Дистиллированная вода плоскость поляризации света поворачивается

Изучить явление вращения плоскости поляризации, определить удельную вращательную способность сахара и концентрацию сахара в водном растворе.

Общие сведения

Каждая испущенная атомом элементарная световая волна характеризуется в любой точке волнового фронта не только направлением перемещения (направлением вектора скорости ῡ), но и определенным направлением колебаний векторов напряженности Е и Н электрического и магнитного полей. Как следует из теории Максвелла, векторы Е, Н и ῡ ортогональны и их взаимное расположение однозначно (рис.1).

В естественном свете практически равномерно представлены всевозможные направления колебаний электрического Е, а следовательно и магнитного Н, векторов (рис.2а). Эти всевозможные направления плоскостей колебаний векторов Е и Н обусловлены тем, что мы одновременно наблюдаем излучение волн множеством различных атомов, направления колебаний векторов Е и Н в которых никак не скоррелированы, причем, ни одно из направлений не является преимущественным. Если учесть, что явление атомов прерывается во времени (длится в течение времени τизм

10-8 сек с перерывами того же порядка), то можно представить, насколько сложно математическое описание процесса излучения. Электромагнитная волна, электрический Е и магнитный Н векторы которой имеют относительно данного направления распространения ῡ одно единственное направление колебаний, называется линейно поляризованной или плоско поляризованной волной (рис.2б).

Таким образом, естественный свет можно представить себе как наложение огромного числа линейно поляризованных волн с равномерно представленными направлениями колебаний векторов Е и Н.

Плоскость, содержащая векторы Е и ῡ, называется плоскостью колебаний, а плоскость, содержащая векторы Н и ῡ — плоскостью поляризации волны. Очевидно, что эти плоскости взаимно перпендикулярны. Кроме волн с плоской поляризацией, есть волны, в которых векторы Е и Н вращаются вокруг направления распространения волны с определенной угловой скоростью. Такие волны называются эллиптически поляризованными. Выделение из световых потоков волн, в которых колебания вектора Е (равно как и Н) происходит в одной плоскости или волн, в которых векторы Е и Н вращаются вокруг направления распространения волны, называется поляризацией света.

Получить поляризованный свет из естественного можно различными способами. Частичную или полную поляризацию света можно наблюдать, например, при отражении света от границы раздела двух сред или при двойном лучепреломлении. Двойное лучепреломление Еще в 1670 г. Эразм Бартоломинус заметил, что при прохождении светового луча через анизотропный кристалл (исландского шпата) луч раздваивается. Это явление получило название двойного лучепреломления. Кристаллы исландского шпата имеют гексагональную структуру (ромбоэдр); ограничивающие его плоскости имеют форму параллелограмма с углами 78°08′ и 101°52′ (рис.3).

По выходе из кристалла оба луча имеют напраьления, параллельные первоначальному. При рассматривании сквозь такой кристалл какого либо объекта (например, точки на бумаге), объект двоится. Свойством двойного лучепреломления обладают многие естественные кристаллы, например, кварц, исландский шпат, слюда. Не дают двойного лучепреломления кристаллы, решетка которых имеет кубическую структуру (например, кристаллы каменной соли).

Один из лучей, наблюдаемый при двойном лучепреломлении и названный обыкновенным (о), подчиняется обычным законам преломления. Второй луч назван необыкновенным (е). Для него верно следующее отношение

Это значит, что для необыкновенного луча показатель преломления зависит от угла падения i, или, как следует из соотношения

Скорость распространения необыкновенного луча в кристалле зависит от направления распространения (анизотропия свойств кристалла).

Меняя направления падающего луча, можно убедиться, что в двоякопреломляющем кристалле существуют такие направления, распространяясь вдоль которых луч не испытывает двойного лучепреломления. Для исландского шпата таким направлением является направление, параллельное диагонали АВ, соединяющей тупые углы естественного ромбоэдра (рис.3). Прямая, проведенная через любую точку кристалла в направлении, в котором не происходит двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла.

Плоскость, содержащая оптическую ось и данный луч, называется главным сечением или главной плоскостью кристалла, соответствующей этому лучу. Через двоякопреломляющий кристалл, очевидно, можно провести бесчисленное множество главных сечений (соответствующих разным лучам). Линия пересечения любых двух главных сечений является оптической осью.

Исследования показали, что обыкновенный и необыкновенный лучи плоско поляризованы, причем плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны. Обыкновенный луч поляризован в плоскости соответствующего ему главного сечения, а необыкновенный — перпендикулярно к плоскости соответствующего ему главного сечения. Кристаллы, имеющие лишь одно направление, вдоль которого не происходит двойного лучепреломления, называются одноосными. Существуют кристаллы, имеющие два таких направления (двуосные кристаллы).

Если вырезать из одноосного кристалла (например, кварца) плоскую пластинку таким образом, чтобы оптическая ось была параллельна преломляющей грани, и направить на нее свет перпендикулярно, то обыкновенный и необыкновенный лучи пройдут не раздваиваясь, в одном направлении, но с разными скоростями.

Кроме естественных кристаллов двойное лучепреломление может наблюдаться у веществ в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) в тех случаях, когда оптическая анизотропия у них может быть вызвана искусственным путем (например, при механической деформации, в электрическом или магнитном полях).

Поляроиды

В большинстве прозрачных одноосных кристаллов поглощение обыкновенного и необыкновенного лучей одинаково. Однако существуют кристаллы, в которых один из лучей поглощается сильнее другого. Кроме того, их относительное поглощение зависит от направления их плоскостей поляризации внутри кристалла.

Поскольку с изменением направления распространения лучей в кристалле меняется и положение их плоскостей поляризации и. кроме того, имеет место селективность поглощения (зависимость поглощения от длины волны), то при прохождении через двоякопреломляющий кристалл естественного света, окраска кристалла, в зависимости от направления распространения света будет меняться в достаточно больших пределах.

Это явление получило название дихроизма (двуцветности). Более правильное название явления — плеохроизм (многоцветность), но оно менее употребительно.

Весьма сильным дихроизмом в видимой области спектра обладают кристаллы турмалина. В кристалле турмалина толщиной в 1мм обыкновенный луч практически полностью поглощается, следовательно, турмалин может служить поляризатором света. Недостатком турмалина является наличие селективности поглощения и для необыкновенного луча; турмалин наиболее сильно поглощает красную и фиолетовую часть видимых лучей, поэтому прошедший через турмалин плоско поляризованный свет имеет желто-зеленую окраску.

В настоящее время широкое применение получили поляризаторы, изготовленные на основе дихроических кристаллов. Они представляют собой пленку целлулоида или другого прозрачного материала, на которую тонким слоем (около 1 мм) нанесены определенным образом ориентированные микроскопические кристаллики сильно дихроического вещества — герапатита (сернокислый йод-хинин). Для предохранения пленки от механических повреждений, ее вклеивают между двумя стеклянными пластинками. Такие поляризаторы получили название поляроидов.

Поляроиды нашли широкое применение во всех случаях, когда не требуется особенно высокая степень поляризации. Поляризаторы могут быть использованы и для анализа степени поляризации световых лучей. В этом случае они называются анализаторами.

Закон малюса

Рассмотрим частный случай использования поляризатора в качестве анализатора плоско поляризованного света. Пусть на пути естественного луча (рис.4), интенсивность которого lест , расположены перпендикулярно к нему поляризатор Р и анализатор А.

Направления колебаний лучей, прошедших через поляризатор и анализатор, обозначены прямыми РР и АА (плоскости поляризации им перпендикулярны). Если разложить все векторы Е, содержащиеся в естественном свете по двум взаимно перпендикулярным направлениям (спроектировать их, например, на плоскости колебаний и поляризации), то результирующие составляющие их будут равны (т.к. ни одно из направлений в естественном свете не имело преимущества).

Интенсивность прошедшего через поляризатор света lр будет пропорциональна квадрату амплитуды составляющей Ер, прошедшей через поляризатор Р, и составляет половину интенсивности естественного света, падающего на поляризатор Р:

Вследствие того, что плоскости колебаний поляризатора и анализатора составляют угол а, через анализатор А пройдет поляризованный свет, амплитуда вектора ЕА которого будет равна проекции вектора Ер на плоскость колебаний анализатора:

Интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор в нашем случае будет равна

Таким образом, интенсивность света lа, вышедшего из анализатора, равна произведению интенсивности света lр, прошедшего через поляризатор, на квадрат косинуса угла а между плоскостями колебаний поляризации поляризатора и анализатора (или между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора).

Этот закон называется законом Малюса. Согласно закону Малюса при α=0 (плоскости поляризации поляризатора и анализатора совпадают) lа=lр при а=90° (поляризатор и анализатор «скрещены») lа=0. Это позволяет отличить плоско поляризованный свет от любого другого; если на пути плоско поляризованного луча перпендикулярно к нему расположить анализатор, то при вращении анализатора всегда найдется такое положение, при котором интенсивность света, прошедшего через анализатор, будет равна нулю.

Вращение плоскости поляризации

При взаимодействии света с веществом возникают различные явления, среди которых чрезвычайно важное значение имеет явление вращения плоскости поляризации света.

Явление вращения плоскости поляризации обнаружено Доменико Араго в 1811 г. при изучении двойного лучепреломления в кварце. Если плоско поляризованный свет направить а кристалле кварца вдоль оптической оси, то положение плоскости поляризации луча, прошедшего сквозь кристалл, будет отличаться от положения плоскости поляризации падающего луча. Впоследствии это явление было обнаружено в ряде других кристаллов, некоторых жидкостях и получило название вращения плоскости поляризации.

Вещества, способные вращать плоскость поляризации. называются оптически активными. Чрезвычайно интересным фактом, установленным впервые Пастером в 1848г. на примере винной кислоты, является существование активных веществ в двух модификациях: правовращающих (со стороны выходящего луча поворачивающих плоскость поляризации по часовой стрелке) и левовращающих (поворачивающих плоскость поляризации против часовой стрелки).

Впоследствии правовращающая и левовращающая модификаций были обнаружены у кварца и многих других кристаллов. Правовращающие и левовращающие кристаллы являются зеркально симметричными (знантиоморфными) пространственными изомерами. Пространственная изомерия сопровождается и оптической изомерией. На рис.5 представлена пространственное строение оптических изомеров вторичного бутилового спирта.

Впервые теоретическое объяснение явления вращения плоскости поляризации оптически активными веществами было дано Френелем и достаточно подробно изложено в [2] (студентам предлагается самостоятельно познакомиться с этой теорией). Если расположить пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно оптической оси, между скрещенными поляризатором и анализатором, то поле просветляется. Поворотом анализатора на некоторый угол ф свет можно потушить. Это говорит о том, что свет остался плоско поляризованным, но плоскость поляризации повернулась на угол ф. Если пользоваться «белым» светом, то при повороте анализатора окраска меняется.

Это указывает на то, что вращательная способность кварца зависит от длины волны. Если взять пластинку толщиной в 1 мм, то угол поворота плоскости поляризации при переходе от красных лучей к фиолетовым меняется приблизительно от 15° до 51°. С изменением толщины пластинки углы поворота для данной длины волны меняются прямо пропорционально:

где у — постоянная вращения, зависящая от длины волны, природы вещества и температуры.

Наряду с кристаллами, вращать плоскость поляризации способны и некоторые Жидкости: скипидар, водный раствор сахара, раствор винной кислоты и т.д. В 1831г. Био опытным путем установил для растворов оптически активных веществ следующие количественные законы:

Угол поворота плоскости поляризации ф прямо пропорционален толщине слоя I
Угол поворота прямо пропорционален концентрации C активного вещества:

Постоянная вращения [у] также как и в случае кристаллов зависит от длины волны и температуры, а также зависит от растворителя. Зависимость постоянной вращения от температуры незначительна. Для большинства веществ она изменяется примерно 0йа одну тысячную своей величины при изменении температуры на один градус.

Для зависимости [у] от l Био получил приближенную формулу, согласно которой вращательная способность [у] обратно пропорциональна квадрату для волны, т.е.

Формула (8), как показали, более точные исследования, является слишком грубой. Законы Био показывают, что для растворенных веществ вращение есть молекулярное свойство, т.к. величина угла поворота возрастает пропорционально числу молекул на пути луча (пропорциональна длине и концентрации). Вследствие этого можно предположить, что вращательная постоянная не должна зависеть от агрегатного состояния вещества.

С другой стороны известно, что вращательная способность связана и с кристаллической структурой. Так, например, плавленый (аморфный) кварц не обладает вращательной способностью, тогда как кристаллический кварц принадлежит к числу наиболее активных веществ. Таким образом, оптическая активность может определяться как строением молекулы, так и расположением молекул в кристаллической решетке.

Определение концентрации сахара в растворе

Законы, установленные Био, позволяют использовать вращение плоскости поляризации для определения концентрации активных веществ в растворах, (7). Размерность постоянной [у] зависит от выбора размерности l и С. Если измерять l в дециметрах (дм), С — г/см5, то [у] — (град см3)/(дм г). В этом случае постоянная [у] называется удельным вращением.

Быстрота и надежность определения концентрации оптически активных веществ по измерению угла поворота плоскости поляризации сделали этот метод основным при количественных Измерениях, практикуемых при производстве таких веществ как камфара, кокаин, никотин и, особенно, в сахарной промышленности.

Приборы, предназначенные для таких измерений, называются поляриметрами. Поляриметры, используемые в сахарной промышленности, обычно называются сахариметрами. В настоящей работе используется промышленный поляриметр круговой СМ-2.

Эксперимент

Оборудование

Устройство и работа поляриметра см-2

Поляриметр настольного типа, закрытой конструкции, визуальный, с наклонной осью состоит из следующих узлов: головки анализатора с отчетным устройством и лупой, поляризационного устройства, основания в сборе и набора кювет. Общий вид поляриметра изображен на рис.6:

1 — втулка наблюдательной трубки, 2 — кюветное отделение, 3 — окуляр, 4 — ручка анализатора, 5 — шкала лимба, 6 — наглазник, 7 — лупа.

Общий вид поляриметра Принципиальная оптическая схема поляриметра приведена на рис. 7.

1-лампочка накаливания, 2-светофильтр, 3-конденсор, 4-поляризатор, 5-хроматическая фазовая пластинка, 6-защитное стекло, 7-покровные стекла кюветы (трубки), 8-трубка, 9-анализатор, 10-объектив, 11- окуляр, 12-лупы.

Свет от источника 1 проходит через желтый светофильтр 2. конденсор 3 и падает параллельным пучком на поляризатор 4. Поляризованный свет попадает на активное вещество, находящееся в кювете 8. В поляриметре применен принцип уравнивания яркостей разделенного на части поля зрения. Разделение поля зрения осуществлено введением в оптическую схему поляриметра хроматической фазовой пластинки 5. Яркости полей сравнения уравнивают вблизи полного затемнения поля зрения.

Плоскости поляризации поляризатора и анализатора составляют угол 86,50 Свет от лампы, пройдя через поляризатор одной частью пучка проходит через хроматическую фазовую пластинку, защитное стекло, кювету и анализатор, а другой частью пучка только через защитное стекло, кювету и анализатор.

Вид поля зрения показан на рис.8.

Уравнивание яркостей полей зрения производится путём вращения анализатора.

Если между анализатором и поляризатором ввести кювету с оптически активным веществом, то равенство яркостей полей зрения нарушается(рис.9).

Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации оптически активным раствором (рис.10).

Следовательно, разностью двух отсчётов, соответствующих равенству двух яркостей полей сравнения с оптически активным раствором и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации раствором. Зная угол вращения плоскости поляризации в градусах (см формулу 7), можно определить концентрацию вещества в г/см3:

Отсчеты углов ф по шкале снимают следующим образом. Шкала поляриметра состоит из двух частей: подвижная шкала лимба (левая часть на рис. 8-10) и неподвижная шкала нониуса (правая часть). Цена деления шкалы лимба 0,5°, нониуса — 0,02°. Оцифровка нониуса «10» соответствует 0,10°; «20» — 0,20° и т.д. Определяют на сколько градусов повернута шкала лимба по отношению к «нулю» нониуса. Затем смотрят, какие два деления (одно на лимбе, другое на нониусе) совпадают и по совпадающему делению на нониусе отсчитывают сотые доли Градуса (принцип такой же, как и для штангенциркуля) Например, шкала лимба сдвинута на 3 деления относительно «нуля»‘ нониуса и совпадает 6-ое деление на нониусе с каким-то делением на лимбе. Тогда нам это дает: 3 деления * 0,5°= 1,5° + 6 делений * 0,02° = 0.12° Угол ф = 1 ,5° + 0,12° = 1,62°

Источник