Поляризация при прохождении света через поглощающие анизотропные вещества - поляроиды

У некоторых двояко преломляющих кристаллов (турмалин, герапатит и др.) коэффициенты поглощения света для двух взаимно перпендикулярных поляризованных лучей сильно отличаются. При небольшой толщине кристалла выходит поляризованный свет. Это явление называется анизотропией поглощения, или дихроизмом. Так же действуют поляроиды - прозрачные пленки, содержащие определенным образом ориентированные мелкие кристаллы поляризующего свет дихроичного вещества, например, герапатит (сернокислый йод-хинин). Такая пленка пропускает только необыкновенные лучи и поглощает обыкновенные.

Стеклянные (диэлектрические) пластинки, призма Николя, поляроиды служат для получения поляризованного света и называются поляризаторами. Всякий поляризатор может быть также использован для исследования поляризованного света. Его называют анализатором (см. рис.8а).

Рисунок 8а. Исследование поляризованного света при помощи анализатора

Рисунок 8б. К закону Малюса

Если плоскости пропускания поляризатора ОО и анализатора О₁О₁ (плоскости изменения Е проходящего через них поляризованного света) параллельны, то свет, прошедший через поляризатор, будет проходить через анализатор не ослабляясь. В общем случае, когда плоскости пропускания ОО и О₁О₁ составляют между собой некоторый угол α, поляризованный свет будет частично проходить через анализатор. Амплитуда Е_а световых колебаний, прошедших через анализатор (2), будет меньше амплитуды Е_п световых колебаний, идущих от поляризатора (1) (рис.8б). Из рис. 8б видно:

Е_а=Е_п cosα

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний, то:

I_a=I_п cos²α - закон Малюса,

где I_a - интенсивность света, прошедшего через анализатор; I_п - интенсивность света, прошедшего через поляризатор. Потери интенсивности света на отражение и поглощение в анализаторе не учитываются.

Используя закон Малюса, можно показать, что интенсивность света, прошедшего через поляризатор I_п равна (1/2)I_о, где I_о - интенсивность падающего на поляризатор естественного света.

Некоторые вещества, называемые оптически активными, поворачивают (вращают) плоскость электрических колебаний поляризованного света, проходящего через них, не изменяя при этом амплитуды колебаний (рис.9). Это явление называется вращением плоскости колебаний поляризованного света и обусловлено особенностями структуры активных веществ (асимметричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии).

Плоскость поляризации вращают многие природные вещества: раствор сахара, углеводы, эфирные масла, гормоны, белки и входящие в их состав аминокислоты и т.п.

Рисунок 9. Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), называются правовращающими, а вещества, поворачивающие эту плоскость в противоположном направлении левовращающими.

Если поляризованный свет пройдет через оптически активное вещество расстояние l (рис.9), то плоскость колебаний повернется на угол φ, равный:

где - коэффициент, характеризующий вещество.

Для растворов угол вращения пропорционален еще и концентрации раствора - С:

(1)

где - удельное вращение, характеризующее растворенное вещество (зависит от длины волны проходящего света, а также температуры раствора). Это увеличенный в 100 раз угол вращения столба раствора длиной 1дм при концентрации 1г вещества в 100мл раствора.

На вращение плоскости колебаний поляризованного света основан простой и весьма точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ.

Сущность его состоит в следующем:

Свет от источника S пропускают через сфетофильтр F и поляризатор Р. Свет, при этом становится монохроматическим и поляризованным (рис.10). Смотрим в окуляр О и поворачиваем анализатор А таким образом, чтобы свет не проходил через него, "устанавливают анализатор на темноту". При этом плоскости пропускания поляризатора и анализатора перпендикулярны. Отсчет φ₁ положения анализатора проводят по лимбу К с угловыми делениями. Затем между анализатором и поляризатором помещают стеклянную трубку R с исследуемым раствором. При этом поле зрения окуляра просветлеет. Раствор повернет плоскость колебаний на некоторый угол φ. Поворачиваем анализатор на угол φ до момента наступления темноты. Снимаем отсчет φ₂ по лимбу и находим угол Согласно формуле (1), получим:

; (2)

Рисунок 10. Принципиальная схема поляриметра

Из этого соотношения можно определить концентрацию С растворенного вещества по измерениям и l и известному для данного вещества значению .

Зная же концентрацию С активного вещества в растворах, длину пути l луча в них, угол , можно определить и удельное вращение , для данного вещества:

(3)

Прибор для определения концентрации растворов оптически активных веществ называется поляриметром.

Дата добавления: 2014-12-07