Контрольные вопросы.

1. Что такое электромагнитная волна?

2. Что такое поляризованный свет?

3. Каковы методы получения поляризованного света?

4. Как отличить поляризованный свет от неполяризованного?

5. Сформулировать закон Малюса.

6. Сформулировать закон Брюстера.

7. Что такое двойное лучепреломление?

8. Чем отличаются свойства обыкновенного и необыкновенного лучей?

9. Опишите метод векторных диаграмм, пояснив его на примере.

10. Приведите примеры использования свойств поляризованного света.

20

Работа 43 изучение явления вращения плоскости поляризации света

Цель работы. Ознакомление с оптическим методом определения концентрации растворов оптически активных веществ по измерению зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации оптически активного вещества в растворе.

Приборы и принадлежности. Источник света, матовый фильтр, конденсорная линза, трубка с исследуемыми растворами, кварцевый компенсатор, поляроид-анализатор, окуляр.

Введение

Электромагнитные волны являются поперечными: колебания векторов напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н перпендикулярны направлению скорости распространения волны и совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если источником света служит множество атомов или молекул, то испускаемые ими волны не являются когерентными, поскольку пространственная ориентация векторов Е и Н в них, а также моменты испускания волн быстро и беспорядочно меняются. Таким образом, в естественном свете, испускаемом обычными источниками (некогерентными), колебания вектора напряженности электрического поля Е совершаются вдоль всевозможных хаотически изменяющихся направлений, перпендикулярных направлению распространения волны. Если в световой волне колебания вектора Е совершаются только в одной плоскости, проведенной через направление распространения волны, то такая волна называется линейной или плоскополяризованной. При этом и колебания векторов Н также происходят только в одном направлении. Плоскость, проведенная через

21

направление колебаний вектора Н и направление распространения волны, называется плоскостью поляризации. Плоскость, проведенная через направление колебаний вектора Е и направление распространения волны,

называется плоскостью колебаний.

Поляризация света наблюдается при отражении, преломлении и рассеянии света, а также при прохождении света через кристаллы и некоторые растворы.

Многочисленными опытами установлено, что именно вектор напряженности электрического поля Е преимущественно обуславливает физиологическое (такова оптика человеческого глаза), фотоэлектрическое, фотохимическое и другие воздействия. Это связано с тем, что наибольший результат взаимодействия света с веществом определяется воздействием электрического поля световой волны на элементарные заряды (в первую очередь свободные и связанные электроны). Именно поэтому вектор напряженности электрического поля называют световым вектором.

При прохождении через кристаллы и оптически активные растворы плоско поляризованного света может происходить поворот плоскости поляризации (вращение плоскости поляризации). Вещества (кристаллы и растворы), при прохождении которых происходит вращение плоскости поляризации проходящего через них света, называются оптически активными: а само явление -естественное вращение плоскости поляризации. Примером оптически активных веществ являются: кварц, киноварь (кристаллы), скипидар, никотин (чистые жидкости), водные растворы сахара и глюкозы, раствор камфоры в бензоле (жидкие растворы) и другие.

В оптически активных кристаллах и чистых жидкостях угол поворота плоскости поляризации света б» пропорционален толщине слоя вещества , пройденного светом:

(1).

Коэффициент называется удельным вращением (удельным вращением называется физическая величина, численно равная углу поворота плоскости поляризации при прохождении светом оптически активного вещества единичной толщины). Величина удельного вращения зависит от природы вещества, температуры вещества и длины волны в вакууме проходящего сквозь вещество света (вращательная дисперсия).

22

В оптически активных растворах (эксперименты Ж.Био):

(2),

где - удельное вращение раствора, С - концентрация растворенного в жидкости вещества, - толщина, пройденная светом.

Качественная теория вращения плоскости поляризации предложена Френелем. Для многих оптически активных веществ обнаружено две их модификации, осуществляющие вращение плоскости поляризации в двух взаимно противоположных направлениях - по часовой стрелке и против (наблюдатель смотрит навстречу лучу). Соответственно, первая модификация называется правовращающей или положительной ( > 0) и левовращающей или отрицательной ( < 0). Любую линейно поляризованную волну (падающую на оптически активное вещество) можно представить как векторную сумму двух составляющих, поляризованных по кругу с правым и левым вращением. Эти волны имеют разные скорости распространения в веществе V - для волны с левым вращением и V - для волны с правым вращением. Соответственно, показатели преломления для этих волн также различны: и ,. При V > V оптически активное вещество называется правовращающим, а при V > V - левовращающим.

Поскольку векторы напряженностей электрического поля в каждой поляризованной по кругу волне вследствие разной скорости распространения в среде при прохождении одинаковой толщины повернутся на разные углы (при угле поворота больше 360° совершат разное количество оборотов), то результирующий вектор при выходе из среды окажется повернутым на некоторый угол ,9 относительно направления плоскости поляризации падающего на вещество плоско поляризованного света.

С точки зрения современной электромагнитной теории каждую молекулу или атом кристалла (жидкости) можно рассматривать как совокупность электромагнитных осцилляторов. В молекулах отсутствует центр симметрии или плоскость симметрии. В кристаллических веществах возможно смещенное расположение молекул (например, смещение их по спирали относительно проходящего луча света сквозь кристалл). Вращение

23

плоскости поляризации световой волны является результатом взаимодействия волны с этими осцилляторами и связано с некоторой асимметрией в их структуре.

Соотношение (2) позволяет быстро определить концентрацию растворенного в жидкости вещества и служит основой сахариметров - приборов для определения концентрации сахара в водных растворах. Сахариметры используются в процессе контроля за производством на сахарных заводах, при выпуске соков и виноградных вин.

Простейший способ наблюдения естественного вращения плоскости поляризации предполагает поместить оптически активное вещество между двумя поляроидами: поляризатором и анализатором. Если плоскости поляризации обоих поляроидов взаимно перпендикулярны, то в отсутствие оптически активного вещества на выходе системы света не будет (поле зрения будет темным). При внесении между поляроидами оптически активного вещества происходит поворот плоскости поляризации света на некоторый угол, поэтому поле зрения становится светлым. Отметив положение анализатора и повернув его так, чтобы поле зрения стало опять темным, можно найти угол поворота плоскости поляризации света в исследуемом оптически активном веществе.

Определение угла поворота плоскости поляризации визуальным способом по положению анализатора, соответствующего темному полю, сопряжено с достаточно большими погрешностями измерений. Большую точность удается достигнуть полутеневым методом, в котором отсчет производится от положения анализатора, соответствующего полям сравнения, имеющим одинаковую яркость. Измерения угла вращения плоскости поляризации производятся с помощью поляриметров. В основе простейшего полутеневого поляриметра лежит использование призмы Николя.