Контрольные вопросы и задания

1. Какие кристаллы называют изотропными; анизотропными?

2. Что такое оптическая ось кристалла?

3. В чем состоит суть явления двойного лучепреломления?

4. Какой свет называется эллиптически поляризованным? плоско поляризованным? циркулярно поляризованным?

5. Какими способами можно получить эллиптически поляризованный свет?

6. Что такое пластинка в четверть длины световой волны? Для чего её используют?

7. Что можно наблюдать, пропуская через пластинку λ/4 белый свет; монохроматический свет; естественный; поляризованный в различных направлениях?

8. Какой поляризации выйдет свет из кристаллической пластинки в половину длины волны? в одну длины волны?

Лабораторная работа 11 изучение работы поляриметра

Цель работы: изучение принципа работы сахариметра-поляриметра; исследование зависимости угла вращения плоскости поляризации от концентрации сахара; определение с помощью прибора концентрации неизвестного раствора сахара.

Краткая теория

Поляризованный свет используется для исследования оптически активных веществ. Оптически активными называются вещества, способные вращать плоскость поляризации света. Оптической активностью обладают кристаллы (кварц, киноварь), жидкости (скипидар), растворы (водные растворы сахара, яблочной кислоты, спиртовые растворы камфары). Оптическую активность проявляют многие природные соединения – белки, сахара, углеводы, гормоны, эфирные масла.

При прохождении через такие вещества поляризованного света плоскость его колебаний постепенно поворачивается вокруг оси светового пучка на угол, пропорциональный толщине слоя вещества. Различают право- и левовращающие вещества, у которых вращение плоскости поляризации идёт соответственно по часовой и против часовой стрелки.

Для растворов оптически активных веществ угол вращения плоскости поляризации монохроматического света зависит от природы вещества, температуры, концентрации C и длины столба раствора L, через который проходит свет:

,

где [α] – удельное вращение, зависит от природы растворённого вещества, выбора растворителя, длины световой волны и температуры.

Удельное вращение [α] численно равно углу, на который поворачивается плоскость поляризации монохроматического светового луча с длиной волны λ=589 нм, прошедшего через раствор единичной концентрации, находящийся в кювете единичной длины.

Зависимость угла вращения плоскости поляризации для данного вещества определяется законом Био:

,

где А - постоянная, зависящая от природы вещества.

Метод исследования, использующий оптическую активность вещества, называется поляриметрией. Для того чтобы устранить влияние длины световой волны на угол вращения, поляриметрию проводят в монохроматическом свете (применяют светофильтры).

Если использовать белый свет, то анализатор при повороте будет пропускать поочерёдно лучи различной длины волны, и поле зрения будет менять свет. Это явление называется дисперсией оптической активности и используется при определении структуры веществ, характера внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействия, а метод называется спектрополяриметрией и используется при изучении биополимеров.

Естественное вращение плоскости поляризации можно наблюдать, поместив оптически активное вещество между поляризатором и анализатором. Если их главные плоскости взаимно перпендикулярны, то плоско поляризованный свет, вышедший из поляризатора, в отсутствии оптически активного вещества будет целиком задержан анализатором, и поле зрения будет тёмным. Введение оптически активного вещества приводит к повороту плоскости поляризации, благодаря чему поле зрения просветлеет. Повернув анализатор вокруг светового пучка так, чтобы поле зрения опять стало тёмным, можно тем самым найти и угол поворота плоскости поляризации в исследуемом веществе.

Однако, визуально трудно найти с достаточной точностью положение анализатора, соответствующее максимальному затемнению поля зрения. Поэтому при измерениях чаще применяют полутеневой метод, в котором установка производится не на темноту поля зрения, а на равную яркость полей сравнения.

Идея этого метода состоит в следующем. Пусть поляризатор П (рис.11.1) состоит из двух поляроидов (1 и 2), главные плоскости которых образуют между собой угол α. Тогда свет, прошедший через этот поляризатор, разделится на два одинаковых по интенсивности плоско поляризованных пучка, плоскости поляризации которых повёрнуты друг относительно друга на тот же угол α.

При прохождении через анализатор А интенсивности обоих пучков будут зависеть от положения главной плоскости анализатора относительно направлений колебания светового вектора в этих пучках. Это поясняет рис.11.2, где а₁ и а₂ – световые векторы обоих пучков, А – главная плоскость анализатора. Амплитуды колебаний света в пучках, прошедших через анализатор, равны проекциям векторов а₁ и а₂ на направление 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 α.

При введении между поляризатором и анализатором оптически активного вещества, плоскости поляризации обоих пучков повернутся на некоторый угол φ и яркости полей сравнения изменятся. Угол φ легко определить: он равен углу, на который следует повернуть анализатор, чтобы опять уравнять яркости обоих полей.

Д ля определения концентрации оптически активных веществ используют приборы – поляриметры. Поляриметр, позволяющий определить концентрацию сахара в растворе, называется сахариметром. Сахариметр представляет собой расположенную на штативе и закрывающуюся крышкой трубку, в которой сосредоточены все оптические детали прибора (рис.11.3): 1- источник света, 2- светофильтр, 3- объектив, 4- кварцевая пластинка, 5- поляризатор, 6- кювета с исследуемым раствором, 7- анализатор, 8- окуляр. Кварцевая пластинка имеет прямоугольную форму и перекрывает лишь среднюю часть поля зрения. Поэтому в поле зрения видны её границы, и оно кажется разделённым на три части (рис.11.4).

При вращении анализатора две наружные части поля зрения затемняются и снова освещаются всегда одинаково и одновременно (рис.11.4, а – поляризатор и анализатор скрещены; рис. 11.4, в - поляризатор и анализатор параллельны). Средняя часть поля зрения меняет свою освещённость в обратном направлении. При определённом положении анализатора (которое и нужно найти при поляриметрии) средняя часть поля освещена одинаково с крайними частями, линии раздела исчезают (рис.11.4,б – положение анализатора соответствует углу поворота плоскости колебаний светового потока).