Вращение плоскости поляризации

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости колебаний светового вектора или, как принято говорить, вращение плоскости поляризации. Вещества, обладающие такой способностью, называются оптически активными. К их числу принадлежат кристаллические тела (кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути луча в растворе и концентрации С активного вещества:

,

где - удельная постоянная вращения, зависит от природы оптически активного вещества, температуры и длины волны света.

Отсюда можно найти концентрацию С раствора .

Описание установки

В данной работе для наблюдения вращения плоскости поляризации и определения концентрации раствора сахара используется сахариметр. Его основные части: два николя – поляризатор П и анализатор А, расположенные в металлической трубке, поддерживаемой штативом. Между николями помещаются трубки Т с исследуемым раствором (рис. 8).

Длина трубок 1 дм и 2 дм.

На поляризатор падает естественный луч света от источника S. Поляризованный луч света падает на анализатор А.

Пусть при отсутствии трубки с раствором анализатор повернут так, чтобы свет полностью гасился (призмы Николя скрещены).

Если трубку Т наполнить раствором активного вещества и поместить между поляризатором и анализатором, то вследствие вращения плоскости колебаний наступит просветление поля зрения. Угол, на который нужно повернуть анализатор для полного затемнения, очевидно, равен углу вращения плоскости колебаний Е. На практике, для получения полного затемнения применяют светофильтры. Следует заметить, что определение угла поворота плоскости поляризации с помощью двух установок на темноту без активного вещества и с ним довольно неточно и обычно заменяется специальным устройством – полутеневым анализатором. Полутеневой анализатор можно получить из обычной поляризационной призмы. Пусть она пропускает свет с плоскостью колебаний АА (рис 9а). Если плоскость колебаний падающего света Е перпендикулярна АА, то поле зрения будет совершенно темным. Призму разрезают вдоль АА, от каждой половинки сошлифовывают по клинообразному слою в 2,5^o и склеивают (рис 9б). Тогда левая половина призмы будет полностью пропускать колебания в направлении АА₁, правая – в направлении АА₂.

П Т А

S

Рис. 8

Рис. 9

Если вектор Е перпендикулярен биссектрисе угла А₁АА₂, то по закону Малюса левая и правая половины поля зрения будут одинаково освещены

(рис 9г), т.е. .

В том случае, когда плоскость Е наклонена на малый угол, то равенство освещенности полей нарушается (рис 9 в, д). Устанавливая полутеневой анализатор вместо второго николя (рис 8), можно получить удобный для пользования сахариметр.

S

П Q₁ Т Q₂ Q₃ А L

Рис. 10

Оптическая схема сахариметра Солейля представлена на рис 10. здесь П – николь-поляризатор, Q₁ – бикварцевая пластинка, Т – трубка с исследуемым раствором, Q₂ – пластинка из правовращающего кварца, Q₃ – пластинка из двух одновременно сдвигаемых один относительно другого клиньев левовращающегося кварца, А – николь-анализатор, L – зрительная труба, установленная так, что наблюдатель видит ясно бикварцевую пластинку. Поляризатор П и анализатор А скрещены и установлены неподвижно. Бикварцевая пластинка Q₁ (рис 11) состоит из двух склеенных по диаметру полукруглых пластин лево- и правовращающего кварца (Л и П). Плоскость колебания света, вышедшего из поляризатора П поворачивается одной частью бикварца в левую сторону, другой - на такой же угол в правую. Если трубка Т отсутствует, то обе половины поля зрения будут освещены одинаково.

Рис. 11

Наличие трубки с активным раствором вызовет поворот плоскостей колебаний, вышедших из бикварца, на некоторый угол, равномерная освещенность поля зрения нарушится. Для того чтобы снова получить равномерную освещенность поля применяется компенсационное устройство, состоящее из пластинок Q₂ и Q₃. При нормальном положении клиньев (рис 10) компенсатор Q₂ - Q₃ не вращает плоскости поляризации. При уменьшении толщины Q₃ компенсатор Q₂ - Q₃ вызывает вращение плоскости поляризации вправо, при увеличении толщины Q₃ – компенсатор вращает влево. Таким образом, перемещением клиньев (изменяя толщину пластинки Q₃) можно вновь повернуть плоскости колебаний так, чтобы обе половины поля зрения были освещены одинаково. Компенсация может быть произведена для лево- и правовращающих веществ.

Перемещение клиньев фиксируется по шкале, которая проградуирована в градусах Вентцке:

1^о Вентцке =0,34 угл. градуса.

Для более точного отсчета шкала имеет нониус.

В технических сахариметрах обычно имеются шкалы, которые могут сразу указывать процентное содержание сахара в данном растворе. В настоящей работе используется сахариметр СУ-1 (рис 12).

Рис. 12