оптически активной среде скорость распространения лучей, поляризованных по кругу вправо и влево, различна. В таких средах результирующий вектор отклоняется относительно на угол тем больший, чем больше длина пути света в данной среде.

Для величины угла поворота плоскости поляризации раствором экспериментально установлена следующая закономерность: , где -удельная постоянная вращения,

с - концентрация раствора,

l- длина пути луча в растворе.

Измерив , l и зная , можно определить концентрацию раствора.

4 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1 Сахариметр универсальный.

2 Поляриметрическая трубка.

3 Растворы сахара различной концентрации.

5 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Оптическая схема универсального сахариметра представлена на рисунке 6.

Рисунок 6

Здесь 1 - электрическая лампочка; 2 - светофильтр; 3 - матовое стекло; 4 - конденсорная линза; 5 - поляризатор (призма Николя); 6,7 - трубка с раствором сахара; 8 - неподвижный кварцевый клин; 9,10 - подвижные кварцевые клинья. Кварцевые клинья 8, 9, 10 образуют компенсатор. Клин 8 сделан из левовращающего кварца, а клинья 9, 10 - из правовращающего. Меняя на пути луча толщину клина 10, можно поворачивать плоскость поляризации света вправо на различные углы. 11- анализатор, обнаруживающий поворот плоскости поляризации.

Для большей точности результатов в сахариметрах используют "полутеневые" анализаторы. Для изготовления такого анализатора обычный Николь режут вдоль диагонали, проходящей через тупые углы и у каждой половины сошлифовывают по небольшому клинообразному слою, а затем эти половины склеивают. Колебания, пропускаемые правой и левой половинами такого анализатора, составляют между собой небольшой угол. Если плоскость колебаний вектора перпендикулярна плоскости склеивания половинок призмы, то эти половинки анализатора освещены равномерно. При повороте плоскости колебаний падающего луча однородность освещения нарушается. 12, 13 - линзы объектива зрительной трубы; 14 - окуляр зрительной трубы. Зрительная труба дает увеличенное изображение линии раздела поля зрения прибора. 15 - отражательная призма, поворачивающая луч света от лампочки на угол 90⁰ для освещения шкалы прибора. 16 - защитное стекло, рассеивающее свет. 17 - шкала, 18 - нониус. 19, 20 - лупа, состоящая из двух линз. Шкала 17 связана с подвижным кварцевым клином, поэтому смещение клина пропорциональное углу поворота плоскости поляризации, передается на шкалу и отсчитывается при помощи лупы.

Основными частями прибора являются узел измерительной головки и осветительный узел, соединенные между собой траверсой, на которой укреплена камера для поляриметрических трубок. В нижней части измерительной головки находится рукоятка кремальерной передачи для перемещения подвижного кварцевого клина и шкалы.

В сахариметре применяется шкала Вентцке. Сахариметр показывает 100, когда в поляриметрическую трубку длиной 200 мм при 20⁰ С налит раствор, содержащий в 100 см³ 26,026 г химически чистой сахарозы. Отсюда следует, что для получения концентрации раствора нужно отсчитанные по шкале градусы умножить на 0,26026.

6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЯ

1 Включить сахариметр в сеть.

2 Отрегулировать окуляры по глазу наблюдателя так, чтобы четко была видны вертикальная линия, разделяющая поле зрения на две половинки, штрихи и цифры шкалы.

3 Проверить установку прибора на нуль. Половинки поля зрения должны быть одинаково освещены при совмещении нулей шкалы и нониуса, если в камере отсутствует поляриметрическая трубка.

4 В камеру прибора поместить поляриметрическую трубку с одним из растворов. При этом нарушается одноцветность половинок зрения. Вращая рукоятку кремальерной передачи добиться одинаковой освещенности поля зрения. Произвести отсчет показаний с точностью до 0,1 деления шкалы (при помощи нониуса). Измерения повторить три раза.

5 Измерить по три раза углы поворота плоскости поляризации всеми растворами сахара и данные занести в таблицу 1.

6 Для каждого раствора найти среднее значение <a> и по формуле определить концентрацию в кг/м³.

7 По формуле вычислить удельную постоянную вращения.

8 Определить среднее значение .

9 Найти абсолютные погрешности и среднюю абсолютную погрешность .

10 Результат записать в виде

11 Определить концентрацию неизвестного раствора

.

12 Построить график зависимости Z = f (a) и найти по нему кон-центрацию в процентах для неизвестного раствора.

13 По формуле найти плотность раствора.

14 Полученные результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

№	Z, %	r·103, кг/м3	ai, 0Втц	, 0Втц	C, кг/м3	a0i, 0Втц·м2/кг	, 0Втц·м2/кг	Da0i, 0Втц·м2/кг