Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление внутреннего и внешнего фотоэффекта?

2. Сформулируйте законы фотоэффекта.

3. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

4. Опишите устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.

5. Опишите устройство и принцип действия селенового фотоэлемента.

6. Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента?

7. Как определяется интегральная чувствительность фотоэлемента в данной работе?

Литература

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – §§27.8; 27.9.

2. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1974. – §§147; 148; 149.

3. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§35; 90.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§202; 203; 204.

Лабораторная работа № 19

Определение концентрации сахара в растворе поляриметром

Приборы и принадлежности: поляриметр, кюветы с растворами сахара.

Цель работы: изучение принципа работы поляриметра, определение удельного вращения растворов сахара, определение концентрации сахара в растворе.

Свет – это электромагнитные волны. Химическое и биологическое дей­ствие света в основном связано с электрической составляющей поля электромагнитной волны. Поэтому вектор напряженности электри­ческого поля называется световым.

Естественный свет представляет собой совокуп­ность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света. Колебания световых векторов происходит во всевозможных направлени­ях, и поэтому плоскости их колебаний постоянно изменяют свое положе­ние в пространстве.

Если же направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом, то свет называется поляризованным. При некоторых условиях можно получить свет, в котором плоскость ко­лебаний вектора занимает постоянное положение в пространстве. Такой свет называется плоскополяризованным. Плоскость, в которой происходят колебания вектора , называется плоскостью поляризации.

Глаз не отличает естественный свет от поляризованного, но име­ется целый ряд явлений, свойственных только поляризованному свету, благодаря которому он и обнаруживается. Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризатора (призма Николя, поляроид и др.). Он пропускает колебания, параллельные только одной (главной) плоскости, и полностью задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Ч тобы исследовать, является ли свет после прохождения поляриза­тора действительно плоскополяризованным, на пути лучей ставят вто­рой поляризатор, который называют анализатором, указы­вая этим, что он используется не для получения, а для анализа поля­ризованного света.

Пусть колебания вектора поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол  с главной плоскостью ана­лизатора. Амплитуду Е этих колебаний можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: Е₁ – совпадающую с главной плос­костью анализатора и Е₂ – перпендикулярную ей (рис.1):

, . (1)

Первая составляющая колебаний проходит через анализатор, вторая будет задержана им. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды; следовательно, интенсивность света, прошедшего через ана­лизатор, пропорциональна (закон Малюса):

, (2)

где I₀ – интенсивность поляризованного света, падающего на анализа­тор;  – угол между плоскостью поляризации падающего света и плоскостью анализатора.

Если плоскость анализатора и поляризатора параллельны,  = 0, , т.е. cos  = 1, то экран, помещенный за анализатором, будет максимально освещен. Если , т.е. cos  = 0 (поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет темным. При про­хождении поляризованного света через неко­торые вещества наблюдается вращение плоскос­ти поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К их числу относят кристаллические тела (кварц, киноварь и дp.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и раст­воры некоторых веществ (водные растворы сахара, винной кислоты и дp.).

В растворах угол  поворота плоскости поляризации пропорциона­лен пути l луча в растворе и концентрации С раствора:

, (3)

где [₀] – удельное вращение. Оно обратно пропорционально квадрату длины волны, зависит от природы вещества и температуры и численно равно увеличенному в 100 раз углу поворота плоскости поляризации слоем раствора толщиной 10 см при концентрации вещества 1 г на 100 см³ раствора, температуре 20^оС и длине волны света  = 589 нм.

Удельное вращение сахара равно

66,5 (град.см³)/(гдм) = 0,665 (град.м²)/(кг).

При пропускании поляризованного света через раствор оптически активного вещества плоскости поляризации волн различной длины будут поворачиваться на разные углы. В зависимости от положения анализатора через него проходят лучи различной окраски. Это называется вращательной дисперсией.

Если между поляризатором и анализатором, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, поместить кювету с раствором оптически активного вещества, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить полностью затемненное поле зрения, необходимо анали­затор повернуть на угол  поворота плоскости поляризации света при прохождении через кювету с раствором. Зная удельное вращение данного вещества и длину кюветы, можно определить концентрацию раствора:

, (4)

Метод, применяемый при качест­венном и количественном анализе различных веществ с помощью поляриметра, называется поляриметрией. Он широко используется в биологии и медицине (например, для определения оптической актив­ности сывороточных белков с целью диагностики рака), в клинической практике (например, для количест­венного определения содержания сахара в моче). Поляриметр, применяемый для этой цели, называется сахариметром.