Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

_{НАБЛЮДЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ}

_{ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА}

_{В ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СРЕДАХ}

Методические указания

к выполнению лабораторной работы по физике

для студентов всех специальностей

всех форм обучения

Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

САРАТОВ-2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составитель - Павлова Мария Валентиновна.

Под редакцией - Зюрюкина Юрия Анатольевича.

Рецензент - Аверсон Анатолий Эрнестович.

410054, Саратов, ул. Политехническая 77,

Научно-техническая библиотека СГТУ,

тел. 52-63-81, 52-56-01

http: // lib.sstu.ru

Регистрационный

номер 060544Э

© Саратовский государственный

технический университет 2006 г.

Цель работы: изучить явление вращения плоскости поляризации света в оптически активной среде (в растворе сахара) и определить концентрацию сахара в растворе.

Вращение плоскости поляризации света (или оптическая активность)

Явление вращения плоскости поляризации света впервые было обнаружено Араго в 1811 г. при помощи устройства, изображенного на рис. 1. Параллельный пучок естественного света направляется на систему (рис. 1). Между скрещенными николями и расположена пластинка из кристаллического кварца K, оптическая ось которой совпадает с направлением луча. Так как вдоль оптической оси не происходит двойного лучепреломления, то при скрещенном положении николей свет не должен проходить через систему (согласно закону Малюса). Однако, как показал опыт, наблюдается прохождение света через пластинку. Это может произойти только в том случае, если пластинка кварца поворачивает плоскость поляризации света на некоторый угол .

рис. 1. Прохождение пучка света последовательно через две призмы

Николя и кристаллическую пластинку, помещенную между ними

Вещества, способные вращать плоскость поляризации проходящего через них линейно поляризованного света, называются оптически активными. В качестве примера оптически активных веществ можно привести (помимо кварца) сахар, водный раствор сахара, скипидар, камфару, биологические макромолекулы и др.

То, что вращение плоскости поляризации наблюдается и в некристаллических телах означает, что данное явление не связано с анизотропией в противоположность двойному лучепреломлению. Установлено, что оптическая активность обусловлена строением молекул вещества (их асим-метрией) и особенностями расположения частиц в кристаллической решетке.

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. Вращение называется правым (положительным), если плоскость поляризации поворачивается вправо (по часовой стрелке) для наблюдателя, смотрящего навстречу падающему лучу. Вращение называется левым (отрицательным), если она поворачивается влево (против часовой стрелки).

Феноменологическая теория вращения плоскости поляризации света (теория Френеля)

Объяснение вращения плоскости поляризации света впервые было дано Френелем (1817г.). Френель предположил, что в оптически активных веществах происходит разложение линейно поляризованного светового колебания на два колебания, поляризованных по правому и левому кругу. При этом лучи, поляризованные по правому и левому кругу, имеют различные скорости распространения: (для правокруговой волны) и (для левокруговой волны). При оптически активное вещество, по Френелю, называется правовращающим (или просто «правым»). Если же , то - левовращающим (или просто «левым»). Эта гипотеза Френеля позднее была подтверждена экспериментально.

Определим угол поворота плоскости поляризации в оптически активной среде.

Линейно поляризованную волну ( ) разложим на две волны, поляризованные по правому ( ) и по левому ( ) кругам. Если , то число оборотов электрических векторов и в слое вещества толщиной l будет одинаковым и результирующее (исходное) колебание будет происходить вдоль , т.е. вещество не будет обладать свойством оптической активности (рис. 2).

рис. 2. Разложение линейно поляризованной волны на циркулярно поляризованные волны, распространяющиеся с одинаковыми скоростями ( ) в неактивном веществе

Если же , то число оборотов векторов и различно, и они повернутся на различные углы и . А это приведёт к повороту результирующего вектора на некоторый угол .

Предположим, что , и определим угол (рис. 3). После прохождения циркулярно поляризованными волнами оптически активной среды толщиной l электрический вектор правой волны будет повёрнут вправо на больший угол, чем вектор левой волны , так как правая волна распространяется с большей скоростью. В итоге плоскость симметрии, разделяющая пополам сумму углов и , будет повёрнута вправо на угол , определяемый из условия

. (1)

Отсюда

. (2)

рис. 3. Разложение линейно поляризованной волны на циркулярно поляризованные волны, распространяющиеся с различными скоростями ( ) в оптически активном веществе

Выразим и через время t и длину пути волн в оптически активном веществе l:

, . (3)

Подставляя (3) в (2), получим окончательно выражение для :

. (4)

Если фазовые скорости распространения левой и правой волн и выразить через соответствующие показатели преломления и ( и ) и принять во внимание, что , где - длина волны в вакууме, то получим

. (5)

Из выражения (5) следует, что при ( ) угол является положительным, т.е. вращение плоскости поляризации происходит вправо, а при ( ) угол становится отрицательным, т.е. вращение происходит влево.