Цель работы: знакомство с некоторыми методами получения и анализа линейно поляризованного света, принципом работы и применения поляриметров.
Приборы и принадлежности: поляроиды, осветитель, люксметр, поляриметр, набор трубок с раствором сахара различной концентрации.
Литература: [1], § 190-191; [2], § 58 – 60; [3], § 28 - 29;
[4], § 17-18; [5], § 152 – 154, 156.
В в е д е н и е
Свет имеет электромагнитную природу. Световые волны поперечны. Явление поляризации подтверждает поперечность световых волн.
Термином ″поляризация″ определяют пространственное соотношение между направлением распространения светового луча (направление вектора скорости 
на рис. 1) и направлением колебаний его электрического 
или магнитного 
векторов.
Рис 1
Теория Максвелла утверждает, что векторы , и взаимно перпендикулярны и образуют правую тройку.
Различают следующие типы поляризации света:
1. Линейно поляризованный (или плоско поляризованный) свет. При таком типе поляризации направление колебаний вектора в произвольной точке остается постоянным. Конец вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, описывает прямую линию. Плоскость, в которой колеблется вектор , называется плоскостью колебаний.
2. Эллиптически поляризованный свет. При этом типе поляризации изменяется и модуль, и направление вектора . В произвольной точке в световом пучке вектор непрерывно поворачивается вокруг направления распространения с угловой частотой, равной частоте волны. При этом конец вектора в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения луча, описывает эллипс.
3. Свет, поляризованный по кругу или циркулярно поляризованный свет. В этом случае вектор , непрерывно поворачиваясь вокруг направления луча, не меняется по модулю, и его конец описывает окружность.
4. Неполяризованный, естественный свет. В неполяризованной волне направление колебаний вектора в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения света, быстро и хаотически меняется. При этом все направления вектора (в этой плоскости!) равновероятны.
5. Частично поляризованный свет. В этом случае колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений. Частично поляризованный свет можно представить как смесь естественного и линейно поляризованного света.
В данной работе для получения линейно поляризованного света из естественного используется поляроид, представляющий собой пленку, на которую нанесены кристаллики герапатита, обладающего двулучепреломлением и селективным поглощением одного из лучей.
Поляризованный свет визуально не отличается от естественного света. Прибор, позволяющий их различить, называется анализатором. В данной работе в качестве анализатора используется другой поляроид. Если на анализатор падает естественный свет, то при повороте прибора вокруг направления луча интенсивность света не меняется. В случае падения линейно поляризованного света интенсивность I света, прошедшего через анализатор, пропорциональна квадрату косинуса угла α между плоскостью пропускания анализатора и плоскостью колебаний в падающем пучке (закон Малюса):
I = I0 cos2 α. (1)
При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости колебаний вектора . Таким свойством обладают вещества, в которых расположение атомов в молекулах или в кристаллической решетке является ассиметричным. Эти вещества называются оптически активными. К их числу принадлежат некоторые кристаллические тела (например, кварц, киноварь), жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).
Опыт показывает, что угол, на который поворачивается плоскость колебаний в растворах, прямо пропорционален толщине l слоя раствора и концентрации С оптически активного вещества:
φ = [ α ] lC. (2)
l обычно измеряется в дм, С – в г/см3. Коэффициент [ α ] называется постоянной вращения. Постоянная вращения зависит от температуры раствора (эта зависимость слабая, и ею можно пренебречь) и длины волны света. Для сахарных растворов при λ = 589 нм [ α ] = 66,46 град см3/дм· г.
Приборы, служащие для количественного исследования поворота плоскости колебаний, называются поляриметрами.
Описание экспериментальной установки
Экспериментальная проверка закона Малюса производится на установке, схема которой приведена на рис. 3. Свет от источника (лампы накаливания) 1 проходит через диафрагму 2, объектив 3, поляризатор 4, анализатор 5 и падает на фотоэлемент 6. Возникающий ток, пропорциональный освещенности фотоэлемента, регистрируется микроамперметром.
Рис. 3
Измерение угла поворота плоскости колебаний при прохождении линейно поляризованного света через водный раствор сахара производится в данной работе с помощью полутеневого поляриметра СМ–3, оптическая схема которого представлена на рис. 4. В этом поляриметре источником света является натриевая лампа 1, в излучении которой доминирует свет с длиной волны 589 нм. Пучок света проходит через светофильтр 2, конденсор 3, поляризатор 4, кварцевую пластинку 5, защитное стекло 6, жидкостную кювету 7, анализатор 8, объектив 9, окуляр 10. Вид поля зрения показан на рис. 5.
Рис. 4
Кварцевая пластинка 5 перекрывает половину поля зрения и вызывает поворот плоскости колебаний на небольшой угол α0 =5 – 7˚ (от плоскости Рп до плоскости Рк). Поэтому интенсивности лучей, прошедших через анализатор, будут в общем случае в этих частях поля зрения различными. Если же плоскость пропускания анализатора Ра делит угол между плоскостями Рп и Рк пополам, то яркости соответствующих частей поля зрения будут одинаковы.
 |
Рис. 5
В положении Ра, изображенном на рис. 5, части поля зрения одинаково затемнены (именно так производится настройка прибора, поскольку чувствительность глаза выше при меньшей освещенности).
Трубка 7 с исследуемым раствором помещается между поляризатором с кварцевой пластинкой и анализатором (см. рис. 4). Если исследуемое вещество является оптически активным, то оно поворачивает плоскости колебаний всех лучей (идущих через кварцевую пластинку и вне ее) на определенный угол φ. Яркости частей поля зрения становятся различными. Но можно снова установить анализатор на равное затемнение поля зрения, повернув его на угол φ. Угол поворота анализатора измеряется по шкале лимба с применением нониуса.
При проведении измерений следует производить фокусировку зрительной трубы поляриметра путем осторожного перемещения окуляра.
Измерения и обработка результатов
Упражнение 1. Проверка закона Малюса.
Получите изображение диафрагмы на фотоэлементе и, поворачивая один из поляроидов вокруг направления луча, добейтесь минимальной интенсивности света, падающего на фотоэлемент. Такая установка соответствует углу α = 90˚ между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора. Исследуйте зависимость фототока i от угла α, поворачивая анализатор в пределах от 0 до 180˚ и регистрируя фототок через каждые 10˚.
Постройте график зависимости i от cos2 α. Данные для α, cos α, cos2 α, i сведите в таблицу:
| 
| 
| 
|
Проанализируйте полученные результаты.
Упражнение 2. Определение концентрации сахара в растворе.
Изучите устройство и принцип действия поляриметра СМ–3.
Определите с помощью поляриметра угол поворота плоскости колебаний при прохождении линейно поляризованного света через водный раствор сахара. Зная постоянную вращения и длину жидкостной кюветы (указана на ней), по формуле (2) определите концентрацию сахара в растворе.
Аналогичные измерения и вычисления проведите для раствора с другой концентрацией сахара.
Контрольные вопросы
1. Какой свет называется линейно поляризованным, эллиптически поляризованным, поляризованным по кругу, естественным?
2. Какие существуют методы получения линейно поляризованного света из естественного?
3. Что такое плоскость пропускания поляризатора?
4. Поясните содержание закона Малюса.
5. В чем состоит явление естественного вращения плоскости колебаний электрического вектора электромагнитной волны? Для каких веществ оно характерно?
6. Поясните устройство и принцип действия полутеневого поляриметра по схеме, приведенной на рис. 4.