ИЗУЧЕНИЕ  ЕСТЕСТВЕННОГО  ВРАЩЕНИЯ  ПЛОСКОСТИ  ПОЛЯРИЗАЦИИ

Теория

Выполнения  работы

Контрольные  вопросы

Литература

 

Цель  работы: определение  удельного  вращения  плоскости  поляризации  ()  и  концентрации  сахара  в  его  водном  растворе;  изучение  зависимости  угла вращения  плоскости  поляризации  от  длины  пути  луча  в растворе  и  вращения  плоскости  поляризации  кварцем.

Приборы и принадлежности:  сахариметр  универсальный  СУ-3,  набор  кювет  с  растворами  сахара, контрольные  кварцевые поляриметрические  пластинки. 

 

Теория вращения плоскости поляризации

Если  вдоль  главной  оптической  оси  кристалла  проходит  луч  естественного  света,  то  по  выходу  из  кристалла  он  не  меняет  своих  свойств.  Однако  в  случае  падения  плоско  поляризованного  света  некоторые  кристаллические тела  (кварц,  исландский  шпат,  киноварь) чистые жидкости (скипидар, никотин, некоторые  растворы)  могут  поворачивать  плоскость  колебаний  вектора  Е  на некоторый  угол  .  Такие  вещества  называются  оптически  активными.  Оптически  активным  также является  раствор  сахара.  Направление  вращения плоскости поляризации у  некоторых  веществ  неодинаково.  Если  поворот  плоскости  колебаний  вектора  Е  для  наблюдателя,  смотрящего  навстречу  лучу  совершается  по  часовой  стрелке,  то  вещество  называется  правовращающим,  если  против - левовращающим.  Многие  вещества, например кварц,  существуют  в  двух  модификациях,  одна  из  которых  вращает  вправо,  другая  влево. Оптическая активность, существующая в отсутствии какого-либо внешнего воздействия на вещество, называется естественной. Схема наблюдения вращения плоскости поляризации приведена на рис. 1.

S – источник света, Л – линза, П – поляризатор, Ф - светофильтр, К – кювета с активным веществом, А – анализатор.

Угол  поворота    плоскости  поляризации  в  растворах  активных  веществ  пропорциональна  длине  пути  луча  l   и концентрации активного вещества С,  т.е.

                                    (1)

Величина носит  название  удельного  вращения, зависящее от рода вещества, от температуры и от длины волны прошедшего через него света.  Длину  пути  луча  в  веществе  принято  выражать  в  дециметрах. Удельное вращение обратно пропорционально квадрату длины световой волны.

Объяснение вращения плоскости поляризации впервые было дано Френелем. Линейно поляризованная волна может рассматриваться как суперпозиция двух циркулярно поляризованных волн с противоположными направлениями вращения электрического вектора. В основе теории лежит предположение о различной скорости распространения циркулярно поляризованных волн с различными направлениями вращения электрического вектора, следовательно, показатели преломления для этих волн различны.

При одинаковых скоростях (vл=vпр) число оборотов электрических векторов Ел и Епр в слое вещества толщиной d будет одинаковым и результирующее (исходное) колебание будет происходить вдоль Е, т.е. среда не обладает свойством оптической активности (рис.2, а). Если же скорости различны (vл ¹ vпр), то число оборотов векторов Ел и Епр различно и в итоге они повернутся на различные углы  и  (рис. 2,б), что приведет к повороту результирующего вектора Е (плоскости поляризации) на некоторый угол . Если предположить, что vл < vпр (nл > nпр) , то

                              (2)

Очевидно,  через время t  при длине пути d имеем  и . Тогда с учетом того, что vл = с/nл и vпр = с/nпр, а также используя соотношение  из (2) получим

                            (3)

Справедливость этой теории подтверждается экспериментами по преломлению циркулярно поляризованных волн в сложной призме Френеля. Она состоит из трех кварцевых призм. Одна из них является левовращающей, а две другие – правовращающими (рис.3). Оптические оси всех трех призм направлены одинаково (параллельно падающему лучу). При нормальном падении луча на поверхность первой призмы при имеющейся разнице в показателях преломления циркулярно поляризованных волн левого и правого вращений раздвоения лучей не происходит. Так как для правовращающего кварца nпр < nл, а для левовращающего nпр > nл, то на границе раздела призм I и II луч раздвоится. Еще больше лучи разойдутся на границе между вторым и третьим призмами. Таким образом, из призмы III выйдут два луча с правой и левой поляризацией. В действительности такие два циркулярно-поляризованных луча экспериментально были получены и, феноменологическая теория вращения плоскости поляризации была подтверждена.

Сахарные  растворы  обладают  способностью  вращать  плоскость  поляризации  проходящего  через  них  поляризованного  луча  света.   Угол  вращения  плоскости  поляризации  световой волны  раствором  в слое  определенной  толщины    зависит  от  концентрации  раствора.  На  этой  зависимости  основана  работа  сахариметра.

Краткое  описание  принципа  работы,  оптической  схемы  и  устройства  сахариметра  СУ-3  выдается  в  лаборатории.

Порядок  выполнения  работы

Окуляр  зрительной  трубы и лупу  шкалы  устанавливают  (при  помощи  вращения  их  оправ)  на  максимальную  резкость  изображения  так,  чтобы  вертикальная  линия,  разделяющая  поле  зрения  на  две  половины,  была  четко  и  ясно  видна,  а  в  поле  зрения  лупы  четко  и  ясно  были  видны  штрихи  и  цифры  шкалы  и  нониуса.

Перед  началом  измерений  прибор  необходимо  установить  на  нуль.  Для этого  (при  отсутствии  в  камере  поляриметрической  кюветы)  вращением  рукоятки  кремальерной  передачи  добиваются  полной однородности  обеих  половинок  поля  зрения – при  этом нулевые  деления  шкалы  и  нониуса  должны  совпадать (рис.4).  В  противном  случае  с  помощью  ключа  перемещают  нониус  до  совмещения  его  нулевого  деления  с нулевым  делением  шкалы,  после  чего  непосредственно  приступают  к  измерениям.

В  камеру  вкладывают  поляриметрическую  кювету  с  испытуемым  раствором.  При  этом  изменяется  однородность  обеих  половинок  поля  зрения.  Вращением  рукоятки  кремальерной  передачи  уравнивают  их  освещенность. Затем  при  помощи  нониуса  производят  отсчет  показаний  с  точностью  до   0,1о  S.  Повторяют  уравнивание  освещенностей  обеих  половинок  поля  зрения  и  снова  производят  отсчет  показаний.  И  так  -  пять  раз.  Среднеарифметическое  пяти  измерений  принимают  за  результат.

         В  сахариметре  применена  сахарная международная  шкала.  100о  S  этой  шкалы  соответствует  34,62  угловым.

Упражнение 1. Определение  удельного  вращения  плоскости  поляризации  для  растворов  сахара

Помещая  в  камеру  трубку  с  раствором  известной  концентрации,  повторным  поворотом  ручки  добиваются  освещенности  поля  зрения  аналогичной  освещенности  до  помещения  трубки  с раствором. Разность  по  шкале  между  первым  и  вторым  положениями  бикварцевой  пластинки  и  будет  углом  поворота  плоскости  поляризации.  Полученную  величину   подставляют  в  расчетную  формулу   и  находят  удельное  вращение  плоскости  поляризации  для  раствора  сахара.  Опыт  проводить с  растворами  различных  (не  менее  пяти)  концентраций.

Упражнение 2. Определение  концентрации сахара  в  его  водном  растворе

Взять  кюветы  одинаковой  длины  с  разными  концентрациями.  Провести  аналогичные  измерения  углов  по  пять  раз.  Выполнить  измерения  и  для  кюветы  с  раствором  неизвестной  концентрации.

Данные  занести  в  таблицу  1.

Таблица1

    С%

 

 

     

 

 

  

 

    1

      2

      3

     4

     5

 

 

 

 

 

 

 

 

По  полученным  данным  построить  график  зависимости  угла  вращения от  концентрации  активного  вещества:   Пользуясь  графиком этой зависимости,  найти  концентрацию  неизвестного раствора  сахара.

Упражнение 3. Исследование  зависимости  вращения  плоскости  поляризации  от  длины  пути  луча  в  растворе

Для  этой цели последовательно  установите  кюветы  разной  длины,  помещая  их  в  камеру,  и  измерьте  угол  вращения  плоскости  поляризации  для  каждой  длины  по  пять  раз.  Концентрация  сахара  должна быть  постоянной.  Данные  занести  в таблицу 2.

Таблица2

Длина

       

  Угол

вращения

 

   Средний  угол

кюветы

  1

   2

       3

  4

   5

     вращения   

 

 

 

 

 

 

 

Упражнение  4. Вращение  плоскости  поляризации  кварцем

                В  концы  толстой  кюветы  держателя  вмонтированы  лево - и  правовращающие  кварцевые  пластинки.  Выкрутить  пластинку В  и  измерить  угол  вращения  пластинки  А.  Измерить  угол  вращения  для  пластины  В,  поменяв  пластинки  местами.  Наконец,  измерить  угол  вращения  обеих  пластинок  вместе.  Все  измерения  выполнить  по  5  раз.  Данные  занести  в  таблицу  3.

 

Таблица  3

  п/п

   №

    

        

      

      

 

 

 

 

 

По  результатам  данного  упражнения  сделать  заключение  о  копменсационном  эффекте  при  совместном  действии лево - и  правовращающих  кварцевых  пластинок.

Контрольные  вопросы

1. Какой  свет  называется  естественным,  плоскополяризованным?

2. В  чем  заключается  явление  вращения  плоскости  поляризации?

3. Какие  вещества  называются  оптически  активными?  Чем  обусловлена  оптическая  активность  кристаллов,  жидкостей  и  растворов?

4. Что  называют  удельным  вращением?

5. Феноменологическая теория  вращения  плоскости  поляризации  в  оптически активных  средах.

Литература

1. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976,  Гл. ХVI, §§ 101,104,106.

Гл. ХХХ ,  §§ 163-168.

2. Сивухин Д.В.  Общий  курс  физики. Т.IV. Оптика. - М.: Физматлит, § 94, с. 604.

3. Калитеевский Н.И.  Волновая  оптика. -М.: Высшая  школа, 1978,  Гл.3, §§ 3,4.

4. Годжаев Н.М. Оптика. -М.:  Высшая  школа, 1977, Гл. ХII, §§ 5,6.

1. Матвеев А.Н. Оптика. – М.: Высшая школа, 1985, § 44.

5. Бутиков Е.Н. Оптика. Учебное пособие. - Санкт-Петербург. Москва. Краснодар: Лань, 2012., § 2.9, с. 129