Лабораторная работа №42. Изучение вращения плоскости поляризации света в оптически активной среде. Методичка + результаты измерени

Цель работы: изучение вращения плоскости поляризации света в оптически активной среде.

Оборудование: поляризатор круговой СМ-2, набор трубок с сахарным раст- вором известной и неизвестной концентраций.

Методика измерений:

А). Естественный и поляризованный свет.

С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечную электромагнитную волну . Векторы напряженности электрического поля и магнитного поля колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях, век- тор указывает направление распространения волны.

При взаимодействии света с веществом переменное электрическое поле воз-действует на отрицательно заряженные электроны атомов и молекул этого вещества, в то время как действие со стороны магнитного поля на заряженные частицы незначительно. Поэтому в процессах распространения света в вещест- ве главную роль играет вектор .

Если колебания вектора происходят в одной плоскости, то свет называется плоскополяризованным (см рисунок), если же вектор колеблется во всевоз- можных направлениях, перпендикулярных лучу, то такой свет называют естес- твенным.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного при помощи приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости поляризатора, и задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Б). Двойное лучепреломление.

При прохождении света через анизотропные кристаллы наблюдается двойное лучепреломление. Луч разделяется внутри кристалла на два луча, распространя-ющихся в различных направлениях с разными скоростями (рис. 1).

Один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления света и называется обыкновенным (о). Его показатель преломления не зави- сит от направления распространения.

Скорость такого луча в кристалле: Другой луч - необыкновенный (е) распространяется в зависимости от направле- ния с различными скоростями:

Этот луч, как правило, не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нор- мально к преломляющей поверхности. Даже при нормальном падении света на кристалл необыкновенный луч может отклоняться от нормали.

Однако в каждом кристалле существует направление ( одно или несколько ), вдоль которого двойного лучепреломления не происходит. Это направление на-зывается оптической осью кристалла.

Любая плоскость, проходящая через оптическую ось , называется главной плоскостью кристалла.

Обыкновенный и необыкновенный лучи являются плоскополяризованными во взаимно перпендикулярных направлениях. Плоскость колебаний обыкновен-ного луча перпендикулярна главной плоскости кристалла, а плоскость колеба- ний необыкновенного луча совпадает с главной плоскостью (рис. 1).

При падении плоскополяризованного света некоторые вещества , имеющие определенную ассимметрию в строении молекул, могут поворачивать плоскость колебаний вектора на некоторый угол. Такие вещества называют оптически активными. Если поворот для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу, совер-шается по часовой стрелке , то вещество называется правовращающим, если против часовой стрелки - левовращающим.

Для растворов оптически активных веществ угол поворота плоскости поляри-зации пропорционален пути света в растворе l и концентрации активного вещес-тва С.

где - удельная постоянная вращения (угол поворота плоскости поляризации, когда лучи прошли через слой раствора с единичной концентрацией и толщи-ной слоя). Из формулы (3) можно определить значение С:

.

Г). Принцип действия и устройство поляриметра.

В данной работе для определения концентрации сахарного раствора используют поляриметр круговой, предназначенный для измерения угла вращения плоскос-ти поляризации.

Поляризатор (П) поляризует естественный пучок света от источника S. Поля-ризатор (А) называют анализатором в силу его назначения - анализировать поляризованный свет, т.е. устанавливать, в какой плоскости он поляризован.

И - источник света;

С - светофильтр;

П - поляризатор;

ФП - хроматическая фазовая пластинка;

Т - трубка с раствором;

А - анализатор.

Работу поляризатора описывает закон Малюса:

,

где J0 - интенсивность света на выходе поляризатора;

J - интенсивность света на выходе анализатора; β - угол между поляризатором и анализатором.

Если оптические оси поляризатора и анализатора параллельны, то, согласно за-кону Малюса, интенсивность света, прошедшего через анализатор, будет макси-мальной. Если же поляризатор и анализатор скрещены, то поле зрения будет за-темнено.

Для более точного фиксирования скрещенного положения анализатора и по- ляризатора применяется хроматическая фазовая пластинка толщиной α,которую вырезают из кристалла параллельно оптической оси. При падении на такую пластинку плоскополяризованного света обыкновенный и необыкновенный луч оказываются когерентными. На входе в пластину разность фаз δ этих лучей равна нулю, на выходе из пластинки:

где Δ - оптическая разность хода лучей;

- длина световой волны в вакууме.

Пластинка, для которой называется пластинкой в полволны.

Р ассмотрим прохождение плоскополяризованного света через такую пластинку.

Колебание в падающем луче, совершающееся в плоскости Р, возбудит при входе в кристалл колебание обыкновенного луча и колебание необыкно- венного луча.. За время прохождения через пластинку в полволны обыкновен- ный лучи принимают разность фаз δ = π.

Этому соответствует новое взаимное расположение векторов и на выходе из пластинки. Следовательно, свет на выходе из пластинки будет поля- ризован в плоскости . Плоскости и расположены симметрично относи-тельно оптической оси пластинки О. Таким образом пластинка в полволны по-ворачивает плоскость колебаний света на угол 2φ.

Хроматическая фазовая пластинка в поляриметре разделяет поле зрения на две части. Свет от лампы, пройдя через поляризатор, одной частью пучка проходит через фазовую пластинку, кювету и анализатор, а другой частью пучка - только через кювету и анализатор. Поэтому плоскости колебаний в правой и левой час-ти поля зрения будут отличаться на угол 2φ (см рис.3).

Вид поля зрения :

Если анализатор скрестить с направлением колебаний в правой части, правая часть затемнится (рис. а).

Если анализатор скрестить с направлением колебаний в левой части , левая часть затемнится. (рис. б).

Если анализатор скрестить с направлением оптической оси фазовой пластин-ки, т.е. с биссектрисой угла 2φ, то все поле зрения будет равномерно освещено (рис. в.).

Если при последнем положении ввести между поляризатором и анализатором

Трубку с исследуемым раствором, то вследствие поворота плоскости поляриза-ции в растворе на некоторый угол α, равномерная освещенность поля зрения на-рушится. Восстановить равномерность освещенности можно поворотом анали-затора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором.

Следовательно, угол вращения плоскости поляризации данным раствором ра-вен разности двух отсчетов по шкале прибора, соответствующих равномерной освещенности в случае с раствором и в случае без раствора.

Таблица:

№ п/п	αно	Δαно	С1	ΔС1	L1	ΔL1	α1	Δα1	L2	ΔL2	α2	Δα2
	˚	˚	%	%	дм	дм	˚	˚	дм	дм	˚	˚
1.	0.10	0.02	5	0.05	2	0.05	1.10	0.13	1	0.05	7.80	0.13
2.	0.04	0.04					0.80	0.17			7.82	0.15
3.	0.10	0.02					1.00	0.03			7.40	0.27
Ср.	0.08	0.03					0.97	0.11			7.67	0.18

α = α1 - αно

α = 0.89˚

, α0 = 0.89/5*2 = 0.089 - постоянная вращения.

По формуле (4) рассчитаем неизвестную концентрацию:

С2 = 0.89/0.089*1 = 10%

δc = 0.14/0.89 + 0.05/5 + 0.05/2 + 0.21/7.59 + 0.05/1 = 0.16 + 0.01 + 0.03 + 0.03 +

+ 0.05 = 0.28

Δc = 10*0.28 = 2.8%

C = (10.0+-2.8)%

Вывод: в процессе проведения работы был изучен процесс вращения плоскости поляризации света в оптически активной среде , опытным путем была установлена концентрация неизвестного раствора сахара.