Магнитное вращение плоскости поляризации

СВЕТА

Ц е л ь р а б о т ы :

1. Ознакомиться с явлением магнитного вращения плоскости поляризации

2. Установить зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны света;

3. Определить зависимость угла поворота плоскости поляризации от напряженности магнитного поля;

4. Определить постоянную Верде.

О б о р у д о в а н и е : Поляриметр полутеневой с электромагнитом, трансформатор, выпрямитель, амперметр.

Теоретические сведения

Существует ряд веществ, которые способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света. Такие вещества получили название оптически активных. Причем одни из них обладают этим свойством в обычных условиях (естественное вращение плоскости поляризации), а другие приобретают его в магнитном поле. Явление вращения плоскости поляризации впервые наблюдалось Фарадеем.

В целом магнитное вращение обусловлено возникновением ассиметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля. Эта асиметрия вызвана в свою очередь прецессией вращения зарядов, имеющихся в теле.

Предположим, что на некоторое тело, находящееся в магнитном поле, падает плоскополяризованный свет. Колебания вектора , имеющегося в плоскополяризованной волне, можно разложить на два вращательных движения, совершаемых в противоположных направлениях.

Таким образом, плоскополяризованная волна может быть разложена на две волны, поляризованные по кругу, одна из которых будет левоциркулярной, другая – правоциркулярной. В силу отмеченной выше прецесии вращения зарядов в магнитном поле скорости распространения волн, поляризованных по часовой стрелке и против нее, оказываются в этой среде различными. Различными окажутся и коэффициенты преломления для правоциркулярной и левоциркулярной волн. Поэтому при прохождении в данном веществе равного геометрического пути lобе волны в действительности пройдут разный оптический путь, благодаря чему между этими волнами возникает разность фаз:

,

где n_н - коэффициент преломления волны правоциркулярной;

n_л - коэффициент преломления волны левоциркулярной;

l(n_н - n_л) – оптическая разность хода обеих волн.

На выходе из оптически активного вещества этот сдвиг фаз сохраняется, что и обуславливает поворот плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации света определяется соотношением

,

где l - длина пути света параллельно силовым линиям в образце,

H - напряженность магнитного поля, в котором находится вещество,

- постоянная Верде (величина, показывающая на сколько угловых минут повернет плоскость поляризации активное вещество длиной 1 м при напряженности магнитного поля 1 А/м).

Зависимость поворота плоскости поляризации от длины волны света является вращательной дисперсией. В первом приближении угол вращения обратно пропорционален квадрату длины волны (закон Био):

Рис.15

Направление вращения плоскости поляризации зависит от природы вещества и направления магнитного поля.

Если свет распространяется в направлении силовых линий (от N к S ) и плоскость поляризации вращается по часовой стрелке от наблюдателя, смотрящего огт источника света, то направление вращения является положительным.

Блок- схема установки приведена на рис.15. Из источника 1 (лампа накаливания) свет направляется на сменные светофильтры и далее в объектив 2. Из объектива узкий параллельный пучок попадает в поляризатор 3, на выходе которого мы имеем плоскополяризованный пучок света. Далее пучок входит в соленоид 4 параллельно магнитным силовым линиям.

Внутри соленоида в специальной кювете расположен кристалл FeCl₂ . пройдя через кристалл 5. Свет попадает в анализатор и далее через окуляр в глаз наблюдателя.

В отсутствии магнитного поля FeCl₂ не обладает оптической активностью. Анализатор 6 и окуляр 7 жестко соединены между собой и могут поворачиваться вокруг оси ОО^¢ относительно других частей прибора. Угол поворота может быть определен по лимбу, на котором нанесены деления в градусах. Кроме того, имеется нониус, позволяющий снимать показания с точностью до 0,1°. Вращение подвижной системы (анализатор-окуляр) производится с помощью ручки окуляра.

Питание электромагнита осуществляется от сети переменного тока 220 В через выпрямитель. ..регулировка тока выполняется реостатами, а величина тока контролируется по амперметру. С помощью перекидного ключа можно менять направление тока в обмотке электромагнита.

Для подготовки прибора к работе необходимо:

1. Подключить установку к сети 220 В и установить соответствующий светофильтр.

2. Вращая ручку окуляра, добиться минимальной освещенности поля зрения.

3.После выполнения указанных мероприятий можно приступить к выполнению лабораторной работы.

Измерение и обработка результатов:

1. Определение нулевого отсчета j₁ на лимбе. Найти показания на лимбе, соответствующие наименьшей освещенности при токе I₀=0 и зеленом светофильтре.

Вращая ручку окуляра, найдите такое положение, при котором поле зрения имеет наименьшую освещенность. Снимите показания на лимбе (с учетом нониуса) и занесите в таблицу 7.

Таблица 7

№ пп	Показания на лимбе j1	Среднее значение

Окончательный результат измерений:

2. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от длины волны l Между источником свет а и объективом установите светофильтр, перекидной ключ поставьте в положение (+), ток в электромагните плавно поднимается до +I_maх. Вращая ручку окуляра, добейтесь минимальной освещенности поля зрения. Плавно уменьшите величину тока до нуля, ключ поставьте в положение (- ) и снова ток поднимите до +I_maх. Результаты занесите в таблицу 2. Измерения выполните для всех светофильтров.

Постройте график. По оси абсцисс отложите длину волны в , а по оси ординат - суммарный угол поворота плоскости поляризации при измерении тока от +I_maх до -I_maх. Для светофильтров приняты следующие значения: красный - l = 700 , зеленый - l = 5500 , синий - l = 4700 .

Таблица 2

Длина волны l ( )	№ измерения	Угол поворота j	Суммарный угол поворота
При +I maх	При – Imaх
Красный 7700
Зеленый 5500
Синий 4700

3. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от напряженности магнитного поля H. Для использованного в настоящей работе электромагнита связь с силой тока I можно выразить соотношением

, k = 70,

где - магнитное поле, А/м; I - сила тока в обмотке, А; k - постоянный коэффициент. Установив светофильтр и поставив ключ в положение (+), поднимите ток до I₁ и, вращая ручку окуляра, добейтесь минимума освещенности. Данные занесите в таблицу 3. Измерения повторите для токов I₂ и +I_maх при положении ключа (+). При каждом изменении тока измерения угла проведите три раза. Измерение повторите при положении ключа (+).

Таблица 3

№ измерения	l	Направление тока	Угол поворота плоскости поляризации при
I1	I2	Imaх
		+
		_

4. Вычисление постоянной Верде для кристалла FeCl₂. Используя данные предыдущих задач, вычислить постоянную Верде.

Длину кристалла принять равной l = 7,0 см.

Примечания:

1. Наблюдаемые в опыте углы поворота плоскости поляризации малы по абсолютной величине. Поэтому процедура измерений требует особого внимания и каждый отсчет необходимо повторять не менее трех раз.

2. При токе I_maх обмотка электромагнита нагревается. В этом случае необходимо измерения производить достаточно быстро.

Контрольные вопросы

1. Какой свет называется поляризованным?

2. Какие вещества называются оптически активными?

3. Что называется плоскостью поляризации?

4. В чем заключается явление Фарадея?

5. Какая картина будет наблюдаться. Если через соленоид пропускать переменный ток?

6. Объясните физический смысл постоянной Верде?

Литература

1. Кортнев А.В. и др. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965, раб. 76.

2. Физический практикум: В 2-х т. /Под ред. В.И.Ивероновой. М.: Наука, 1968, т.2, задача 148.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9