Материал: Методические указания для выполнения лабараторных работ. Оптика и атомная физика

Проверка закона Малюса

Таблица 9.4

Выборка значений степени поляризации преломлённого света Θ_I = 0.01

Номер

^Imax ^Imin

измерения

1

2

3

= I max − Imin I max + Imin

Лабораторная работа 10.

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В РАСТВОРАХ

ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ.

Цель работы: изучение вращения плоскости поляризации света при про-хождении через раствор оптически активного вещества; определение удельного вращения сахара; определение процентного содержания сахара в растворе.

Общие сведения

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые веще-ства, называемые оптически активными (например, кварц) наблюдается вра-

63

щение плоскости колебаний вектора напряженности электрического поля E.

Это явление получило название вращения плоскости поляризации (рис. 10.1).

ll

l

φ

Рис. 10.1. Прохождение плоско поляризованного света

через оптически активное вещество

Наблюдения оптической активности в кварце показали, что существует две модификации кварца: правовращающий, или положительный, дающий поворот электрического вектора по часовой стрелке, и левовращающий, или отрицательный (вращение против часовой стрелки если смотреть навстречу лучу, выходящему из кристалла). При этом величина вращения в обоих слу-чаях при прочих равных условиях одинакова. По-видимому, и другие опти-чески активные кристаллы существуют в двух модификациях, хотя не во всех случаях их удалось обнаружить.

Вращение плоскости поляризации наблюдается также и в некристалли-ческих телах. К ним принадлежат, например, скипидары, метиловые эфиры жирных кислот, растворы сахара, камфары и т. д. Это означает, что данное явление не связано с анизотропией в противоположность двойному лучепре-ломлению. В настоящее время известны тысячи активных веществ, облада-ющих весьма различной вращающей способностью.

Если оптически активное вещество представляет собой раствор, то угол поворота φ пропорционален толщине слоя активного вещества l и его концен-трации С

φ = α Cl

(10.1)

где – величина, называемая удельным вращением. Удельное вращение за-висит от природы вещества, его температуры T и длины волны λ , проходя-щего через него света.

64

Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предполо-жил, что в оптически активных веществах световые волны, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с неодинаковой скоростью. Ли-нейно поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух по-ляризованных по кругу волн, правой и левой, с одинаковыми частотами и амплитудами. E. На рисунке10.2 обозначены: E₁ и E₂ световые векторы ле-вой и правой составляющих, P – направление суммарного вектора E. Если скорости распространения обеих волн неодинаковы, то по мере прохождения через вещество один из векторов, например, E₁, будет отставать в своем вращении от вектора E₂ (рис. 2 б). Результирующий вектор E будет повора-чиваться в сторону более "быстрого" вектора E₂ и займет положение Q, по-вернувшись на угол φ .

а

б

Рис. 10.2. Вращение плоскости поляризации

В случае раствора, зная удельное вращение данного вещества и дли-ну l можно, измерив угол поворота φ , определить по формуле (1) концентра-цию C раствора.

Простейшая установка для измерения угла φ имеет вид (рис. 10.3):

П А Э

К

S

65

Рис. 10.3. Установка для измерения угла поворота

плоскости поляризации света

S – источник света, П – поляризатор, А – анализатор,

– кювета с раствором оптически активного вещества; Э – экран.

В настоящей работе используется сахариметр СУ-3, внешний вид кото-

рого представлен на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Сахариметр СУ-3

состав сахариметра входят: (1) – измерительный узел, (2) – освети-тельный узел. Эти узлы соединены между собой траверсой (3), на которой укреплена камера (4) для поляриметрических кювет (трубок). С лицевой сто-роны измерительной головки прибора имеются зрительная труба (5) и лупа

в оправе для отсчета показаний по шкале. В нижней части измерительной головки расположена рукоятка (7) кремальерной передачи для компенсации поворота плоскости поляризация. На передней части основания (8) находится тумблер для включения осветительной лампы. С тыльной стороны основания имеются вилка разъема для подключения электролампы к трансформатору и вилка со шнуром для подключения трансформатора в сеть.

Если кювета отсутствует, а угол между плоскостями поляризации поля-ризатора и анализатора равен 90 , наблюдается полное гашение света. В присутствии оптически активного раствора поле зрения просветляется, т. к.

вектор E поворачивается на угол φ .

Вращая анализатор до полного затемнения, можно измерить угол φ . Определение φ посредством двух установок на темноту: в отсутствие и при наличии оптически активного вещества – довольно неточно. Точность измере-

66

ний повышается при использовании полутеневых устройств, в которых уста-новка производится не на темноту, а на равное освещение двух половин поля.

Оптическая схема сахариметра имеет вид (рис. 10.5):

6

P	3

5	4

2

1

7

Рис. 10.5. 1 – 3 осветительный узел; 4 – кювета с исследуемым раствором; 5 – окуляр зрительной трубы; 6 – лупа для отсчёта показаний шкалы; 7 – кварцевый компенсатор;

–рукоятка для перемещения подвижного кварцевого клина

связанной с ним шкалы

Световой поток от лампочки накаливания (1) проходит через свето-фильтр (2) или матовое стекло (3), конденсор и полутеневую призму- поля-ризатор, которая преобразует его в поляризованный поток света и разделяет на две половины линией раздела. Поляризатор устанавливают таким образом, чтобы плоскости поляризации обеих половин светового потока составляли одинаковые углы с плоскостью поляризации анализатора. Если кювета с рас-твором отсутствует, а толщина право- и левовращающих пластин кварцевого компенсатора (7) – одинакова, в окуляре (5) зрительной трубы наблюдаются две равно освещенные половины поля, разделенные тонкой линией.

Оптически активный раствор (4) нарушает равенство освещенностей. Равенство освещенностей восстанавливается компенсатором с помощью ру-коятки Р, которая перемещает подвижный кварцевый клин (7) и связанную с ним шкалу. Смещение кварцевого клина пропорционально углу поворота плоскости поляризации проходящего света.

Шкала сахариметра, наблюдаемая через лупу (6) градуирована в граду-сах S Международной сахарной шкалы. 100 S соответствует 34, 62 угло-вым. Сахариметр показывает 100 S , когда при 20 C в 200-миллиметровой

67

стой сухой сахарозы (процентное содержание сахара в этом случае 24.3 %).

сахариметре угол поворот плоскости поляризации определяется по выравниванию освещенности двух частей поля зрения в зрительной трубе. Двойное поле получается в результате специальной обработки поляризаци-онной призмы, то обе половинки поля зрения освещены равномерно (фото-метрическое равновесие, рис. 10.7).

Отсчеты показаний шкалы при помощи нониуса показаны на рис. 14.6.

Рис. 10.6

Кювету с раствором помещают в камеру прибора. Это вызывает измене-ние однородности освещения обеих половин поля зрения. Вращением голов-ки кремальерной передачи уравнивают интенсивность освещения обеих по-ловин поля зрения и производят отсчет показаний с точностью до ±0,1°. За результат измерения принимают среднеарифметическое значение трех изме-рений. Отсчет проводят по нониусу, отмечая целые числа по шкале, а деся-тые доли - по совпадающему делению нониуса со шкалой.

Задание для подготовки к работе

Занести в протокол эксперимента таблицы по форме 10.1 и 10 2.