4. Поляризационно-оптические методы

Известно, что световые волны представляют собой электромагнитные колебания. У естественного луча колебания электрического и магнитного полей происходят во всех плоскостях, перпендикулярных к его направлению (рис. 14, а).

Луч, колебания которого происходят только в одной пло скости, называется поляризованным. Плоскость I, в которой происходит колебание луча, называется плоскостью колебаний поляризованного луча, а плоскость II, перпендикулярная к ней, — плоскостью поляризации (рис. 14, б).

В качестве источника поляризованных лучей может служить, например, призма Николя, изготовленная из голландского шпата. Призма состоит из двух половинок кристалла, склеенных под углом 22° (рис. 15). Луч света, входя в призму, разделяется на «обыкновенный» луч О и «необыкновенный» луч Е; последний поляризован во взаимно перпендикулярных плоскостях. Обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от плоскости раздела, и через призму проходит только поляризованный луч (необыкновенный).

Рис. 14. Схемы естественного (а) и поляризованного (б) лучей

Рис. 15. Призма Николя

Поляризационно-оптические методы определения концентрации вещества в растворе основаны на взаимодействии поляризованного излучения с оптически активной средой, которая меняет параметры поляризации.

Если пропустить монохроматическое излучение через линейный поляризатор (поляроид, призму Николя, призму Глана и др.), то оно становится линейно поляризованным. Это означает, что за поляризатором электрический вектор Е колеблется только в одной плоскости, которая совпадает с плоскостью колебаний, пропускаемых поляризатором. Взаимодействие линейно поляризованного излучения с оптически активней средой (кристаллом, жидкостью, газом, раствором вещества) приводит к повороту азимута поляризации на угол α, который, в частности, пропорционален концентрации вещества С и толщине b слоя исследуемого раствора: , где — удельный угол, зависящий от рода вещества и длины волны излучения. Зная , и b, можно определять концентрацию С.

Аналогичным образом можно определять концентрацию при взаимодействии циркулярно поляризованного излучения (когда электрический вектор Е вращается по кругу, не меняя своей величины) с оптически активной средой, проявляющей эффект Коттона; последний заключается в различном ослаблении средой правой и левой форм циркулярно поляризованного излучения. Измеряемая при этом плотность раствора пропорциональна, как и в первом случае, концентрации и толщине слоя исследуемого раствора:, где — молекулярный коэффициент поглощения, зависящий от рода вещества и длины волны излучения.

В настоящее время считают, что оптическая активность обусловлена особенностями строения электронных оболочек индивидуальных молекул. Вращение азимута поляризации линейно поляризованного излучения и различное поглощение правой и левой форм поляризации происходят при наличии в среде молекул, не имеющих центра или плоскости симметрии, т. е. при асимметричном расположении атомов в молекуле. Класс оптически активных соединений очень обширен. Из наиболее известных, в качестве примера, можно привести скипидар, эфирные масла, различные полисахариды.

Поляризационнооптическимй методами можно определять концентрацию и оптически неактивных веществ. Обычное вещество можно привести в оптически активное состояние, воздействуя на него внешними силами — механическими, магнитными, электрическими. В случае искусственной оптической активности результат взаимодействия линейно поляризованного излучения с веществами зависит от ориентации азимута поляризации относительно направления действия внешних сил.

Явление магнитного вращения азимута поляризации («магнитно-оптический эффект») открыто Фарадеем в 1845 г. Магнитное вращение азимута поляризации происходит при распространении излучения в прозрачном веществе вдоль линий магнитного поля. Оно может быть обнаружено в системе с двумя скрещенными поляроидами. Угол γ поворота азимута поляризации в этом случае пропорционален толщине слоя вещества, находящегося в магнитном поле напряженностью Н: , где φ — угол между направлениями линий магнитного поля и распространения излучения; k — коэффициент, характеризующий способность данного тела вращать в магнитном поле азимут поляризации на данной длине волны (постоянная Верде).

Искусственную оптическую активность в магнитном поле обнаруживают твердые, жидкие и газообразные вещества. Направление вращения для каждого вещества определяется направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения излучения. Явление искусственной оптической активности вызвано изменениями, которые происходят с электронами, входящими в состав атомов и молекул вещества, под воздействием магнитного поля.

Поляриметрические измерения проводят при помощи поляризатора и анализатора. На рис. 16 показано расположение поляризатора и анализатора при поляриметрических измерениях. Когда поляризатор 1 и анализатор 2 установлены так, что их плоскости поляризации параллельны (рис. 16, а), то лучи света проходят через них. Если анализатор повернут на 90° (рис. 16,б), то лучи света не могут пройти через него, так как лучи, прошедшие через поляризатор, имеют плоскость колебаний, перпендикулярную плоскости колебания лучей анализатора. В этом случае света за анализатором не будет; такая схема установки поляризатора и анализатора называется установкой на «темноту». Если между анализатором и поляризатором, поставленными на темноту, поместить раствор 3 оптически активного вещества, то за анализатором появится свет (рис. 16, в). Появление света связано с тем, что луч, вышедший из раствора, колеблется не в плоскости, перпендикулярной плоскости анализатора, а в плоскости NN, и может быть разложен на два луча or и os (рис. 16, г). Луч or колеблется в плоскости пропускания лучей анализатора и, следовательно, может пройти через него.

Рис. 16. Схемы расположения поляризатора и анализатора при поляриметрических измерениях

Рис. 17. Схема автоматического поляриметра

Для вторичного достижения темноты необходимо повернуть анализатор так, чтобы плоскость его стала перпендикулярной плоскости NN, т. е. на угол .Величину этого угла и определяют при измерении.

На рис. 17 приведена принципиальная схема автоматического поляриметра (сахариметра).

Излучение от источника света 1, сформированное линзой 2 в пучок, близкий к параллельному, пройдя интерференционный фильтр 3, становится монохроматическим. Поляризатор 4 превращает это излучение в линейно поляризованное с определенным азимутом. Модулятор 5 (например, ячейка Фарадея) меняет азимут поляризации с частотой f на одинаковую величину от среднего положения. Анализатор 7 установлен под углом 90° к среднему положению азимута поляризации, и на фотоприемник 8 поступает излучение с амплитудной модуляцией удвоенной частоты (2f) изменения азимута поляризации. Фотоприемник работает от блока питания 9 и преобразует излучение в электрический сигнал.

Если между модулятором и анализатором поместить оптически активный объект 6, то среднее положение азимута поляризации будет повернуто на определенный угол а, и на фотоприемник поступит излучение частотой f. Электрический сигнал частотой f вызовет появление в электронном усилителе 10 сигнала рассогласования, который поступает в исполнительный механизм 11, имеющий жесткую связь с анализатором. В зависимости от фазы сигнала рассогласования исполнительный механизм будет поворачивать анализатор в ту или иную сторону вокруг оптической оси системы. Это будет продолжаться до тех пор, пока анализатор вновь не установится под углом 90°, и частота излучения за анализатором не станет равна 2f. Угол поворота анализатора равен углу вращения азимута поляризации оптически активным объектом. Результат измерения фиксируется отсчетным устройством 12, связанным с анализатором через исполнительный механизм 11.

Поляризационно-оптические методы практически безынерционны и обладают высокой чувствительностью.