Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 32.Поляризаторы (призма Николя, поляроид)

32.Поляризаторы (призма Николя, поляроид). Прохождение света через последовательно установленные поляризатор и анализатор. Закон Малю. Вращение плоскости поляризации света. Оптически активные вещества, оптические изомеры. Принцип устройства и работы поляриметра (сахариметра). Определение концентрации оптически активных веществ (лабораторная работа).

Рассмотрим наиболее распространенную призму, предложенную У.Николем (призма Николя. или просто николъ).

Николь представляет собой призму из исландского шпата, раз­резанную по диагонали и склеенную канадским бальзамом⁴ К (рис. 25.9). Для него n = 1,550; это значение лежит между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей исландского шпата. Это позволяет, подобрав соответствующим образом углы призмы, обеспечить полное отражение обыкновенного (о) луча на границе с канадским бальзамом. Отраженный луч в этом случае поглощается зачерненной нижней гранью или выводится из крис­талла. Необыкновенный (е) луч выходит из николя параллельно нижней грани.

На ином принципе основаны поляризаторы, изготовляемые из турмалина, герапатита (сернокислый иод-хинин) и некоторых дру­гих кристаллов, которые наряду с двойным лучепреломлением могут поглощать один из лучей значительно сильнее, чем другой (дихроизм). Так, в пластинке турмалина толщиной около 1 мм обыкновенный луч практически полностью поглощается и вышед­ший свет плоскополяризован.

Из мелких кристалликов герапатита выкладывают значительные площади на целлулоидной пленке. Для их ориентации используют электрическое поле. Такие устройства (поляроиды) могут работать как поляризаторы (анализаторы).

Основным недостатком турмалина и поляроидов по сравнению с николем являются их плохие спектральные характеристики. Белый свет после прохождения этих поляризационных устройств становит­ся окрашенным, в то время как николь прозрачен в видимой части спектра.

Достоинство поляроидов — большая поверхность, что позволяет использовать широкие световые пучки.

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. ПОЛЯРИМЕТРИЯ

Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на крис­таллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически активными.

Пусть монохроматический свет падает от источника S на систему поляризатор Р - ана­лизатор А (рис. 25.10), которые поставлены скрещение, т.е. их главные плоскости взаимно перпендикулярны. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропускает в соответствии с законом Малюса (φ = 90°) плоскополяризованный свет.

Если между поляризатором и анализатором поместить кварце­вую пластинку так, чтобы свет проходил вдоль ее оптической оси, то в общем случае свет дойдет до наблюдателя. 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.

Используя в опыте свет различной длины волн, можно обнару­жить дисперсию вращения плоскости поляризации (вращательную дисперсию), т.е. зависимость угла поворота от длины волны.

Для определенной длины волны угол а поворота плоскости поля­ризации пропорционален расстоянию /, пройденному светом в оп­тически активном веществе:

• а= а₀1,

где ао — коэффициент пропорциональности, или постоянная вра­щения (вращательная способность), град/мм.

Существует две модификации кварца, каждая из которых пово­рачивает плоскость поляризации в определенном направлении: по часовой стрелке — правовращающий (положительный) кварц, про­тив часовой стрелки⁵ — левовращающий (отрицательный). Постоян­ная вращения в обоих случаях одинакова.

Оптически активными являются также многие некристалличес­кие тела: чистые жидкости (например, скипидар), растворы опти­чески активных веществ в неактивных растворителях (раствор сахара в воде), некоторые газы и пары (пары камфоры).

Для растворов был установлен следующий количественный закон: • а = [a_о] С1,

где С •- концентрация оптически активного вещества; / — толщина слоя раствора; [а₀] -- удельное вращение, которое приблизительно обратно пропорционально квадрату длины волны и зависит от температуры и свойств растворителя.

Соотношение (25.6) лежит в основе весьма чувствительного мето­да измерения концентрации растворенных веществ, в частности сахара.

Этот метод (поляриметры или сахариметрия) широко исполь­зуют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях, а также в пищевой промышленнос­ти. Соответствующие измерительные приборы называют поляри­метрами или сахариметрами.

Поляриметр позволяет измерять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (диспер­сию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют специальные приборы — спектрополяриметры.

Вращение плоскости поляризации растворами обусловлено вза­имодействием электромагнитной волны с асимметричными молеку­лами растворенного оптически активного вещества. Такие молеку­лы не обладают зеркальной симметрией, т.е. при их отражении> в зеркале получается иная форма. <Левая> молекула является зер­кальным отображением <правой>. Молекулы с одинаковой химичес­кой формулой, но разной структурой поворачивают плоскость поляризации в разных направлениях.

Характерно, что все важнейшие биологические молекулы (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и т.п.) асимметричны и могут быть представлены попарно антиподами, каждый из которых есть зеркальное отображение другого. Однако при этом в веществах биологического, а не синтетического происхождения обычно пред­ставлен только один оптический антипод. Так, например, сахар, изготовленный обычным путем, является пра­вовращающим, но при синтезе химическими методами получают смесь, содержащую равное количество <правых> и <левых> молекул. Такая смесь, называемая рацемической, не вращает плоскости поляризации, так как происходит взаимная компенсация действия различных молекул. Если в раствор синтетически получен­ного сахара поместить бактерии, которые пи­таются сахаром, то они будут усваивать только молекулы правовращающего сахара.

Рацемическая смесь является менее упорядоченной системой и имеет большую энтропию; чем такая же совокупность молекул одного типа. Это термодинамическое различие синтетического и естественного может быть иллюстрацией физического смысла эн­тропии биологических систем. Поляриметрию применяют не только для определения концен­трации растворов, но и как метод исследования структурных прев­ращений, в частности в молекулярной биофизике. В качестве при­мера на рис. 25.11 приведен график изменения удельного вращения [а₀] в одном из полипептидов в зависимости от состава растворите­ля, являющегося бинарной смесью хлороформа СНСЦ и дихлор-уксусной кислоты СНС1₂СООН. При 80% дихлоруксусной кислоты происходит резкое падение оптической активности, что свидетель­ствует об изменении конформации молекул полипептида.