Краткая теория

Естественный и поляризованный свет

Свет – это электромагнитные волны, уравнение которых имеет вид:

где - вектор напряжённости электрического поля,

- вектор магнитной индукции,

- скорость распространения электромагнитной волны.

Химическое и биологическое действие света в основном связано с электрической составляющей поля электромагнитной волны. Поэтому вектор напряжённости электрического поля называется световым.

Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света. Колебания векторов напряженности электрического поля происходят во всевозможных направлениях, и поэтому плоскости их колебаний постоянно изменяются.

луч

Если выбрать две любые взаимно перпендикулярные плоскости, проходящие через луч естественного света, и спроецировать векторы на плоскости, то в среднем эти проекции будут одинаковыми. Поэтому луч естественного света удобно изображать как прямую, на которой расположено одинаковое число тех и других проекций в виде чёрточек и точек:

Если же направления колебаний вектора напряженности электрического поля упорядочены каким-либо образом, то свет называется поляризованным. При некоторых условиях можно получить свет, в котором плоскость колебаний вектора занимает постоянное положение в пространстве.

Электромагнитную волну, в которой векторы лежат в одной определённой плоскости, называютплоскополяризованной.

Плоскость, проходящая через электрический вектор в направлении распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. Изображают такую волну прямой с чёрточками или точками:

Луч света, состоящий из естественной и поляризованной составляющих, называют частично поляризованным:

Поляризатор и анализатор

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает только составляющие вектора на некоторую плоскость – главную плоскость поляризатора. Т.е. он пропускает колебания, параллельные только одной (главной) плоскости, и полностью задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости. При этом через поляризатор проходит поляризованный свет, интенсивность которого равна половине интенсивности падающего света:

,

где - интенсивность поляризованного света,

- интенсивность естественного света.

При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоскополяризованного света, но интенсивность его не изменяется.

Человеческий глаз не обнаруживает различия между поляризованным и естественным светом. Чтобы исследовать, является ли свет после прохождения поляризатора действительно поляризованным, на пути лучей ставят второй поляризатор, который называют анализатором. Он используется для анализа поляризованного света.

Закон Малюса

Пусть колебания вектора поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол  с главной плоскостью анализатора. Амплитуду этих колебаний можно разложить на 2 перпендикулярные составляющие:

–совпадает с главной плоскостью анализатора,

–перпендикулярна этой плоскости (рис.1):

Первая составляющая колебаний пройдёт через анализатор, вторая будет

задержана им.

Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна :

где – интенсивность света, вышедшего из

анализатора;

–интенсивность поляризованного света,

падающего на анализатор.

Эта зависимость выражает закон Малюса.

Если плоскости поляризатора и анализатора параллельны, , т.е., то экран, помещённый за анализатором, будет максимально освещённым.

Если , т.е.(поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет тёмным.

При повороте анализатора относительно луча падающего поляризованного света интенсивность вышедшего света изменяется от 0 до .

Вращение плоскости поляризации

Явление вращения плоскости поляризации заключается в повороте плоскости поляризации поляризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически-активными.

Пусть свет падает на систему поляризатор-анализатор, которые поставлены, скрещено, т.е. их главные плоскости перпендикулярны. Свет до наблюдателя не дойдёт, т.к. анализатор не пропустит поляризованный свет в соответствии с законом Малюса.

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку, то свет до наблюдателя будет доходить (Рис.2).

Если же анализатор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться затемнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол , соответствующий повороту анализатора для получения затемнения.

К оптически активным веществам относится ряд твёрдых тел (кварц, сахар и др.) и многие жидкости (скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота и др.).

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), называют правовращающими; а вещества, поворачивающие эту плоскость в противоположном направлении – левовращающими. Вращение обусловлено асимметричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии.

Угол поворота  плоскости колебаний поляризованного света в растворах пропорционален толщине слоя вращающего вещества и концентрациираствора:

,

где - удельное вращение (град∙м²/кг). Характеризует вращательную способность вещества. Для раствора удельное вращение равно углу, на который поворачивается плоскость колебаний поляризованного света, проходящего через слой раствора единичной толщины и единичной концентрации.

Удельное вращение зависит от длины волны света , поэтому одно и то же активное вещество поворачивает плоскость поляризации волн различной длины на разные углы. Так, например, слой водного раствора сахара толщиной 1дм при концентрации 1г/см³ поворачивает плоскость поляризации красного света (=0,656 мкм) на 53, жёлтого света (=0,589 мкм) на 66,5, зелёного света (=0,535 мкм) на 82.

Это явление называют вращательной дисперсией.

Угол поворота  плоскости колебаний поляризованного света в веществе:

.

Поляриметрия

На вращении плоскости колебаний поляризованного света основан простой и весьма точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ. Этот метод (поляриметрия) широко используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях, а так же в пищевой промышленности.

Прибор, служащий для определения концентрации растворов оптически активных веществ, называется поляриметром.

Устройство и принцип работы поляриметра

Принципиальная схема поляриметра:

Л - лампа накаливания

Ф - фильтр

О - объектив

П - поляризатор

КП - кварцевая пластинка

К - кювета с раствором

А - анализатор

Об - объектив

Ок - окуляр зрительной трубы