optika-1

окуляром. В частности, пунктирная линия может быть совмещена с границей раздела светлой и темной частей поля зрения. Именно при таком положении пунктирной линии следует отсчитывать значение показателя преломления, а для раствора сахара и его концентрацию.

Следует отметить, что граница между светлой и темной частями поля зрения будет резкой только при использовании монохроматического света. Так как источником света в рефрактометре является лампа накаливания, которая излучает белый свет, то в силу дисперсии граница раздела "свет-тень" оказывается окрашенной и несколько размытой. Чтобы избежать этого, перед объективом зрительной трубы размещен компенсатор 10. Он представляет собой совокупность двух призм определенной конструкции, которые компенсируют дисперсию. Перемещая призмы компенсатора с помощью рукоятки, можно добиться того, чтобы граница раздела светлой и темной областей стала резкой, без окраски.

Показатель преломления жидкостей зависит от температуры. Для исследования этой зависимости в рефрактометре предусмотрена система трубок, с помощью которой рефрактометр подключается в термостату. Это дает возможность поддерживать постоянной, а при необходимости изменять температуру исследуемого объекта.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.Подготовка прибора к работе

1)расположите источник света так, чтобы измерения проводились в проходящем свете (случай прозрачных жидкостей);

2)откройте верхнюю призму рефрактометра и пипеткой нанесите на нижнюю призму 2-3 капли дистиллированной воды; опустите верхнюю призму;

3)сфокусируйте окуляр по своему глазу на резкое изображение шкалы рефрактометра и визирных штрихов;

4)медленно перемещая зрительную трубу, получите в поле зрения границу раздела "тень-свет". Граница раздела должна быть четкой без цветной окраски. Это достигается поворотом регулировки компенсатора 10;

5)совместите визирные штрихи с границей раздела "тень-свет" и произведите отсчет показателя преломления дистиллированной воды (настройку и измерение производить не менее трех раз, после чего рассчитать среднее значение показателя преломления).

2.Определение показателя преломления и концентрации

сахарного раствора

1) откинув верхнюю призму рефрактометра, ватным тампоном протрите рабочую поверхность измерительной призмы (это надо делать перед сменой каждого исследуемого раствора и в конце всех измерений);

2) пипеткой нанести на измерительную призму сахарный раствор;

31

3)аналогично первому заданию с дистиллированной водой трижды произведите измерения показателя преломления и одновременно определите концентрацию сахара в измеряемом растворе (по правой шкале рефрактометра);

4)вычислите средние величины показателей преломления и концентрации сахара в растворе, результаты занесите в таблицу 1;

5)определите показатели преломления и соответствующие концентрации других предложенных Вам сахарных растворов; результаты также занесите в таблицу 1;

6)по формуле (2) найдите фактор сахара для каждого из растворов, а затем определите его среднее значение (результаты занесите в таблицу 1):

Таблица 1

n1

C1 (%)

.....

nk

Ck

3. Определение зависимости показателя преломления растворов NaCl от концентрации вещества

1)измерьте показатель преломления нескольких водных растворов NaCl различной концентрации (измерения произведите так же, как и для 1 и 2 заданий);

2)результаты измерений занесите в таблицу 2, аналогичную таблице 1;

3)для каждого из растворов определите F - фактор NaCl, найдите его среднее значение ( результаты занесите в таблицу 2).

По результатам заданий 2 (сахарный раствор) и 3 (раствор NaCl) постройте в одной системе координат зависимости показателя преломления от концентрации веществ (два графика); при этом по горизонтальной оси отложите концентрацию вещества, по вертикальной - показатель преломления. Сравните тангенсы углов наклона полученных прямых между собой и со значениями факторов соответствующих веществ. Построенные зависимости являются градуировочными графиками, по ним можно определить неизвестную концентрацию сахара или NaCl в исследуемом растворе по соответствующим измерениям показателя преломления. Отметим, что для сахарного раствора необходимость в градуировочном графике отсутствует, так как прибор располагает специальной шкалой для определения концентрации сахара. В то же время градуировочный график для NaCl будет использован при выполнении следующего задания.

4.Определение концентрации неизвестного раствора NaCl

1)измерьте показатель преломления водного раствора NaCl неизвестной концентрации;

32

2) используя построенный в предыдущем задании градуировочнй график, определите неизвестную концентрацию предложенного раствора. Подобным образом по градуировочному графику можно определить концентрацию лекарственного вещества в растворе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1.Понятие светового луча. Лучи падающий, отраженный, преломленный. Что такое угол падения, отражения и преломления?

2.Законы отражения.

3.Диффузное и зеркальное отражение света.

4.Законы преломления. Какая среда называется оптически более плотной?

5.Абсолютный и относительный показатели преломления, связь между относительным показателем двух сред и их абсолютными показателями.

6.Ход лучей из оптически менее плотной среды в более плотную, соотношение между углом падения и углом преломления в этом случае.

7.Предельный угол преломления.

8.Ход лучей из оптически более плотной среды в менее плотную, соотношение между углом падения и углом преломления в этом случае.

9.Явление полного внутреннего отражения. Предельный угол полного внутреннего отражения.

10. Назначение и устройство рефрактометра.

11. Ход лучей в рефрактометре при измерении показателя преломления прозрачной жидкости.

12.Ход лучей в рефрактометре при измерении показателя преломления непрозрачной жидкости.

13.Что такое фактор вещества?

ЛИТЕРАТУРА

1.Методическое руководство к лабораторным занятиям "Оптические методы и аппаратура для биомедицинских исследований", лабораторная работа 2.

2.Ливенцев Н.М. Курс физики для медицинских институтов. М.: Высш. шк., 1978. Т.1. С.228-231.

3.Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцов Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике / Под ред. Ремизова А.Н. М.: Высш. шк., 1987. С.203-208.

4.Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. М.: Высш. шк., 1982. С.202-203.

5.Артюхов В.Г., Бутурлакин М.С., Шмелев В.П. Оптические методы исследования биологических систем и объектов. Воронеж: ВГУ, 1980. С.70-83.

33

РАБОТА 3

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА, ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.

САХАРИМЕТР

Цель лабораторной работы: 1) в области теории:

-ознакомиться с поляризационными свойствами светового излучения;

-ознакомиться со способами поляризации света;

-ознакомиться с вопросами применения поляриметрии в биомедицинских исследованиях;

2) в области эксперимента:

-ознакомиться с устройством и принципом действия оптического поляриметра (сахариметра);

-получить навыки практической работы с оптическим поляриметром (сахариметром);

-определить величину удельного вращения сахара;

-определить концентрацию сахара в растворе с помощью оптического поляриметра.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Поперечность световых волн

Вся совокупность законов электродинамики, описываемая уравнениями Максвелла, приводит к выводу, что световые волны, имеющие электромагнитную природу, являются поперечными. Изменение во времени электрического поля с напряженностью Е сопровождается появлением переменного магнитного поля, характеризуемого вектором напряженности Н (имеет место и обратный процесс). При этом векторы напряженности магнитного (H) и электрического (E) полей взаимно перпендикулярны. Совокупность переменных, взаимосвязанных электрического и магнитного полей называется электромагнитным полем. Такое электромагнитное поле не остается неподвижным в пространстве, а распространяется со скоростью света V вдоль линии, перпендикулярной к векторам Е и Н, образуя электромагнитные, в частности, световые волны. Таким образом, три вектора: Е, Н и вектор скорости распространения световой волны V взаимно перпендикулярны. Плоскость, в которой расположены векторы Е и V, называется плоскостью колебаний световой волны. Аналогично плоскостью поляризации называется плоскость, в которой лежат векторы Н и V (рис.1).

2. Естественный и поляризованный свет

Световой поток представляет собой совокупность волн, плоскости колебаний (и поляризации) которых могут быть в различных состояниях. В зависимости от этого выделяют различные виды поляризации света:

34

-линейно- (плоско-) поляризованный свет;

-поляризованный свет с круговой поляризацией;

-поляризованный свет с эллиптической поляризацией;

-неполяризованной световое излучение;

-частично-поляризованное излучение.

Линейно- (плоско-) поляризованный свет представляет собой световое излучение с определенной, единственной ориентацией плоскости колебаний (поляризации), т.е. волны со вполне упорядоченным направлением колебаний электрического (Е) и соответственно магнитного (H) полей (рис.1).

Существуют более сложные виды упорядоченных колебаний вектора напряженности электрического поля Е (магнитного H) излучения, при которых конец электрического (магнитного) вектора описывает соответственно круг

(круговая поляризация, см. рис.2) или эллипс (эллиптическая поляризация излучения).

Рис.3 Рис.4 Естественный свет есть совокупность световых волн со всеми возможными

направлениями плоскостей колебаний (соответственно и плоскостей поляризации), быстро и беспорядочно сменяющими друг друга; эта совокупность стати-

35

стически симметрична относительно оси, совпадающей с направлением распространения света (ось V на рис.3). Так как естественный свет не имеет какого-либо преимущественного направления в ориентации плоскости колебаний (поляризации), то такой свет считают неполяризованным.

Частично-поляризованный свет характеризуется тем, что одно из направлений колебаний оказывается преимущественным, но не исключительным (рис.4). Частично поляризованный свет можно рассматривать как смесь естественного и поляризованного.

Рассмотрим взаимосвязь поляризационных свойств излучения с самим актом излучения света атомами или молекулами.

Время излучения атома составляет величину порядка t ≈ 10-8 с. За это время атом совершает нескольких сотен тысяч колебаний и излучает световую электромагнитную волну общей длиной L = V t. Такой "отрезок" L световой волны называют "цугом"; нетрудно вычислить, что длина цуга составляет величину порядка 3 м и на нем укладывается L / λ длин волн. Будем считать, что для неподвижного излучающего атома "цуг" волн соответствует линейно- (плоско-) поляризованному излучению.

На практике приходится наблюдать излучение не одного, а огромного числа атомов. Так как атомы излучают цуги волн в различные моменты вре-

мени и, кроме того, атомы подвижны, то ориентация плоскостей колебаний (поляризации) излучения различных атомов различна. Более того, ориентация этих плоскостей хаотически изменяется во времени. Именно такие процессы характерны для естественного света, поэтому естественный свет не является поляризованным.

Однако естественный свет становится частично поляризованным при его отражении или преломлении на границе двух диэлектриков, двойном

лучепреломлении в анизотропных кристаллах, в результате светорассеяния. Это связано с тем, что вторичные волны, излучаемые атомами вещества под влиянием падающего излучения, имеют различные амплитуды и ориентации колебаний для разных направлений распространения.

Степень поляризации света можно оценить только с помощью специальных оптических устройств, т.к. человеческий глаз не способен отличить поляризованное излучение от естественного.

3. Поляризация света при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков

Явление поляризации света, т.е. выделение световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора, имеет место при отражении и преломлении света на границе двух изотропных диэлектриков. Этот способ поляризации был открыт Малюсом. Установлено, что при падении луча света на границу раздела двух диэлектриков происходит частичная поляризация как отраженного, так и преломленного лучей (т.е. эти лучи представляют собой смесь естественного и поляризованного света). При этом степень поляризации лучей зависит от угла паде-

36

ния. Существует некоторое, определенное для каждой пары диэлектриков, значение угла падения ϕ, при котором отраженный луч полностью поляризован. Этот угол полной поляризации зависит от относительного показателя преломления диэлектриков n21 и, как установил Брюстер в 1815 г., определяется соотношением

где n21 = n2 / n1 = ( C / V2 ) / ( C / V1 ) = V1 / V2 , где n1 и n2 - абсолютные показатели преломления диэлектриков, C - скорость света в вакууме, V1,V2 - скорости

света в первом и втором диэлектриках соответственно. Соотношение (1) получило название закона Брюстера. Поляризация преломленного луча, падающего

нормалью к границе раздела в точке падения). Плоскость поляризации преломленного (прошедшего стопу Столетова) света лежит в плоскости падения.

4.Поляризация света при двойном лучепреломлении

Вприроде существует ряд кристаллических веществ (например, кварц, турмалин, кальцит и др.), обладающих способностью раздваивать падающие на них лучи света (рис.6). Это явление получило название

двойного лучепреломления. Кристаллы такого типа обладают рядом характерных свойств:

1)в двулучепреломляющих кристаллах имеются од-

но или несколько направлений, по которым раздваивание лучей не происходит. Эти направления называют оптическими осями кристаллов: существуют одноосные, двуос-

ные и т.д. двулучепреломляющие кристаллы. Плоскость, проведенная через падающий луч и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью кристалла;

2)в двулучепреломляющем кристалле:

-скорость распространения одного из лучей, а следовательно, и пока-затель преломления кристалла для него не зависит от направления распространения световой волны; такой луч получил название обыкновенного луча (луч "о");

- скорость распространения другого луча, а следовательно, и показатель преломления кристалла для этого луча зависит от направления распространения световой волны; такой луч называется необыкновенным лучом (луч "е");

37

3)cветовые лучи "о" и "е" лежат вместе в главной плоскости кристалла;

4)оба луча "о" и "е" являются практически линейно-поляризованными, причем ориентация их плоскостей колебаний (и поляризации) взаимноперпендикулярная. Так колебания вектора электрического поля световой

волны Е необыкновенного луча происходят в главной плоскости кристалла, а аналогичные колебания для обыкновенного луча - в плоскости, перпендикулярной главной;

5)угол расхождения α лучей "о" и "е" весьма мал: порядка нескольких градусов.

На выходе из кристалла в силу малости угла α и конечной толщины лучей "о" и "е", последние, накладываясь друг на друга, дают общий результирующий световой луч, который не является поляризованным. Для того чтобы такое наложение лучей было невозможно, необходимо сильно разнести лучи "о" и "е" в пространстве. Это достижимо с помощью специальных устройств, которые получили название "поляризационные призмы" (призмы Николя, Воластона, Рошона и др.). В поляризационных приборах один из световых поляризованных лучей (в призме Николя - необыкновенный) используется как источник поляризованного излучения, а второй луч гасится, например, оправой призмы.

5. Закон Малюса

Оптические устройства (поляризационные призмы, стопа Столетова и др.), преобразующие естественный свет в плоско-поляризованный, называются поляризаторами. Эти же устройства при их использовании для исследования поляризационных свойств света, называются анализаторами. Естественный свет, проходящий через поляризующие устройства, преобразуется в плоско-поляризованный. Плоскость колебаний прошедшего через поляризатор света называется главной плоскостью поляризуюшего устройства. Если свет проходит через поляризатор и анализатор, главные плоскости которых образуют между собой угол ϕ, то интенсивность света, прошедшего через анализатор, изменяется по соотношению

где Iп и Iа - интенсивности света, прошедшего через поляризатор и анализатор соответсвенно. Если ϕ = 90°, то свет полностью гасится, и тогда говорят, что система поляризатор - анализатор настроена на темноту. При ϕ = 0° свет полностью проходит через поляризатор. Закон Малюса (соотношение (2)) лежит в основе расчетов интенсивности света, прошедшего через поляризатор и анализатор во всевозможных поляризационных приборах.

6. Оптическая активность. Вpащательная диспеpсия

Hекотоpые вещества обладают способностью повоpачивать плоскость колебаний пpошедшего чеpез них поляpизованного света на некотоpый угол ϕ. Это свойство вещества называется оптической активностью. К оптически активным относятся некотоpые кpисталлические вещества (кваpц, сахаp и дp.),

38

жидкости (скипидаp, никотин и дp.), а также водные pаствоpы сахаpа, кислоты и др. Оптически активные вещества pазделяются на пpавовpащающие и левовpащающие. Вещества, повоpачивающие плоскость колебаний поляpизованного света по напpавлению часовой стрелки (если смотpеть навстpечу падающему лучу), называются пpавовpащающими. Вещества, повоpачивающие плоскость колебаний поляpизованного света пpотив часовой стpелки, называются левовpащающими. Существуют лево- и пpавовpащающие pазновидности одного и того же вещества, тождественные во всех остальных отношениях (кваpц, алалин и дp.). С точки зрения строения молекулы этих pазновидностей являются зеpкальным отpажением одна дpугой. Если между поляpизатоpом и анализатоpом, установленными на темноту (угол между ними ϕ = 90°), поместить оптически активное вещество, то свет снова начнет пpоходить чеpез эту систему. Для того чтобы свет вновь погасить, необходимо повеpнуть анализатоp на угол, pавный углу повоpота плоскости поляpизации света оптически активным веществом. Величина угла повоpота плоскости поляpизации зависит от многих фактоpов: от длины пути L, пpойденной светом в толще данного вещества, от концентpации вещества C, если pечь идет о pаствоpе, и от длины волны светового потока. Если оптически активное вещество находится в нейтральном растворителе, то для монохpоматического света угол повоpота плоскости поляpизации ϕ опpеделяется соотношением:

где α - коэффициент пpопоpциональности, называемый удельным вpащением. Удельное вpащение - это увеличенный в сто pаз угол повоpота плоскости поляpизации света пpи пpохождении чеpез столб pаствоpа длиной L = 10 см, с концентpацией вещества C = 0.01 г/см3, пpи темпеpатуpе 20°С и длине волны света λ = 0.589 мкм (желтая линия спектpа паpов натpия). Зависимость угла повоpота плоскости поляpизации от длины волны света выpажается законом Био:

В (4) величина а - некотоpая экспеpиментальная постоянная. Явление, описываемое законом Био, называется явлением вpащательной диспеpсии. Зависимость угла повоpота ϕ от длины волны λ пpиводит к тому, что пpи использовании белого света анализатоp поворачивает плоскости колебаний световых лучей pазличной длины волны на разные углы, и установить систему "поляризаторанализатор" на темноту становится невозможно. Чтобы избежать явления вpащательной диспеpсии, используют светофильтpы, пpопускающие почти монохpоматический свет. Зависимость угла повоpота плоскости поляpизации от концентpации оптически активного вещества в pаствоpе позволяет в лабоpатоpных условиях опpеделить количество pаствоpенного вещества. Hа этом пpинципе основано устpойство медицинских сахаpиметpов, пpедназначенных для опpеделения концентpации сахаpа в кpови и моче.

39