ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14
ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКИАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА В РАСТВОРЕ
Цель работы: изучить явление вращения плоскости поляризации, определить удельную вращательную способность сахара и концентрацию сахара в водном растворе.
Приборы и принадлежности: поляриметр круговой СМ-2, растворы сахара различной концентрации.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Каждая
испущенная атомом элементарная световая
волна характеризуется в любой точке
волнового фронта не только направлением
перемещения (направлением вектора
скорости ῡ), но и определенным направлением
колебаний векторов напряженности
Е
и
Н электрического и магнитного полей.
Как следует из теории Максвелла, векторы
Е, Н и ῡ ортогональны и их взаимное
расположение однозначно (рис.1). В
естественном свете практически равномерно
представлены всевозможные направления
колебаний электрического Е, а следовательно
и магнитного Н, векторов (рис.2а). Эти
всевозможные направления плоскостей
колебаний векторов
Е
и
Н обусловлены тем, что мы одновременно
наблюдаем излучение волн множеством
различных атомов, направления колебаний
векторов
Е
и
Н в которых никак не скоррелированы,
причем, ни одно из направлений не является
преимущественным. Если учесть, что
явление атомов прерывается во времени
(длится в течение времени
τизм~10-8
сек с перерывами того же порядка), то
можно представить, насколько сложно
математическое описание процесса
излучения.
Электромагнитная волна, электрический Е и магнитный Н векторы которой имеют относительно данного направления распространения ῡ одно единственное направление колебаний, называется линейно поляризованной или плоско поляризованной волной (рис.2б).
Таким образом, естественный свет можно представить себе как наложение огромного числа линейно поляризованных волн с равномерно представленными направлениями колебаний векторов Е и Н.
Плоскость, содержащая векторы Е и ῡ, называется плоскостью колебаний, а плоскость, содержащая векторы Н и ῡ — плоскостью поляризации волны. Очевидно, что эти плоскости взаимно перпендикулярны.
Кроме волн с плоской поляризацией, есть волны, в которых векторы Е и Н вращаются вокруг направления распространения волны с определенной угловой скоростью. Такие волны называются эллиптически поляризованными.
Выделение из световых потоков волн, в которых колебания вектора Е (равно как и Н) происходит в одной плоскости или волн, в которых векторы Е и Н вращаются вокруг направления распространения волны, называется поляризацией света.
Получить поляризованный свет из естественного можно различными способами.
Частичную или полную поляризацию света можно наблюдать, например, при отражении света от границы раздела двух сред или при двойном лучепреломлении.
Двойное лучепреломление
Еще в 1670 г. Эразм Бартоломинус заметил, что при прохождении светового луча через анизотропный кристалл (исландского шпата) луч раздваивается. Это явление получило название двойного лучепреломления. Кристаллы исландского шпата имеют гексагональную структуру (ромбоэдр); ограничивающие его плоскости имеют форму параллелограмма с углами 78°08' и 101°52' (рис.3).
По
выходе из кристалла оба луча имеют
напраьления, параллельные первоначальному.
При рассматривании сквозь такой кристалл какого либо объекта (например, точки на бумаге), объект двоится.
Свойством двойного лучепреломления обладают многие естественные
кристаллы, например, кварц, исландский шпат, слюда. Не дают
двойного лучепреломления кристаллы, решетка которых имеет кубическую структуру (например, кристаллы каменной соли).
Один из лучей, наблюдаемый при двойном лучепреломлении и названный обыкновенным (о), подчиняется обычным законам преломления. Второй луч назван необыкновенным (е). Для него отношение
(1)
Это значит, что для необыкновенного луча показатель преломления зависит от угла падения i, или, как следует из соотношения
(2)
скорость распространения необыкновенного луча в кристалле зависит от направления распространения (анизотропия свойств кристалла).
Меняя направления падающего луча, можно убедиться, что в двоякопреломляющем кристалле существуют такие направления, распространяясь вдоль которых луч не испытывает двойного лучепреломления. Для исландского шпата таким направлением является направление, параллельное диагонали АВ, соединяющей тупые углы естественного ромбоэдра (рис.3).
Прямая, проведенная через любую точку кристалла в направлении, в котором не происходит двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Плоскость, содержащая оптическую ось и данный луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла, соответствующей этому лучу.
Через двоякопреломляющий кристалл, очевидно, можно провести бесчисленное множество главных сечений (соответствующих разным лучам). Линия пересечения любых двух главных сечений является оптической осью.
Исследования показали, что обыкновенный и необыкновенный лучи плоско поляризованы, причем плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны.
Обыкновенный луч поляризован в плоскости соответствующего ему главного сечения, а необыкновенный — перпендикулярно к плоскости соответствующего ему главного сечения.
Кристаллы, имеющие лишь одно направление, вдоль которого не происходит двойного лучепреломления, называются одноосными. Существуют кристаллы, имеющие два таких направления (двуосные кристаллы).
Если вырезать из одноосного кристалла (например, кварца) плоскую пластинку таким образом, чтобы оптическая ось была параллельна преломляющей грани, и направить на нее свет перпендикулярно, то обыкновенный и необыкновенный лучи пройдут не раздваиваясь, в одном направлении, но с разными скоростями.
Кроме естественных кристаллов двойное лучепреломление может наблюдаться у веществ в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) в тех случаях, когда оптическая анизотропия у них может быть вызвана искусственным путем (например, при механической деформации, в электрическом или магнитном полях)