metod_uk_4sem / Квантовая оптика (51-57) PDF / Мет. 53

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет

53

Изучение естественного вращения плоскости поляризации

Методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей дневной и заочной формой обучения

Ухта

2007

ИЗУЧЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Цель работы – ознакомление с явлением вращения плоскости поляризации, определение удельной постоянной [ ] для сахарных растворов определение неизвестной концентрации сахара в контрольных растворах.

Краткая теория

Свет представляет собой процесс распространения электромагнитных колебаний вдоль светового луча. При этом векторы напряжённости переменных

электрического поля E совершаются в одной плоскости (как это показано на рисунке 1), называется линейно (или плоско) поляризованной.

Такой плоско-поляризованный свет даёт отдельно излучаемый атом (в течение всего периода излучения этого атома).

Опыт показывает, что химическое, физиологическое и другие виды воздействия света на вещество обусловлено электрическими колебаниями. Поэтому, а также для упрощения рисунков, изображающих световую волну (или луч), мы будем говорить только о векторе напряжённости электрического поля E, а плоскость, в которой он колеблется будем называть плоскостью колебаний. (При этом следует помнить об обязательном существовании перпендикулярного ему вектора напряжённости H ). Тогда плоскополяризованный луч можно схематически изобразить так, как это показано на рисунке 2а (луч перпендикулярен плоскости рисунка; векторы соответствуют амплитудным значениям напряжённости электрического поля)

3

Свет, в котором представлены электромагнитные волны со всевозможными направлениями колебаний векторов E и H называется естественным светом (Рис. 2б). Такой свет дают реальные источники света.

Всевозможные ориентации плоскости колебаний векторов E

(а следовательно и H ) обусловлены тем, что всякий реальный источник состоит из множества атомов, излучающих беспорядочно, и естественный свет является наложением бесчисленного количества линейно -поляризованных волн. Тогда мгновенная фотография расположения элементарных векторов E от каждого излучателя будет подобна схеме, изображённой на рисунке 2(б).

Естественный свет можно поляризовать, т.е. выделить из пучка естественного света лучи, поляризованные в одно й плоскости.

Поляризация света наблюдается при отражении света от поверхности диэлектрика, а также при пропускании его через анизотропные среды, неодинаково пропускающие лучи, колебания в которых осуществляются в разных плоскостях.

Устройства, с помощью которых получают поляризованный свет, называют поляризаторами. Для поляризации света применяются также искусственные плёнки-поляроиды, представляющие собой целлулоидные плёнки, в которые введено большое количество кристаллов гепатита, обладающих анизотропными свойствами.

Визуально поляризованный свет не отличается от естественного. Прибор, позволяющий их различить, называется анализатором. В качестве

анализаторов применяются те же самые пол яризаторы (диэлектрики, призмы Николя, поляроиды). Поляризатор и анализатор совершенно одинаковы, их можно менять местами, данные названия лишь назначение пластинок.

4

Если взять два поляроида (рис. 3): один поляроид Р – поляризатор; из

пропорционально квадрату косин уса угла между направлением плоскостей колебаний (вектора E ) поляризатора и анализатора, т.е.

где I0 – интенсивность света, выходящего из поляризатора Р.

Закон Малюса очень легко выводится. Если интенсивность падающего на поляризатор естественного света равна I0 , то

перпендикулярны ( =90 ), то говорят, что поляризатор и анализатор скрещены

– установлены на гашение света (через скрещенные поляризаторы све т не проходит). Если направления плоскостей поляризатора РР и анализатора АА совпадают ( =0 ), то интенсивность проходящего света будет максимальна. Для любого другого угла интенсивность света вычисляется по формуле (1).

При прохождении плоскополяризованно го света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости колебаний светового вектора или, как принято говорить, вращение плоскости поляризации. Вещества, обладающие такой способностью называются оптически активными. К их числу принадлежат кристаллические тела (кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара и т.д.).

5

Угол поворота плоскости колебаний поляризованного луча для твёрдых тел пропорционален пути , пройденному лучом в кристалле

Коэффициент называется постоянной вращения.

Для оптически активных растворов угол поворота плоскости поляризации определяется формулой:

Коэффициент [ ] зависит от природы вещества, температуры и длины волны падающего света. У сахарны х растворов при t=20 С для жёлтых лучей ( = 5893 А), [ ] = 66,46 град см3/дм г.

Вращение плоскости колебаний поляризованного света обусловлено особенностями структуры активных веществ (асимметричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни п лоскости симметрии).

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются на право - и левовращающие. Направление вращения не зависит от направления луча. По этому, если луч, прошедший через оптически активн ый кристалл вдоль оптической оси, отразить зеркалом и заставить пройти через кристалл ещё раз в обратном направлении, то восстанавливается первоначальное положение плоскости поляризации.

Если между двумя скрещенными поляризаторами (рис 4а) поместить кювету с раствором сахара, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть второй поляризатор на угол , определяемый выражением (6). Зная удельную постоянную вращения [ ] данного вещества и длину можно, измерив угол поворота , определить концентрацию раствора C:

6

Такой способ определения концентрации широко применяется в производстве различных веществ, в частности в сахароварении (соответствующий прибор называется с ахариметром).

Установка анализатора на темноту не может быть осуществлена достаточно точно. Поэтому в место обычного поляризатора применяют так называемые полутеневые устройства, с помощью которых производится установка не на темноту, а на равенство освещё нностей двух половин поля зрения. Простейшее полутеневое устройство представляет собой сочетание двух расположенных рядом поляризаторов, плоскости которых Р'Р' и Р"Р" образуют небольшой (порядка 5 ) угол (рис 4б).

Если плоскость колебаний анализатора перп ендикулярна биссектрисе этого угла, то обе половины поля зрения будут одинаково затемнены. При малейшем повороте анализатора равенство освещённостей сразу нарушается. Глаз очень чувствителен к нарушению равенства освещённостей соседних полей. Поэтому с помощью полутеневого устройства положение плоскости поляризации может быть установлено с большей точностью, чем путём установки анализатора на темноту.

7

Описание прибора

Используемый в работе прибор (рис. 5) называется круговым поляриметром. Его основные части: 1 – поляризатор с оранжевым светофильтром; 2 – трубка с исследуемым раствором; 3 – неподвижный лимб, цена деления которого 1 ; 4 – анализатор, вращающийся вместе с нониусом, точность отсчета по которому 0,05 ; 5 – ручка вращения анализатора; 6 – муфта, поступательными перемещениями которой наводят окуляр на резкое видение тройного поля зрения; 7 – окулярное окно с двумя линзочками на краях оправы для рассматривания лимба и нониуса; 8 – стержень для крепления прибора к штативу.

Снятие отсчёта по градусной шкале производится так же, как и на штангенциркуле, т.е. нулевое деление нониуса указывает целое число градусов; десятые доли градуса определяются по шкале нониуса – их число равно тому делению шкалы нониуса, с которым совпадает одно из делений ш калы лимба.

В применяемом поляриметре применён принцип уравнивания яркостей разделённого на три части поля зрения. Разделение поля зрения на три части осуществляется введением в

оптическую систему прибора кварцевой пластинки, которая располагается после поляризатора и занимает только среднюю часть поля зрения, как показано на рисунке 6. Кварцевая пластинка вызывает поворот плоскости поляризации в средней части поля зрения на

небольшой угол, порядка 3 – 5 , поэтому интенсивность лучей, прошедших

8

через анализатор будет в общем случае различной для средней и крайних частей поля зрения.

При настройке прибора на равное затемнение средней и крайних частей поля зрения плоскость анализатора оказывается перпендикулярной к биссектрисе угла между плоскостями Р'Р' и Р"Р".

В этом положении анализатора отсчёт по шкале лимба должен, вообще говоря, соответствовать нулю градусов, но чаще всего имеет место отклонение в ту или иную сторону до одного градуса, поэтому перед работой на приборе производится определение нулевого отсчёта.

Целью данной работы является ознакомление с явлением вращения плоскости поляризации, определения удельной постоянной вращения [ ] для сахарных растворов и определение неизвестной концентрации сахара в контрольных растворах.

Выполнение работы

1.Ознакомится с устройством прибора по описанию и рис. 5.

2.Вынуть из прибора трубку с раствором, закрыть шторкой вырез трубы от постороннего света и включить лампу - осветитель.

3.Продольными перемещениями муфты 6 сфокусировать окуляр на резкое видение тройного поля зрения. Перемещениями лампы – осветителя добиться наибольшей яркости поля зрения.

4.Вращением маховика 5 убедиться в том, что установку полей на одинаковую яркость можно осуществить при двух взаимно перпендикулярных положениях анализатора. В одном случае яркость будет минимальна, в другом максимальна.

5.Медленным вращением добиться равномерного затемнения тройного поля зрения и записать нулевой отсчёт io. Это измерение проделать пять раз, и вычислить среднее значение.

6.Поместить в прибор трубку с раствором известной концентрации и вновь произвести фокусировку окуляра на резкость. Добиться равномерной затемнённости поля зрения и снять отсчёт i по шкале лимба и нониуса. Повторить снятие отсчёта ещё четыре раза.

9

7.Поместить в прибор трубку с раствором сахара неизвестной концентрации и снять отсчёт, соответствующий равномерному затемнению поля зрения. Аналогичные измерения провести с другими трубками.

8.Вычисляют для всех растворов угол поворота плоскости поляризации по разности средних значений углов i и io.

9.Измерить с помощью линейки длину слоя жидкости (в дм.) для каждой трубки. Толщину покрывных стёкол принять равной 1,5 мм.

10.По результатам опыта с раствором известной концентрации

вычислить удельную постоянную вращения сахарных раство ров [ ].

11. Пользуясь полученным значением [ ], определить концентрацию сахара в других трубках.

Контрольные вопросы

1.Что называется естественным светом? плоскополяризованным светом? частично поляризованным светом?

2.Как практически отличить плоскополяризованный свет от естественного?

3.Сформулировать закон Малюса. Пояснить на рисунке все величины, входящие в закон.

4.Интенсивность естественного света пропущенного через два поляризатора уменьшилось вдвое. Как ориентированны поляризаторы?

5.На поляризатор попадает циркулярно поляризованный свет с интенсивностью I0. Какова интенсивность света за поляризатором?

6.Какие поляризационные приборы вы знаете? В чем заключается принцип их действия?

7.Что называется пластинкой в четверть волны? в полволны?

8.Каково будет действие пластинки в полволны на естественный свет? на плоскополяризованный свет, плоскость поляризации которого составляет угол 450 с оптической осью пластинки?

10