Теоретическое введение. 1. Что представляет собой электромагнитная волна?

Кон­т­роль­ные во­п­ро­сы

1. Что представляет собой электромагнитная волна?

2. Что такое плоско (или линейно) поляризованный свет? Ка­кая пло­с­кость на­зы­ва­ет­ся пло­с­ко­стью по­ля­ри­за­ции? Плоскостью колебаний?

3. Чем ес­те­ст­вен­ный свет от­ли­ча­ет­ся от по­ля­ри­зо­ван­но­го?

4. Возможна ли по­ля­ри­за­ция про­доль­ных волн?

5. Как можно получить линейно поляризованный свет?

6. Сформулируйте и вы­ве­ди­те за­кон Ма­лю­са.

7. Какой свет называется эллиптически поляризованным? Поляризованным по кругу?

8. В чем за­клю­ча­ет­ся яв­ле­ние двой­но­го лу­че­п­ре­ло­м­ле­ния? Как оно объясняется?

9. Как поляризованы обыкновенный и необыкновенный лучи?

10. Что такое главная плоскость кристалла?

11. Что такое дихроизм?

12. Как можно создать искусственную анизотропию? Где она применяется?

Используемая литература

[1] §§ 30.1, 34.1, 34.2, 34.4;

[2] § 26.1;

[3] §§ 3.31, 3.46, 3.47;

[5] §§ 98, 100, 101;

[7] §§ 190-195.

Лабораторная работа 3-04

Вращение плоскости поляризации

Цель работы: изучение принципа работы поляриметров, определение удельного вращения кварца и раствора сахара, определе­ние концентрации сахара в растворе.

Свет является поперечной электромагнитной волной. Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов независимо друг от друга. Поэтому естественный свет не поляризован. Если же направления колебаний светового вектора каким-либо образом упорядочить, то свет будет поляризованным. Если колебания вектора происходят в одной плоскости, то свет называется плоско-поляризованным.

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.

Чтобы исследовать, является ли свет после прохождения поляризатора действительно плоско-поляризованным, на пути лучей ставят второй поляризатор, который называют анализатором. Пусть колебания вектора поляризованной световой волны совершаются в плоскости, составляющей угол φ 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. 4.1):

, . (4.1)

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

, (4.2)

где – интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор; φ – угол между плоскостью колебаний падаю­щего света и главной плоскостью анализатора.

Если главные плоскости поляризатора и анализатора параллельны (φ=0, π; cosφ=±1), то экран, помещенный за анализа­тором, будет максимально освещенным. Если φ=π/2, т.е. cosφ=0 (поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет темным.

Среди явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом, важное место и в принципиальном, и в практическом отношении занимает явление, открытое Д. Араго в 1811 г. при изучении двойного лучепреломления в кварце: при прохождении поляризованного света через некоторые вещества наблюдаетсявращение плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. К их числу относятся кристаллические тела (кварц, киноварь и др.), чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) и растворы некоторых веществ (водные растворы сахара, винной кислоты и др.). Измерение вращения плоскости поляризации стало популярным аналитическим методом в ряде промышленных областей.

Кристаллические вещества, например, кварц, сильнее всего вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота φ пропорционален пути l, пройденному лучом в кристалле:

φ =α l. (4.3)

Коэффициент α называют постоянной вращения.

Для растворов Ж.Био (1831 г.) обнаружил следующие закономерности: угол φ поворота плоскости поляризации пропорционален пути l луча в растворе и концентрации С активного вещества в растворе:

φ =[α] Сl, (4.4)

где [α] – удельное вращение. Оно характеризует природу вещества, зависит от природы вещества и температуры. Удельное вращение обратно пропорционально квадрату длины волны: , поэтому 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 явление называется вращательной дисперсией.

При 20°С и λ=589 нм удельное вращение сахара равно: [α]=66.5 град^.см³/(г^.дм)=0.665 град^.м²/кг. Постоянная вращения кварца для жёлтых лучей (λ=589 нм): α=21.7 град/мм, а для фиолетовых (λ=404.7 нм) α=48.9 град/мм.

Исследования показали, что объяснение явления вращения плоскости поляризации света в естественно-активных веществах можно получить, рассматривая общую задачу взаимодействия электромагнитной световой волны с молекулами или атомами веществ, если только принять во внимание конечные размеры молекул и их структуру. Эта задача очень сложна. В свое время О.Френель (1817 г.) представил описание этого явления, сведя его к особому типу двойного лучепреломления. В основе рассуждений Френеля лежит гипотеза, согласно которой скорость распространения света в активных веществах различна для волн, поляризованных по левому и по правому кругу. Представим плоско-поляризованную волну как суперпозицию двух волн, поляризованных по кругу вправо и влево с одинаковыми амплитудами и периодами. Если оба вектора и вращаются с одинаковой скоростью, то геометрическая сумма их в каждый момент времени будет лежать в одной и той же плоскости Р (рис. 4.2, а).

Если скорости распространения обеих волн окажутся неодинаковыми, то по мере прохождения через вещество один из векторов, или , будет отставать в своем вращении от другого вектора, в результате чего плоскость P’, вкоторой лежит результирующий вектор , будет поворачиваться относительно первоначальной плоскости Р (рис. 4.2, 6).

Различие в скоростях света с разным направлением круговой поляризации обусловливается асимметрией молекул, либо асимметричным размещением атомов в кристалле. На рис. 4.3 приведен пример асимметричной молекулы. В центре тетраэдра помещается атом углерода, в вершинах – отличающиеся друг от друга атомы или группировки атомов (радикалы), обозначенные буквами X, Y, Z и V. Молекула, изображенная на рис.4.3,б, является зеркальным отражением молекулы, показанной на рис. 4.3,а. У них нет ни центра симметрии, ни плоскости симметрии, и они не могут быть пространственно совмещены друг с другом никакими поворотами и перемещениями. Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы. Но если, например, вещество, образо­ванное молекулами а, правовращающее, то вещество, образованное молекулами б, будет левовращающим. Значения удельного вращения для обеих модификаций отличаются только знаком.

Кроме того, физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Так, в живой природе белки строятся из левых оптических изомеров аминокислот (19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны). Белки, синтезированные искусственным путём из правых аминокислот, не усваиваются организмом; а левый никотин в несколько раз ядовитее правого. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.

Дата добавления: 2015-03-29