Изучение вращения плоскости поляризации на поляриметре

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них линейно поляризованного света.

К их числу относятся кристаллические тела (кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и т.д.).

Различают правое вращение, когда вещество поворачивает плоскость поляризации по часовой стрелке (для наблюдателя, смотрящего навстречу световому лучу), и левое- при вращении плоскости поляризации в обратном направлении.

В случае химически чистого вещества угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя l:

Коэффициент пропорциональности aназывается постоянной вращения или вращательной способностью. Он характеризует природу вещества, зависит от длины волны света и температуры.

Для растворов угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя раствора и молярной концентрацииc оптически активного вещества:

( закон Био )

где - постоянная вращения (удельное вращение). Постоянная вращения примерно обратно пропорциональна длине волны ( ~ 1/λ²)^..

Теория вращения плоскости поляризации была развита Френелем. Он показал, что явление вращения плоскости поляризации сводится к особому виду двойного лучепреломления. Линейно поляризованная волна может рассматриваться как суперпозиция двух циркулярно поляризованных волн Е₁ и Е₂ с противоположными направлениями вращения электрического вектора. В оптически активном веществе они распространяются с различными скоростями. На выходе из вещества между колебаниями векторов Е₁ и Е₂ возникает постоянная разность фаз, которая обусловливает поворот плоскости поляризации. Поворот происходит в направлении вращения того луча, который проходит в веществе с большей скоростью.

Особенностью оптически активных веществ является то, что их молекулы не имеют центра и плоскости симметрии. Молекулы таких веществ могут существовать в виде двух зеркально симметричных изомерных форм - оптических изомеров. Один из оптических изомеров вращает плоскость поляризации вправо, другой - влево. Вещество в целом будет вращать плоскость поляризации света, в том случае, если концентрации оптических изомеров различны.

Оптически активные кристаллы также существуют в виде двух модификаций: право- и левовращающей. Обе модификации отличаются друг от друга внешней формой и внутренней кристаллической структурой. Обе модификации не конгруэнтны, т.е. правая не может быть наложена на левую и наоборот.

Наблюдать вращение плоскости поляризации можно, поместив между скрещенными поляризатором и анализатором слой оптически активного вещества. При этом в монохроматическом свете поле зрения просветляется.Чтобы поле зрения вновь сделать темным, необходимо повернуть анализатор на некоторый угол φ. Этот угол равен углу поворота плоскости поляризации.

Однако такой метод определения φ недостаточно точен, так как затемнение поля зрения происходит постепенно, и зафиксировать момент полного исчезновения света трудно.

Для устранения этого недостатка применяют полутеневой метод. Этот метод используется в поляриметре с кварцевой пластинкой, в котором установка производится не на полную темноту, а на равномерное освещение двух и более частей поля зрения. В оптическую схему поляриметра, используемого в данной работе (рис.2), кроме поляризатора (4) и анализатора (7) вводят полуволновую кварцевую пластинку небольшой толщины (5), ориентированную по отношению к поляризатору так, что она поворачивает плоскость поляризации лучей, прошедших через поляризатор, на небольшой угол 2α. Кварцевая пластинка вырезана так, что она перекрывает лишь среднюю часть поля зрения, наблюдаемого в окуляр. Боковые же части поля зрения освещаются светом, прошедшим только через поляризатор. Таким образом, поле зрения делится на три части.

Если колебания векторов напряженности плоскополяризованного света, вышедшего из поляризатора (ОР) и кварцевой пластинки (ОС) расположены симметрично относительно оси анализатора (ОА), то поле зрения в соответствии с законом Малюса освещено равномерно (рис. 1,а).

Такая картина наблюдается без оптически активного вещества в поляриметре и с этим положением связан ноль шкалы прибора.

При помещении в поляриметр правовращающего оптически активного вещества направления колебаний ОР и ОС поворачиваются на угол φ по часовой стрелке (положение ОР^’ и ОС^’,рис. 1, б). Теперь ОР^’ и ОС^’ составляют с ОА углы (a - j) и (a + j) соответственно. В этом случае поле зрения будет освещено различно:

(боковые части поля зрения)

(центральная часть поля зрения).

Соответствующая картина наблюдается при помещении в поляриметр левовращающего оптически активного вещества (рис 1, в). При малом значении угла j даже небольшой поворот на угол a приводит к заметному нарушению равенства освещенностей обоих полей.

Вращение плоскости поляризации активным веществом может быть скомпенсировано поворотом анализатора на угол φ вокруг направления луча. Тогда ось анализатора ОА^’ будет расположена симметричноотносительноОР^’и ОС^’(рис.1, б и в)и поле зрения вновь будет освещено равномерно. Угол φ, на который поворачивают анализатор, равен углу вращения плоскости поляризации оптически активным веществом.

Рис. 1

Оптическая схема прибора приведена на рис.2. В качестве источника света используется натриевая лампа (λ = 589,3 нм, 20 Вт). Свет от лампы (1) проходит через собирающую линзу (2), светофильтр (3) и попадает на поляризатор (4). Далее плоскополяризованный свет проходит через кварцевую пластинку (5), трубку с раствором сахара (6), анализатор (7), объектив (8) и окуляр (9) зрительной трубки. Через окуляр наблюдается световое поле. AB – узел поляризатора, CD – узел анализатора.

Рис. 2

Угол поворота анализатора отсчитывается по шкале лимба (рис. 3), которая поделена на 360⁰ (с ценой деления 1⁰). Шкала лимба снабжена подвижным нониусом, при помощи которого отсчитываются доли градуса. Цена деления нониуса 0,05⁰.

Целые значения градусов считывается по шкале лимба, между которыми остановился ноль нониуса. Сотые доли градуса определяются так. Находится деление нониуса, которое совпадает с делением лимба. Число, стоящее против этого деления нониуса. умножается на 0,05. Например, отсчет на рис. 3 равен 1,20.

Рис. 3

Общий вид прибора приведен на рис. 4. Здесь 1 – источник света, 2 – камера для кювет (трубок) с оптически активным веществом, Поворот

Рис. 4

Общий вид прибора

анализатора производится поворотом винта (3). Вращением муфты (4) производится фокусировка зрительной трубки, 5 – шкала прибора.

Порядок выполнения работы: