Теория метода и описание установки

 

Явление поляризации света, понятие плоскополяризованного и поляризованного по кругу света, явление двойного лучепреломления и поляризация света при прохождении через анизотропные вещества были рассмотрены ранее в лабораторной работе № 407.

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые кристаллы (кварц, киноварь, сахар, пластмассы) и растворы органических веществ (скипидар, раствор сахара в воде и др.) наблюдается вращение плоскости колебания светового вектора , или, как принято говорить, вращение плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. В зависимости от направления вращения плоскости поляризации вещества могут быть правовращающими или левовращающими. Многие вещества, например кварц, существуют в двух модификациях.

В оптически активных растворах угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален пути l луча в растворе и концентрации активного вещества С

φ = kCl, (8.1)

 

где k - удельное вращение (угол поворота плоскости поляризации на единицу длины пути луча при концентрации раствора, равной единице).

Величина k зависит от природы оптически активного вещества, очень слабо от температуры. Она приблизительно обратно пропорциональна квадрату длины волны света.

Рисунок 8.1.

Основы теории вращения плоскости поляризации были заложены Френелем. По его теории линейно поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн с одинаковыми частотами и амплитудами, одна из которых поляризована вправо, а другая - влево. Эти волны распространяются с разными скоростями (v_пр и v_л).

Для правовращающих веществ v_пр>v_л, а для левовращающих веществ v_пр<v_л. Эти различия в скорости рас­пространения обусловлены асимметрией молекул в оптически активных жидкостях или асимметричным размещением атомов в оптически активных кристаллах.

На рис. 8.1,а обозначены: - амплитуда светового вектора электромагнитной волны, поляризованной по кругу влево; - амплитуда светового вектора электромагнитной волны, поляризованной по кругу вправо; РР - направление суммарного вектора плоскополяризованного света. Если скорости распространения обеих волн неодинаковы, то по мере прохождения через вещество один из векторов, например , будет отставать в своем вращении от вектора (рис. 10, б), тогда результирующий вектор будет поворачиваться в сторону более «быстрого» вектора и займет положение QQ. Таким образом, плоскость поляризации светового вектора результирующей волны повернется относительно ее первоначальной ориентации на некоторый угол φ.

В данной лабораторной работе поляризация света и ее анализ производится с помощью двух поляризационных призм Николя (поляризатора и анализатора). Каждая из них (рисунок 8.2) представляет собой двойную призму из исландского шпата — двоякопреломляющего природного материала, склеенную вдоль линии BD канадским бальзамом с показателем преломления n_б=1,55. Оптическая ось 00' призмы составляет с входной гранью угол 48°. На передней грани призмы естественный луч, параллельный ребру AD, раздваивается на два луча - обыкновенный (n_o =1,66) и необыкновенный (n_e= 1,51)

Обыкновенный луч, падая на плоскость BD под углом, большим предельного (см. лаб. раб. № 402), претерпевает полное внутреннее отражение (канадский бальзам для него является средой оптически менее плотной), а затем поглощается зачерненной боковой поверхностью AD. Необыкновенный луч, для которого n_е<n_б, выходит из призмы линейно поляризованным. Направление колебания светового вектора в необыкновенном луче показано на рис. 8.2 черточками, а в обыкновенном - точками.

Рисунок 8.2.

Если между двумя скрещенными николями Р и А (плоскости колебаний светового вектора первого и второго николей перпендикулярны и николи не пропускают свет) поместить оптически активное вещество в трубке Т, то поле зрения светлеет. Угол поворота плоскости поляризации при прохождении через оптически активное вещество равен углу, на который необходимо повернуть анализатор для восстановления темноты. Этот метод положен в основу устройства прибора поляриметра или сахариметра, используемого для определения концентрации раствора сахара.

На рисунке 8.3 приведена оптическая схема сахариметра: S - источник света, Р - поляризатор (призма Николя), П - полутеневая пластинка, Т- камера для трубок с оптически активным раствором сахара, К - кварцевый компенсатор, А - анализатор (вторая призма Николя). Прибор имеет окуляр для наблюдения поля зрения и окуляр для наблюдения шкалы отсчета угла поворота плоскости поляризации.

 

Рисунок 8.3.

Полутеневое устройство П применяется в данном приборе для повышения точности установки анализатора на темноту, с его помощью производится установка не на темноту, а на равенство освещенностей двух половин поля зрения исследуемого луча. Полутеневая пластинка (рис. 8.4) состоит из двух половинок: стеклянной С и кварцевой К; АВ - граница раздела стекла и кварца.

Допустим, что на пластинку падает монохроматический плоскополяризованный свет c плоскостью колебаний РР. Через стеклянную пластинку свет пройдет, не изменив плоскости колебаний, а через кварцевую пластинку выйдет с новым направлением плоскости колебаний Р₁Р₁ (кварц - оптически активное вещество). Если затем пропустить оба луча через анализатор, у которого плоскость колебаний, например, перпендикулярна РР, то луч левой половины поля зрения С будет погашен и поле зрения в этой половине будет темное, тогда как часть света правой половины будет пропущена анализатором и поле этой половины будет светлое. Если плоскость колебаний, пропускаемых анализатором, перпендикулярна Р₁Р₁, то будет обратное явление. В среднем положении анализатора, при котором обе половины поля зрения будут одинаково освещены, получим «нулевую точку».

При помещении трубки Т с раствором сахара в камеру сахариметра между полутеневой пластинкой из кварца - стекла и анализатором (рисунок 8.3), предварительно установленным на нулевую точку, равномерная освещенность поля зрения нарушается. Угол, на который надо повернуть анализатор, чтобы достигнуть первоначальной одинаковой освещенности двух половин поля зрения, очевидно, равен φ (8.1) - углу поворота плоскости поляризации оптически активным раствором.

Для измерения угла φ при пользовании источником белого света вводят специальное приспособление - кварцевый компенсатор К (рисунок 8.3). Он состоит из двух клиньев, сделанных из левовращающего кварца. Один клинK₁ неподвижный, второй К₂ - подвижный. ПеремещаяК₂ относительноK₁, можно изменять толщину К и, следовательно, величину левого вращения плоскости поляризации (8.1), даваемого кварцевыми клиньямиK₁ и К₂ (их общей толщиной).

Так как раствор сахара вращает плоскость поляризации вправо (по часовой стрелке), то это вращение компенсируется левым вращением кварцевого компенсатора К, удельное вращение которого примерно такое же, как у сахара для всех длин волн белого света.

Подвижный клинК₂ кварцевого компенсатора перемещается вместе со шкалой. Линейное перемещение этого клина пропорционально углу вращения плоскости поляризации раствором сахара. Шкала прибора проградуирована в угловых единицах, называемых градусами Вентцке (1° Вентцке = 0,328 углового градуса). Для более точного отсчета шкала имеет нониус.

По измеренному углу φ поворота плоскости поляризации при известном значении постоянной прибора k и длине l трубки с раствором сахара можно определить его концентрацию С. Из соотношения (8.1) следует

. (8.2)