Теоретическое введение. Лабораторная работа № 61

Лабораторная работа № 61

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЦАЗИИ СВЕТА

Цель работы:определение концентрации раствора сахара с помощью по­ляриметра.

Приборы и принадлежности:

1. поляриметр круговой СМ-2

2. кювета с 5 % раствором сахара

3. кюветы с растворами сахара неизвестной концентрации

4. штангенциркуль.

Теоретическое введение

Согласно теории Максвелла световые волны являются поперечными: векторы напряженности электрического и магнитного полей ( ) вза­имно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны (рис. 1). В процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электриче­ский вектор, его называют световым вектором.Плоскость, в которой колеблется све­товой вектор, называ­ется плоскостью коле­баний, а плоскость, в которой совершает ко­лебание вектор напряженности магнитного поля – плоскостью поляриза­ции. Поляризацией света называется явление выделения из естествен­ного света световых волн с определенными направлениями колебаний электрического вектора.

Рис. 1. Мгновенная картина распределения и вдоль направления распространения электромаг­нитной волны

Свет, в котором направление колебаний элек­трического вектора каким-то образом упоря­дочен, называют поляризованным. Например, свет, испускае­мый каким-либо отдельно взятым (атомом, молекулой) элементарным излуча­телем, в каждом акте излучения всегда поля ризован.

Естественный свет – неполяризованный – представляет собой сум­марное электромагнитное колебание от множества атомов с различной ориентацией светового вектора приблизительно одинаковой амплитуды. Поэтому в результирующей волне вектор беспорядочно изменяет свою ориентацию во времени, так что в среднем все направления колебаний ока­зываются равноправными.

Если при внешних воздействиях появляется какое-то преимуществен­ное направление колебаний светового вектора (но неисключительное), свет называют частично поляризованным. Если вектор колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, свет называют плоско поляризованным (линейно поляризованным).

Если вдоль одного и того же направления распространяются две мо­нохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически-поляризованная волна.

Плоско поляризованный свет можно получить, пропуская естествен­ный свет через анизотропные среды. Анизотропными называют такие среды, для которых относительная диэлектрическая проницаемость и показатель преломления зависят от направления электрического вектора световой волны в веществе. В обычных условиях газообразные, жидкие и аморф­ные твердые диэлектрики оптически изотропны, однако под влиянием внешних воздействий могут стать анизотропными. Это явление называется искусственной анизотропией.

Высокая степень оптической анизотропии характерна для кристалли­ческих диэлектриков (за исключением кристаллов кубической системы), которые часто используют в качестве поляризаторов.

В 1669 году Э. Бартолином при прохождении света через анизотроп­ные кристаллы было открыто фундаментальное свойство, двойное луче­преломление: пространственное разделение естественного луча на два поляризованных, идущих в веществе с разными скоростями и в разных на­правлениях.

Волна, вектор поляризации которой перпендикулярен оптической оси кристалла, называется обыкновенной и обозначается индексом «о».Скорость обыкновенной волны не зависит от направления рас­пространения в кристалле.

Волна, поляризованная в главной плоскости кристалла, называ­ется необыкновенной, обозначается индексом «е». Показатель прелом­ления n_e необыкновенной волны зависит от направления луча в кристалле. Оптической осью кристалла называется направление, в котором отсут­ствует двойное лучепреломление, то есть (n_e = n_o). В зависимости от соот­ношения между главными диэлектрическими проницаемостями ε_хх , ε_уу, ε_zz все кристаллы делятся на три группы: изотропные, одноосные и двуосные. Изотропными называются кристаллы, для которых ε_хх= ε_уу= ε_zz . Если оди­наковы две из трех главных диэлектрических проницаемостей ε_хх= ε_уу ε_zz,, то кристалл называется одноосным. У двуосного кристалла все три глав­ные диэлектрических проницаемости различны.

Не все кристаллы одинаково поглощают обыкновенный и необыкно­венный лучи. Так, например, кристалл турмалина полностью поглощает обыкновенные лучи и является хорошим поляризатором. Явление избира­тельного поглощения обыкновенного и необыкновенного лучей на­зывается дихроизмом. Это явление применяется при изготовлении поля­роидов. Поляроиды– это тонкие (0,1 мм) пленки, на которые наносятся полимерные материалы (например, обогащенный йодом синтетический поливиниловый спирт, турмалин), обладающие дихроизмом.
Приборы, с помощью которыхиз естественного света можно выде­лить поляризованный свет, называютсяполяризаторами. Поляризаторы– устройства, пропускающие колебания вектора , параллельные плоско­сти поляризации самого поляризатора, и полностью задерживающие коле­бания, перпендикулярные к этой плоскости. Поляризаторы применяются также для анализа света, прошедшего через вещество, и в этом случае на­зываются анализаторами.

Если анализатор ориентирован так, что его оптическая ось перпенди­кулярна оптической оси поляризатора, свет через анализатор не проходит. Если же оптические оси поляризатора и анализатора составляют угол , отличный от 90^о, то свет проходит, но при этом его амплитуда меньше ам­плитуды световых колебаний, падающих на анализатор. Интенсивность света, прошедшего поляризатор и анализатор, определяется законом Ма­люса : интенсивность света, прошедшего последовательно через поля­ризатор и анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора

(1)

где I_а – интенсивность поляризованного света, вышедшего из анализатора; I_п – интенсивность плоско поляризованного света, вышедшего из поляри­затора.

Типичными представителями поляризаторов являются поляризаци­онные призмы. С помощью поляризационных призм получают линейно-поляризованное оптическое излучение. Чаще всего поляризационные призмы изготовляют из исландского шпата CaCO₃, кристаллического кварца SiO₂ или фтористого магния MgF₂.

.

Рис. 2. Прохождение неполяризованного света через призму Николя

Поляризационные призмы делятся на два класса: однолучевые – даю­щие один пучок лучей, и двулучевые – дающие два взаимно перпендику­лярных поляризованных пучка света. Примером однолучевой призмы слу­жит призма Николя (рис. 3), изготовленная из исландского шпата. Призма представляет собой двойную призму склеенную в промежутке канадским бальзамом – это вещество, прозрачное для видимого света с показателем преломления n_к.б. =1,55.

Призмы вырезают из кристалла под такими углами, чтобы не­обыкновенный луч, падающий на переднюю грань, проходил насквозь, практически не преломляясь. Обыкновенный луч при этом преломляется под большим углом, претерпевает на прослойке полное внутреннее отра­жение (канадский бальзам является для него оптически менее плотной сре­дой), и затем поглощается зачерненной боковой поверхностью призмы.

Некоторые кристаллы, например кварц, обладают способностью вра­щать плоскость колебаний поляризованного света.Вещества, способные поворачивать плоскость колебаний поляризованного света, называ­ются оптически активными. Явление поворота плоскости колебаний обусловлено анизотропией вещества. У оптически активных веществ раз­личают правое и левое вращение. При правом вращении поворот плоско­сти колебаний происходит по часовой стрелке, а при левом – против, если смотреть навстречу свету. К оптически активным веществам относятся ни только кристаллы, но и чистые жидкости (скипидар), растворы органиче­ских веществ (сахар, кислоты, алкалоиды). Угол поворота плоскости коле­баний оптически активными веществами зависит от их природы, концен­трации и толщины.

Угол поворотаплоскости колебания поляризованного света для опти­чески активных веществ пропорционален толщине образца ( :

, (3)

где [α] – коэффициент, называемый удельным вращением и численно рав­ный углу поворота плоскости поляризации света единичным слоем опти­чески активного вещества; – толщина образца.

Для оптически активных растворов

, (4)

Зная угол поворота плоскости поляризации для раствора известной концентрации , который находится в трубке длиной , по формуле (4) можно определить удельное вращение раствора (сахара)

. (5)

Тогда для оптически активного раствора неизвестной концентрации (раствора сахара) формула (4) примет вид

. (6)

Концентрация неизвестного раствора определится как

. (7)

Описание установки

Рис. 3. Поляриметр: 1 – тумб­лер «сеть»; 2 – окуляр с втул­кой; 3 – регулировочный винт анализатора; 4 – шкала отчетного устройства; 5 – кю­ветное отделение; 6 – лампа поляриметра в кожухе.

В работе используется поляриметр круговой СМ – 2, предназначен­ный для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически ак­тивными прозрачными однородными растворами и жидкостями (рис. 3).

В поляриметре применён принцип уравнивания яркостей разделённого на части поля зрения. Пучок света от лампы поляриметра, пройдя через систему линз (оптический кон­денсор), поляризуется призмой Николя. Разде­ление поля зрения на части осуществлено введением в оптическую систему поляри­метра хроматической фазовой пластинки. После разделения луча одна его часть про­ходит через хроматическую фазовую пластинку, кювету и анализатор, а другая часть только через кювету и анализатор. Пройдя кювету и анализа­тор, световые лучи наблюдаются глазом через окуляр с втулкой. Уравни­вание яркостей полей сравнения производят путем вращения анализатора.

Оптическая схема поляриметра, представлена на рисунке 4. Если ме­жду поляризатором и анализатором ввести кювету с оптически активным раствором, то равенство яркостей полей сравнения нарушается.

Рис. 4. Оптическая схема поляриметра: 1 – лампа, 2 – светофильтр, 3 – конденсор (сис­тема линз), 4 – поляризатор, 5 – хроматическая фазовая пластинка, 6 – кювета (трубка) для образца, 7 – анализатор, 8 – объектив и 9 – окуляр.

Равенство яркостей полей может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, рав­ный углу поворота плоскости поляризации раствором. Отсчёт угла пово­рота плоскости поляризации анализатора производится по одной из шкал отсчётного устройства (рис.5), расположенных с правой или левой сто­роны от окуляра следующим образом:

Рис. 5. Фрагмент шкалы отчет­ного устройства: 1 – основная шкала, 2 – нониусная шкала.

Определяют на сколько градусов повернута основная шкала относительно нуля шкалы нониуса. Цена деления ос­новной шкалы отсчётного устройства 0,5⁰ (рис. 5). Затем по штрихам нониус­ной шкалы, совпадающим с штрихами основной, отсчитывают доли градуса. Доли градуса отсчитывают по шкале но­ниуса с точностью 0,02⁰ (рис. 5). Оциф­ровка отсчётного устройства нониусной шкалы: «10» соответствует 0,10⁰; «20» соответствует 0,20⁰ и т.д. Для нахождения значения угла поворота необходимо к числу граду­сов, взятых по основной шкале отсчет­ного устройства, прибавить отсчет по шкале нониуса.