5. Оптически активные вещества. Поляриметрия.

Оптически активными называются вещества, вызывающие поворот плоскости поляризации света, проходящего сквозь них.

Упражнения на поворот плоскости поляризации с помощью пространственного воображения см. в разделе 1.

К оптически активным кристаллам относится, например, кварц. Но кварцевая посуда, изготовленная из аморфного плавленого кварца, этим свойством не обладает.

Оптическую активность проявляют некоторые жидкости (скипидар, никотин, и др.), а так же водные и спиртовые растворы многих веществ.

При прохождении поляризованным светом каждого очередного слоя оптически активного вещества, к основным колебаниям вектора добавляются малые векторные слагаемые ∆. Результирующие колебания будут происходить вдоль вектора , повернутого относительно на угол ∆

На схемах рис. 4 представлены две возможности поворота плоскости поляризации. В природе обе они реализуются, и существуют лево- и правовращающие оптически активные вещества и растворы.

Рис. 4

Угол поворота φ плоскости поляризации растет от слоя к слою «по накопительному принципу», и на выходе из образца пропорционален длине пути l светового луча в образце:

(2)

Здесь с – концентрация раствора оптически активного вещества; если это не раствор, а индивидуальное вещество, то с = 1.

 - удельное вращение плоскости поляризации. Как коэффициент пропорциональности, эта величина имеет смысл угла поворота плоскости поляризации при прохождении светом слоя единичной длины и единичной концентрации. Различные вещества могут отличаться по этому показателю весьма значительно. Подобно показателю преломления, удельное вращение является функцией длины волны (частоты) падающего света.

Поляриметры – оптические приборы, предназначенные для измерения концентрации оптически активных растворов. Они основаны на измерении угла поворота φ плоскости поляризации и его интерпретации на основе формулы (2).

Оптическая схема поляриметра:

Рис. 5:

Здесь S – источник света (солнце, лампочка накаливания). Обычно свет от него направляется в прибор с помощью поворотного зеркальца, на схеме не показанного.

П – поляризатор – николь, предназначенный для получения плоскополяризованного света.

А – анализатор – такой же николь, предназначенный для измерения угла поворота плоскости поляризации.

К – кювета с оптически активным раствором.

Если кювета К отсутствует, и оптическая ось анализатора параллельна оптической оси поляризатора, то плоскополяризованный необыкновенный луч, возникший в николе П, беспрепятственно пройдет и николь А. Прибор настроен «на свет».

Теперь, если между П и А помещена кювета с оптически активным раствором, и он повернул плоскость поляризации на угол φ, то для сохранения прежней интенсивности света на выходе прибора, анализатор А нужно повернуть относительно оси всей системы на точно такой же угол φ.

Если, при отсутствии кюветы, оптические оси николей П и А не параллельны, а скрещены под некоторым углом φ, то интенсивность света I на выходе этой системы весьма сильно зависит от φ:

I = I₀cos² φ (3)

Этот результат известен как закон Малюса. График этой зависимости:

Из формулы (3) и ее графика следует, в частности, то обстоятельство, которое подчеркивалось в конце предыдущего раздела: оптическая система из двух призм Николя, оптические оси которых скрещены под углом  = +90⁰ или  = -90⁰, свет не пропускает (система «настроена на темноту»)

Поворот николя П и измерение угла этого поворота осуществляются с помощью оптико-механического приспособления. Для отсчета значений угла используется окуляр.

Хитрости, изобретенные для повышения точности отсчета угла φ, мы здесь не обсуждаем. Они обусловлены плавным ходом графика вблизи значений φ = 0 и φ = 90⁰; эта плавность – потенциальный источник ошибок при установке значений  = 0 или  = 90⁰

Если поляриметр предназначен для измерения концентрации сахара, то его шкала может быть проградуирована непосредственно в единицах концентрации сахара. Такой прибор называется сахариметром.