Естественное 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, называютсяоптическиактивными. К их числу принадлежат кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.). В случае твердых тел угол поворота j плоскости поляризации пропорционален пути l, пройденному лучом в кристалле:

j = a l. (6.2)

Коэффициент a называют постоянной вращения. Его принято выражать в угловых градусах на миллиметр. Постоянная вращения зависит от длины волны. В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути луча в растворе l и концентрации активного вещества C:

j = [a] C l, (6.3)

где [ a ] - величина, называемая удельной постоянной вращения.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяют на право- и левовращающие. Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах лучи, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с неодинаковой скоростью. Плоскопо­ляри­зованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, правой и левой, с одинаковыми частотами и амплитудами. Действительно, геометри­ческая сумма световых векторов и , поляризованных по кругу волн, в каждый момент времени будет лежать в одной и той же плоскости Р (рис.6.3).

Если скорости распространения обеих волн окажутся неодинаковыми, то по мере прохождения через вещество один из векторов или будет отставать в своем вращении от другого вектора, в результате чего плоскость P¢, в которой лежит результирующий вектор , будет поворачиваться относительно первоначальной плоскости Р. Измерив угол вращения плоскости поляризации, можно при известных [ a ] и l по формуле (6.3) вычислить концентрацию C растворенного вещества. Это обстоятельство и используется в данной работе. При этом можно не знать [ a ] и l, если воспользоваться раствором известной концентрации (эталонным раствором).

Действительно, в этом случае

j _эт = [a] С_эт l, j _иссл = [a] С_иссл l,

следовательно,

. (6.4)

Полутеневое поле зрения

Угол вращения плоскости поляризации можно измерить, поместив оптически активное вещество между поляризатором и анализатором. Если их главные плоскости взаимно перпендикулярны, то плоскополяризо­ван­ный свет, вышедший из поляризатора, в отсутствие оптически активного вещества будет целиком задержан анализатором, и поле зрения будет темным. Введение оптически активного вещества приводит к повороту плоскости поляризации, благодаря чему поле зрения светлеет. Повернув анализатор вокруг светового пучка так, чтобы поле зрения стало опять темным, можно тем самым найти и угол поворота плоскости поляризации в исследуемом веществе.

Однако определение угла поворота таким способом сопряжено со значительными погрешностями, ибо визуально трудно найти с достаточной точностью положение анализатора, соответствующее максимальному затемнению поля зрения. Поэтому при измерениях обычно применяют полутеневой метод, в котором установка производится не на темноту поля зрения, а на равную яркость полей сравнения.

Получить полутеневое поле поляриметра можно различными способами, основанными, однако, на одной и той же идее своеобразного “разделения” пучка, вышедшего из поляризатора, на две части.

Пусть поляризатор П (рис. 6.4,а) состоит из двух поляроидов 1 и 2, главные плоскости которых образуют между собой угол a. Тогда свет, прошедший через поляризатор, расчленится на два одинаковых по интенсивности плоскополяризованных пучка, плоскости поляризации которых повернуты относительно друг друга на тот же угол a (рис.6.4,б).

При прохождении через анализатор А интенсивности обоих пучков будут зависеть от положения главной плоскости анализатора относительно направлений колебания светового вектора в этих пучках (рис.6.4, б, где и - световые векторы обоих пучков; Р _А - главная

плоскость поляризатора). Амплитуды колебаний света в пучках, прошедших через анализатор, равны проекциям векторов и на направление Р _А. В общем случае эти проекции различны, поэтому и интенсивности обоих пучков будут отличаться друг от друга. Для уравнивания интенсивностей пучков, а следовательно и яркостей полей сравнения анализатор А достаточно повернуть в положение, при котором его главная плоскость совпадает с биссектрисой угла a (рис. 6.4,в). При введении между поляризатором и анализатором оптически активного вещества плоскости поляризации обоих пучков повернутся на некоторый угол j и яркости полей сравнения изменятся.

Угол j легко определить: он равен углу, на который следует повернуть анализатор, чтобы опять уравнять яркости обоих полей (рис.6.4, г).

Описание прибора

Используемый в работе прибор называется круговым поляриметром. Схема этого поляриметра показана на рис. 6.5. Свет от лампы 1 проходит через поляроид 2. Средняя часть светового пучка проходит затем через кварцевую пластинку 3, которая поворачивает плоскость поляризации на небольшой угол - порядка нескольких градусов. Далее свет проходит через оранжевый светофильтр 4, трубку 5 с исследуемым веществом, анализатор 6 и зрительную трубу. Через окуляр 8 наблюдается световое поле, разделенное на три участка (на рисунке справа), причем плоскость поляризации среднего участка поля составляет угол a с плоскостью поляризации крайних участков. Поступательным перемещением муфты 7 производится фокусировка зрительной трубы на отчетливое видение границ тройного поля. Поворот анализатора 6 осуществляется вращением маховика 10. При этом яркости всех трех участков поля будут изменяться: при уменьшении яркости среднего участка яркость крайних увеличивается и наоборот. Угол поворота анализатора отсчитывается по шкале лимба 11 через лупы 9 с помощью двух нониусов, жестко связанных с анализатором и отстоящих друг от друга на 180^о. Исследуемый раствор наливают в металлическую (или стеклянную) трубку, на концы которой навинчивают муфты, прижимающие круглые стеклянные оконца к торцам трубки. Специальные резиновые прокладки предохраняют оконца от образования напряжений и вытекания раствора. Вырез в корпусе прибора, куда вставляется трубка с раствором, закрывается откидной шторкой во избежание проникновения постороннего света при измерениях.

Выполнение работы

Измерения на приборе сводятся к установлению анализатора (путем вращения маховичка 10) в такое положение, когда все три части поля зрения имеют одинаковую яркость. Это положение характеризуется еще и тем, что незначительные отклонения анализатора от него в ту или иную сторону вызывают резкое изменение яркости отдельных частей. Отсчет положения анализатора производится поочередно по обоим нониусам, т.е. после отсчета по одному нониусу анализатор поворачивается на пол-оборота, вновь производится настройка равенства освещенностей частей поля зрения и снимается отсчет по другому нониусу.

Такие измерения исключают систематическую ошибку, вызванную неодинаковой освещенностью частей поля зрения по причинам, не связанным с поворотом плоскости поляризации.

Работа выполняется в следующем порядке:

1. Вынуть из прибора трубку для растворов, закрыть шторкой вырез корпуса и включить лампу - осветитель.

2. Перемещением муфты 7 вдоль оси прибора сфокусировать зрительную трубу на отчетливое видение границ тройного поля.

3. Определить “нулевое” положение анализатора j ₀^ан, т.е. то его положение, при котором при отсутствии оптически активного вещества освещенность всех трех частей поля зрения одинакова. Измерения произвести не менее 6 (3´2) раз. Результаты занести в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Вещество	Показания нониуса		j	С,%
Без раствора
Эталонный
Исследуемый

4. Определить эталонное положение анализатора j _эт^ан, при котором освещенность всех трех частей поля зрения одинакова при наличии в трубке эталонного оптически активного раствора. Для этого налить в трубку раствор сахара известной концентрации. Установить трубку в прибор и повторить п.3.

5. Сделать то же самое, что и в п. 4, но для раствора с неизвестной концентрацией.

6. Вычислить угол поворота плоскости поляризации эталонным раствором j _эт (по средним значениям):

j _эт = j ^ан_эт - j ^ан₀ .

7. Вычислить угол поворота плоскости поляризации исследуемым раствором:

j _иссл = j ^ан_иссл - j ^ан₀ .