Работа n 73.1. Исследование вращения плоскости поляризации света

Прежде чем приступить к работе, необходимо ознакомиться с введением по теме "Поляризация света".

Постановка экспериментальной задачи

При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества обнаруживается, что плоскость, в которой колеблется вектор , поворачивается. Это свойство называется оптической активностью, а вещества, обладающие этим свойством, называются оптически активными. Существуют вещества, которые проявляют оптическую активность в любых фазовых состояниях (сахара, камфора, винная кислота). Некоторые вещества оптически активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). оптически активны также растворы некоторых активных веществ в неактивных растворителях (например, раствор сахара в воде).

Если вещество вращает плоскость поляризации по часовой стрелке (относительно наблюдателя, смотрящего навстречу лучу), то его называют правовращающим, если против – то левовращающим.

В случае твердых тел величина угла поворота плоскости поляризации для света выражается формулой

,

(73.1.1)

а для растворов

(73.1.2)

где и  удельные вращения, зависящие от природы вещества, температуры и длины волны , l  толщина слоя, проходимого светом, С  концентрация раствора.

Соотношение (73.1.2) установлено в 1815 году Ж. Био и называется законом Био.

Установлено, что оптическая активность обусловлена асимметричным строением молекул или элементарных ячеек кристаллов. Такие молекулы или кристаллы могут находиться в двух формах  «правой» и «левой», являющихся зеркально симметричными объектами.

Явление оптической активности имеет весьма сложную природу, но качественно его можно пояснить следующим образом. Попадая в вещество, электромагнитная волна вызывает вынужденные колебания электронов, что приводит к вторичному излучению. Однако электроны, находящиеся внутри молекул, могут колебаться не в любом направлении, структура молекул ограничивает их возможности. В результате, если первичная волна поляризована вдоль оси «х», то вторичные могут иметь и «y» составляющую. Если молекула обладает зеркальной симметрией, то такие «y» составляющие будут взаимно компенсироваться в результате интерференции. Для молекул, не обладающих зеркальной симметрией «y» компонента независимо от ориентации молекул не всегда может быть скомпенсирована. В выходящем свете складывается излучение поляризованное вдоль «х» и вдоль «y», и вектор Е оказывается повернут на некоторый угол.

Лабораторная работа состоит из двух частей. Первая часть – определение концентрации сахара в растворе - выполняется на сахариметре. Вторая часть - исследование зависимости угла поворота плоскости поляризации от длины волны – выполняется на поляриметре. Сахариметр – это разновидность поляриметра, предназначенная для узких целей – определения концентрации оптически активного вещества в растворе.

Задание 1. Определение концентрации сахара в водном растворе

Формула (73.1.2) позволяет, по результатам измерения угла поворота плоскости поляризации, определить концентрацию оптически активного вещества в растворе. Для определения концентрации сахара в воде в работе используется сахариметр, который проградуирован по шкале Вентцке. 100⁰V этой шкалы соответствуют вращению, которое дает раствор, содержащий 26,026 граммов чистой сахарозы в 100 см³ воды в кювете длиной 2 дм. Для того чтобы определить концентрацию сахара (в граммах на 1см³ раствора), пользуются формулой

C = 2 k /100 l

(73.1.3)

где l  длина кюветы, дм; k  коэффициент, зависящий от вида сахара (для сахарозы k = 0,26026),   отсчет по шкале сахариметра, характеризующий угол поворота плоскости поляризации в градусах Вентцке (⁰V).

Лабораторный сахариметр представляет собой полутеневой поляриметр, основными частями которого являются две поляризационные призмы  поляризатор и анализатор, между которыми размещается кювета с исследуемым раствором и компенсатор, выполненный в виде кварцевых клиньев (рис. 73.1.1). компенсатор устанавливается в такое положение, когда вращение плоскости поляризации раствором компенсируется противоположным вращением при прохождении поляризованного света через кварцевые клинья компенсатора. Так как дисперсия кварца практически совпадает с дисперсией сахаров, то компенсация при помощи клиньев происходит одновременно почти для всех длин волн света. Это позволяет применять в качестве источника белый свет.

Рис. 73.1.1

С целью повышения точности измерений поляризатор выполнен из двух поляризующих призм, склеенных так, что их плоскости пропускания ( и соответственно) образуют малый угол . Поэтому поле зрения поляриметра разделено на две половинки (рис. 73.1.2). Если плоскость пропускания анализатора (А) поставлена перпендикулярно направлению , то левая сторона поля зрения оказывается погашенной, а, если плоскость пропускания анализатора ориентирована перпендикулярно , то гасится правая половина поля зрения. Если же плоскость пропускания анализатора перпендикулярна границе раздела полупризм поляризатора, то обе половины поля зрения освещены равномерно в виде полутени. Отсюда происходит название прибора. Установка на полутень очень чувствительна, благодаря чему измерения оказываются весьма точными.

Если в сахариметр, настроенный на полутень, вставить прозрачную кювету с оптически активным веществом, то фотометрическое равенство нарушится. Сдвигом компенсатора равенство освещенностей можно восстановить.

зрительная труба имеет два окуляра, один служит для установки кварцевых клиньев в положении компенсации, а другой окуляр для отсчета показаний шкалы.

Рис. 73.1.2.

Угол поворота плоскости поляризации определяется по разности отсчетов, соответствующих фотометрическому равенству при наличии оптически активного раствора и без него.