Московский государственный университет

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

ФИЗИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 43

МОСКВА  2009

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: вектора напряжённости электрического поля и напряженности магнитного поляперпендикулярны 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 векторовив них, а также моменты испускания волн быстро и беспорядочно меняются. Таким образом, в естественном свете, испускаемом обычными источниками (некогерентными), колебания вектора напряженности электрического полясовершаются вдоль всевозможных хаотически изменяющихся направлений, перпендикулярных направлению распространения волны. Если в световой волне колебания векторасовершаются только в одной плоскости, проведенной через направление распространения волны, то такая волна называется линейно- илиплоско-поляризованной. При этом и колебания векторов также происходят только в одном направлении. Плоскость, проведенная через направление колебаний вектораи направление распространения волны, называетсяплоскостью поляризации. Плоскость, проведенная через направление колебаний вектора и направление распространения волны, называетсяплоскостью колебаний¹.

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 преимущественно обуславливает физиологическое (такова оптика человеческого глаза), фотоэлектрическое, фотохимическое и другие воздействия света. 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 называютсветовым 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 через которые 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  пропорционален толщине слоя вещества l, пройденного светом:

  ₁l. (1)

Коэффициент ₁ 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).

В оптически активных растворах (эксперименты Ж. Био):

  ₂Cl, (2)

где ₂ – удельное вращение раствора, C – концентрация растворенного в жидкости вещества, l – толщина слоя вещества, пройденного 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 часовой стрелки (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 _ЛЕВ – для волны с левым вращением и _ПРАВ – для волны с правым вращением. Соответственно, показатели преломления для этих волн также различны: n_ЛЕВ и n_ПРАВ. При _ПРАВ  _ЛЕВ оптически активное вещество называется правовращающим, а при _ПРАВ  _ЛЕВ – левовращающим.

Поскольку векторы напряжённостей 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  относительно плоскости поляризации падающего на вещество плоско поляризованного света.

В молекулах кристаллов или жидкостей отсутствует центр симметрии или плоскость симметрии. В кристаллических веществах возможно смещённое расположение молекул (например, смещение их по спирали относительно проходящего луча света сквозь кристалл). Вращение 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 растворённого в жидкости вещества и служит физической основой работы сахариметров – приборов для определения концентрации сахара в водных растворах. Сахариметры используются в процессе контроля производства 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 из системы света нет (поле зрения будет тёмным). 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 тёмным, можно найти угол поворота плоскости поляризации света в исследуемом оптически активном веществе.

Определение угла поворота плоскости поляризации визуальным способом по положению анализатора, соответствующего тёмному полю, сопряжено с достаточно большими погрешностями измерений. Большую точность удаётся достигнуть полутеневым методом, в котором отсчёт 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.