лабы по оптике

Таблица

Зависимость удельного вращения от длины волны

Вместо удельного вращения химики часто пользуются другой константой - молекулярным вращением. Молекулярное вращение указывает углы вращения, которые пропорциональны молекулярным массам соответствующих оптически активных соединений.

Молекулярное вращение обозначается M t и вычисляется по формуле

где Mм - молекулярная масса.

Знание молекулярного вращения позволяет сравнивать равные количества оптически активных молекул и, таким образом, яснее видеть закономерности.

Измерение оптической активности растворов

Для измерения вращения плоскости поляризации используют приборы, называемые поляриметрами. Поляриметры, применяемые в сахарной промышленности, имеют специфическую шкалу отсчета, и поэтому их называют еще сахариметрами.

Структурная оптическая схема поляриметра приведена на рис. 5.

420

почти параллельно поляризатору N1. Угол между плоскостями пропускания поляризаторов составляет около 3o. Поэтому, если поставить анализатор 5 (рис.5) на затемнение поля N2 (скрещенное положение), мы не получим полного затемнения N1, и наоборот, затемнив вращением анализатора открытую часть поля зрения N1, будем иметь слабо освещенную половину поля, покрытую N2. При некотором среднем положении анализатора обе половины поля зрения окажутся одинаково освещенными. К такому положению и следует приводить анализатор до и после помещения в прибор

параллельных николях вести измерения нельзя, так как точность отсчета очень низка.

Вполяриметрах в качестве анализатора часто используется устройство

-оптический компенсатор, состоящий из оптически активных материалов: право- и левовращающего кварца. Устройство оптического компенсатора показано на рис. 8.

Компенсатор состоит из кварцевого клина правого вращения 1, стеклянного контрклина 2, подвижного клина 3 из кварца левого вращения. Клин 3 соединен со шкальным устройством 4. При перемещении подвижного клина, за счет изменения оптического пути по кварцу, плоскость поляризации компенсатора будет вращаться вправо или влево, таким образом, всегда имеется возможность установить анализатор и поляризатор в скрещенное положение. Чтобы оптический путь света при прохождении компенсатора всегда оставался постоянным, в компенсаторе используется стеклянный контрклин.

Порядок выполнения работы

Работа выполняется на универсальном сахариметре СУ-3. Отличительной особенностью прибора является использование международной сахарной шкалы. 100о S этой шкалы соответствует 34,62о угловым. В работе используются стандартные поляриметрические кюветы длиной 100, 200, 400 мм, заполненные растворами сахарозы и фруктозы разной концентрации.

422

Перед началом наблюдений установить окуляр зрительной трубы на резкое видение границы раздела поля зрения. Аналогично установить лупу шкалы на максимальную резкость изображений элементов шкалы.

Определить нулевую точку прибора. Для этого в отсутствие поляриметрической кюветы уравнять яркости полей зрения в скрещенном положении анализатора и поляризатора и снять показания, пользуясь шкалой нониуса. Установку и отсчет повторить пять раз. Среднее значение принять за нулевую точку.

Все поляриметрические измерения проводить в полузатемненном помещении. Поместить в прибор поляриметрическую кювету, окуляром зрительной трубы установить резкое видение границы раздела, выждать 3-5 мин для прекращения движения жидкости и выравнивания температуры, уравнять яркости полей и снять отсчет. Найти среднее из пяти установок анализатора. Определить угол вращения в угловых градусах с учетом значения нулевой точки.

5.Задания

1.Изучить техническое описание сахариметра. Уяснить назначение каждого элемента оптической схемы прибора.

2.Измерить углы вращения плоскости поляризации для всех имеющихся растворов сахарозы и фруктозы.

3.Используя данные значения концентраций растворов, вычислить удельное вращение для фруктозы и сахарозы по каждой кювете.

4.Провести статистическую обработку результатов.

5.Построить методом наименьших квадратов графики зависимости углов вращения от концентрации растворов для фруктозы и сахарозы. При построении графиков учесть, что кюветы имеют разную длину.

6.По уравнению прямой определить удельное вращение веществ.

7.Сравнить результаты между собой и с табличными значениями.

6.Контрольные вопросы

1.Какие вещества называются оптически активными?

2.Какой свет называется поляризованным, естественным?

3.Чем отличается линейно поляризованный свет от поляризованного по кругу?

4.Как объясняет вращение плоскости поляризации теория Френеля?

5.Почему теорию Френеля называют феноменологической?

6.Как можно объяснить вращение плоскости поляризации с точки зрения электронной теории строения вещества?

7.В чем особенность строения оптически активных молекул, кристаллов?

423

8.Как устроен поляриметр (основные узлы)?

9.Как образуется полутень по Липпиху?

Приложение

Роль асимметрии в природе

Асимметрия – это наличие зеркальной симметрии у молекул и кристаллов. Оптическая активность связана с наличием двух форм – правой и левой. Понятия правого и левого – принципиальные и глубокие свойства пространства. Об этом свидетельствуют, в частности, и современные данные физики элементарных частиц. Большая част асимметричных молекул органических веществ содержит асимметричный элемент – атом углерода, связанный четырьмя валентными связями с различными радикалами. Две такие формы – оптические антиподы – показаны на рис. П1. Зеркальные изомеры вещества имеют, как правило, одинаковые химические свойства, плотность, температуру плавления и т.д. Основное их специфическое свойство – оптическая активность, когда правые и левые формы вращают плоскость поляризации в разных направлениях. Это единственный, надежный и точный метод исследования разных форм асимметричных

веществ. Следует отметить, что если составить среду (например, жидкую) из равных частей правовращающей и левовращающей форм, то полученная смесь не будет вращать плоскость поляризации. Данные смеси называются рацематами. В неживой природе асимметричные вещества встречаются только в виде рацематов. Такое состояние наиболее вероятно, оно обладает максимальной энтропией. В обычных условиях химического синтеза всегда

получается рацемическая смесь, не вращающая плоскость поляризации света. Иная картина наблюдается в живой природе. Важнейшие биологические вещества – аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы – присутствуют во всех живых организмах в виде чистых асимметричных форм (чистых антиподов). Это свойство живого имеет большое общебиологическое значение. Оно открыто давно, но суть такого значения до сих пор не вполне понятна. С общей точки зрения важно отметить, что в этом проявляется отклонение энтропии данной системы от максимально возможного значения. Это отличительное свойство живых организмов выражает общий закон упорядоченности живой материи. Асимметрия присуща не только биологическим молекулам, но и организмам в целом на морфологическом уровне (винтовые структуры колоний бактерий, правые и левые спирали раковин, винтовое строение вьющихся растений и

424

т.д.). Оптическая активность и ее дисперсия (зависимость от длины волны) служат ценным методом исследования структуры и свойств различных молекул и особенно в стереохимии – учении о пространственном строении молекул. Именно с помощью оптической активности Пастер заложил (1848) основы этого учения.

Список литературы

1.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика /Д.В.Сивухин. - М.;

Наука, 1980.

2.Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике / Р.Фейнман. - М.:

Мир, 1976. - Т. 3 – 4.

3.Справочник химика. - М. - Л.: Химия, 1965. – Т.4.

Лабораторная работа 4.2 Изучение закономерностей отражения поляризованного

425

излучения от поверхности твёрдых тел

Цель работы:

Исследование зависимости коэффициентов отражения поляризованного света от угла падения на поверхность прозрачного диэлектрика;

определение угла Брюстера и показателя преломления стекла;

проверка закона Малюса.

Введение

Изучение закономерностей отражения поляризованного света от границы раздела двух сред или пленки между ними позволяет определить свойства этих переходных областей от одной среды к другой и наблюдать происходящие здесь физико-химические явления. Раздел оптики, рассматривающий такие закономерности, называется эллипсометрией. Метод эллипсометрии основан на изменения состояния поляризации луча поляризованного света при отражении его от границы раздела двух сред. Эти изменения в состоянии поляризации весьма чувствительны к наличию на поверхности твердых тел окисных пленок, покрытий, неоднородностей и к оптическим постоянным самого материала. Эллипсометрия − наиболее эффективный метод исследования физики поверхностных явлений.

В данной работе предлагается исследовать закономерности отражения поляризованного излучения от поверхности прозрачного диэлектрика и металла.

Краткая теория

Рассмотрим распространение простой электромагнитной волны, падающей на плоскую границу, разделяющую две однородные непроводящие изотропные среды (диэлектрики). Падение излучения на поверхность металла дано в «Приложении». При этом будем предполагать, что обе среды бесконечны, иначе необходимо учитывать волны, отраженные от внешних границ сред. С такими волнами приходится считаться при отражении света от ограниченных поверхностей, например пластинок.

Если на границу раздела двух сред с разными оптическими свойствами падает плоская волна, то она делится на две волны: отраженную и проходящую во вторую среду (преломленную). Таким образом, электромагнитное поле в первой среде образуется из поля падающей и отраженной волн, а во второй – из поля

426

Граничные условия требуют, чтобы на границе двух сред тангенциальные составляющие напряженности электрического поля были

1)нормали к падающей, отраженной и преломленной волнам лежат в одной плоскости, то есть в плоскости zx;

2)cos cos 1 и, следовательно, = , т.е. угол падения волны равен углу

отражения;

Рассмотрим падение на границу раздела неполяризованного (естественного) света. Для любого момента времени электрический вектор волны можно представить в виде суммы двух составляющих, одна из

427

которых параллельна плоскости падения, а другая перпендикулярна к ней, т.е. естественный свет можно рассматривать как сумму двух монохроматических плоских волн, распространяющихся в одном направлении с одинаковой фазовой скоростью, но поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Таким образом, решение исходной задачи можно свести к рассмотрению двух частных случаев:

а) электрический вектор Е лежит в плоскости падения электромагнитной волны;

б) электрический вектор перпендикулярен к плоскости падения волны.

Зная эти две составляющие при произвольной ориентации вектора, нетрудно вычислить величину суммарной напряженности поля Е по формуле

Напомним, что плоскостью падения волны называется плоскость, проходящая через направление распространения волны и нормаль к поверхности.

Итак, вектор Е лежит в плоскости падения волны. Направления векторов Е||, Е1|| и Е2|| для какого-то момента времени показаны на рис.2. Направление векторов Н, Н1 и Н2 уже определено вектором направления для Е||, Е1|| и Е2||. Они направлены перпендикулярно к плоскости чертежа.

Рис. 2. Направления векторов Е и Н на границе раздела

На границе раздела для проекций амплитуд векторов Е|| и Н имеем

428

Отсюда после преобразований, с учетом того, что Н00=n1E00||, H10=n1E10||,

H20=n2E20|| и sin sin n2/n1, получаем

Аналогичными преобразованиями и рассуждениями [1-4] для амплитуд перпендикулярных составляющих вектора Е получим

Формулы (5), (6) носят название формул Френеля.

Для характеристики перераспределения интенсивности падающей волны между отраженной и преломленной волнами вводят коэффициенты отражения R и пропускания T, равные отношениям интенсивностей соответственно отраженной и преломленной волн к интенсивности падающей волны. Из формул Френеля (5) и (6) следует, что

Рис. 3. Зависимость коэффициентов отражения R от угла падения

429