Поляриметрія

Світло — це електромагнітні хвилі. У них вектор напруженості електричного поля (електричний або світловий вектор) і вектор напруженості магнітного поля (магнітний вектор) періодично змінюються. Ці вектори взаємно перпендикулярні та перпендикулярні до напряму поширення хвилі. Атоми зумовлюють коливання з різною орієнтацією електричного вектора, тому природне світло — це сукупність багатьох коливань, які відбуваються в різних напрямах.

Деякі кристали здатні пропускати світлові коливання, що відбуваються лише в одному напрямі. Одним з таких є турмалін. Якщо через пластинку турмаліну пропустити пучок світлових хвиль, то з цілої сукупності променів, коливання світлового вектора яких відбуваються в різних напрямах, пластинка пропустить лише ті промені, напрям світлового вектора яких паралельний до її оптичної осі (рис. 16.32, а). Промені, коливання світлового вектора яких перпендикулярні до оптичної осі, пластинка не пропустить (рис. 16.32, б).

Я кщо коливання відбуватиметься під деяким кутом до оптичної осі, то пластинка пропустить лише паралельну до неї складову Е₁ = Е cosα, а перпендикулярну Е₂=Еsinα — погасить (рис. 16.32, в). У цьому випадку через пластинку пройде послаблений потік світла. Світло, електричний вектор якого коливається лише в одному напрямі, називається плоскополяризованим. Перша пластинка поляризує світло і називається поляризатором, а друга — аналізатором. Якщо аналізатор обертати навколо променя поляризованого світла і розглядати пучок світла через нього, то можна спостерігати періодичне збільшення інтенсивності світла та її наступне зменшення до нуля залежно від взаємного розташування оптичної осі аналізатора та напряму коливань поляризованого світла.

Деякі кристали здатні до подвійного променеза-ломлення, тобто заломлені в цих кристалах промені діляться на два. Один з утворених променів, швидкість поширення якого не залежить від напряму, називається звичайним. Другий промінь, швидкість котрого залежить від напряму поширення, називається незвичайним.

У кристалах, які називають додатними, швидкість поширення незвичайного променя більша, ніж звичайного, тому показник заломлення для звичайного променя є меншим. Звичайний промінь, що поширюється з меншою швидкістю, але має більший показник заломлення, сильніше залом­люється (рис. 16.33).

Кристали, у яких швидкість поширення звичайного променя більша, ніж незвичайного, називаються від'ємними.

Кристали можуть бути одновісними і двовісними. Напрям у кристалі, в якому звичайний і незвичайний промені поширюються з однаковою швидкістю, називається оптичною віссю. У двовісних кристалах таких напрямів два. Якщо промінь падає на кристал у напрямі, що є оптичною віссю, то він не зазнає подвійного заломлення.

Звичайний і незвичайний промені поляризовані, але у взаємно перпендикулярних площинах. На рис. 16.33 рисками позначено коливання незвичайного променя у площині рисунка, а крапками — звичайного променя (у площині перпендикулярній до площини рисунка).

Деякі кристали по-різному поглинають звичайні та незвичайні промені. Ця їхня властивість називається дихроїзмом. Наприклад, турмалін навіть за малої товщини шару сильно поглинає звичайний промінь і майже цілком пропускає незвичайний.

Поляризоване світло можна отримати різними способами:

Н апрям поляризованих коливань у відбитому

1. Якщо світло падає на межу двох середовищ, переходячи із оптично менш густого середовища в оптично більш густе, то воно частково від­бивається від межі розділу і заломлюється. При цьому спостерігається часткова поляризація світла (рис.16.34).

Напрям поляризованих коливань у відбитому промені лежить у площині, перпендикулярній до площини падіння променя (крапки), а у залом­леному — у площині падіння променя (риски).

Відсоток поляризованого світла при відбиванні залежить від кута падіння променів. Збільшуючи кут падіння, можна збільшити ступінь поляризації світла. Кут падіння, при якому відбите світло цілком поляризується, називається кутом Брюстера. Цей кут залежить від показника заломлення речовини і визначається за таким рівнянням:

Tgα = n.

За умови подальшого збільшення кута частка поляризованого світла зростає і при куті Брюстера є максимальною.

2. Призма Ніколя — найбільш досконала оп­тична система, яка призначена для поляризації світла. У ній використовується явище подвійного променезаломлення. Призму виготовляють з кристалу кальциту, розпилюють по діагоналі та склеюють канадським бальзамом (рис.16.35).

П ромінь світла (Е), падаючи на призму, роздвоюється на звичайний (Р) і незвичайний (Н) промені. Звичайний промінь заломлюється сильніше (показник заломлення його більший, ніж канадського бальзаму) і падає на грань DВ під кутом, більшим від граничного. Швидкість поширення звичайного променя в кальциті менша, ніж у канадському бальзамі. Отже, промінь на межі DВ переходить з оптично більш густого середовища в оптично менш густе. Звичайний промінь зазнає повного внутрішнього відбивання і, потрапляючи на покриту чорною фарбою грань призми АВ, поглинається нею.

Незвичайний промінь за законами заломлення проходить через межу DВ і виходить лише дещо зміщеним. Цей промінь поляризований, тому на виході з призми ми отримуємо поляризоване світло.

3. Інколи потрібно одержувати поляризоване світло з великої поверхні. У цьому випадку використовують поляроїди. На целюлоїдну плівку наносять дрібні дихроїчні кристали, які орієнтують у певному напрямі. Світло, проходячи через таку систему кристалів, частково поляризується, оскільки звичайні промені майже цілком поглинаються, а незвичайні проходять.

Площина, у якій коливається електричний вектор, називається площиною коливань. Поляризоване світло характеризується одним напрямом площини коливань. Існують речовини, здатні повертати площину коливань поляризованого світла на деякий кут, наприклад яблучна, миндальна кислоти, розчин камфори, глюкоза тощо. Ці речовини називаються оптично активними.

Якщо розмістити поляризатор й аналізатор так, щоб їхні оптичні осі були взаємноперпен-дикулярними, то поле зору буде темним. Поляри­зоване світло через аналізатор не пройде. Якщо ж між ними розмістити кювету з розчином глюкози, то поле зору буде частково освітленим. Для того, щоб воно знову стало темним, аналізатор слід повернути на певний кут (рис. 16.36).

К ут повертання аналізатора дорівнює куту повертання площини поляризації розчином глюкози. Останній визначається за такою фор­мулою: φ = [α]cl, де α — питоме обертання;

с — концентрація розчину; l — товщина шару розчину.

Кут повертання площини коливань поляризо­ваного світла шаром розчину товщиною 1 дм з концентрацією 1 г/см3 називається питомим повертанням речовини за певної температури для світлових променів з певною довжиною хвилі.

Оптична активність речовин пояснюється тим, що їхні молекули не мають центра або площини симетрії. Це молекули більшості органічних речовин. Оптичну активність виявляють як кристалічні речовини, так і їхні розчини і розплави.

Кристали із спіральною структурою решітки теж можуть бути оптично активними. Проте оптична активність невластива їхнім розчинам та розплавам. Наприклад, кварц виявляє оптичну активність лише в пластинках; розплавлений кварц оптично неактивний.

Оптично активні кристали завжди мають вигляд двох структур, одна з яких є дзеркальним відображенням іншої. У результаті дослідів з'ясовано, що розчини цукру, білки, амінокислоти, нуклеїнові кислоти повертають площину поляризації вправо.

Отримані синтетичним способом аналогічні речовини, наприклад цукор, не є оптично активними. Синтетично отримана суміш завжди містить однакову кількість право- і лівообертальних молекул.

Якщо з такою сумішшю взаємодіє жива істота, то вона засвоює лише одну із структур, яка відповідає характеру оптичної активності елемен­тів живої речовини. Наприклад, якщо в розчин синтетичного цукру помістити бактерії, які живляться цукром, то вони засвоюватимуть лише правообертальний цукор. Через деякий час лівообертального цукру в розчині стане більше, ніж правообертального, що виявляється в повертанні площини поляризації.

З часом бактерії засвоять зі суміші весь правообертальний цукор і почнуть голодувати, хоча в розчині є певна маса лівообертального цукру, але організм живих істот його не засвоює.

Асиметрія оптичної активності характерна лише для живих істот і продуктів органічного походження. Наприклад, нафта виявляє оптичну активність, що свідчить про її органічне походження. Причини асиметрії оптичної активності в живих істот не досліджені.

Оскільки кут повертання площини поляризації пропорційний концентрації оптично активної речовини в розчині, то за допомогою поляриметра або цукриметра можна за кутом повертання визначити цю концентрацію.

О птична частина поляриметра (рис. 16.37) складається з джерела світла (0% фільтра для отримання монохроматичного світла (Ф), поляризатора (П) та аналізатора (А), кювети з оптично активним розчином (К), шкали з ноніусом (Н) для визначення кута, окуляра (О) і лупи (Л) для користування шкалою. На діафрагмі (Д) є кварцова пластинка, що дає змогу точніше провадити фотометричний відлік.

Без кювети досягають однорідного забарвлення поля зору (φ₀). Потім ставлять кювету з розчином, і однорідність порушується. Повертанням аналізатора її відновлюють і відраховують кут повертання φ. Кут φ, на який повертає площину поляризації розчин, дорівнює φ_р-φ₀. Тоді концентрацію речовини можна визначити за формулою с = φ/αl.