Теория работы. Задание № 1. Определение концентрации раствора сахара поляриметром

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Задание № 1. Определение концентрации раствора сахара поляриметром

Цель работы: изучение понятия поляризованного света, поляризации света при двойном лучепреломлении и конструкции призмы Николя, явления вращения плоскости поляризации оптически активными веществами, ознакомление с поляриметром и методикой работы с ним, экспериментальное определение с помощью поляриметра концентрации раствора сахара.

Приборы и принадлежности: поляриметр, трубки с исследуемым раствором.

Свет представляет собой электромагнитные волны в видимом диапазоне длин волн l = 0,38 - 0,76 мкм, распространяющиеся от источника света в различных направлениях по прямым – лучам. Электромагнитной волной является распространяющееся с конечной скоростью в пространстве электромагнитное поле, представляющее собой совокупность взаимосвязанных электрического Е и магнитного Н полей, взаимно перпендикулярных между собой и скоростью распространения u (рис. 1). Взаимная перпендикулярность векторов Е, Н и u означает поперечность электромагнитной волны.

Рис. 1

Задание направления распространения волны и одного из векторов напряженности, например, Е, однозначно определяет направление другого (Н). Однако крест векторов Е и Н может быть произвольно ориентирован относительно u.

Процесс поляризации состоит в том, что колебания вектора Е (и Н) принимают упорядоченный характер – они происходят в неизменных плоскостях. В силу того, что различные виды воздействия света на вещество (физиологическое, химическое и др.) обусловлено главным образом колебаниями электрического вектора Е, все рассуждения при рассмотрении поляризации ведут относительно вектора Е. Эксперименты подтвердили, что на сетчатку глаза или эмульсию фотопленки действует именно электрическое поле Е волны.

Свет, в котором направления колебания светового вектора Е каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.

Различают следующие виды поляризации света:

1) линейная (плоская) – когда колебания светового вектора Е происходят в одном определенном направлении в плоскости, перпендикулярной к лучу. Плоскость колебаний вектора Е называется плоскостью поляризации света;

2) круговая (циркулярная) поляризация – когда конец светового вектора Е описывает окружность в плоскости, перпендикулярной к лучу;

3) эллиптическая – когда конец светового вектора Е описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной к лучу.

В общем случае проекционная картина полностью поляризованного света на плоскость, перпендикулярную лучу, имеет вид эллипса с правым или левым направлением вращения вектора Е во времени (соответственно по или против часовой стрелки, если смотреть навстречу лучу). Линейная и круговая поляризации являются предельными случаями, когда эллипс поляризации вырождается соответственно в прямую линию или в окружность.

Естественные источники света испускают неполяризованный, или естественный, свет. Направление колебаний светового вектора Е в естественном свете быстро и совершенно хаотически меняется с течением времени, хотя все время остается перпендикулярным к лучу. Это связано с тем, что любой естественный источник света состоит из огромного числа элементарных излучателей – атомов и молекул, акты испускания света каждым из них кратковременны, случайны и хаотичны. И хотя любой из элементарных излучателей в каждом акте излучения испускает поляризованный свет, в общем излучении источника света ориентация светового вектора Е хаотична.

Свет может быть частично поляризованным – когда он имеет предпочтительное направление колебаний светового вектора Е. Большинство искусственных источников света дают частично поляризованный свет. Например, вольфрамовая нить электролампы излучает свет, поляризованный на 15-20 %, ртутная лампа – на 5-8 %, люминесцентные лампы излучают сильно поляризованный свет. Глаз человека не отличает поляризованный свет от неполяризованного.

Поляризация естественного света может происходить при отражении и преломлении света на границе раздела двух сред, при рассеянии света, при прохождении через анизотропную среду. Анизотропной называется среда, физические свойства которой различны в разных направлениях. Естественную анизотропию имеют все прозрачные для света кристаллы с любой кристаллической структурой, кроме кубической.

Оптическая анизотропия в кристаллах кварца, исландского шпата, герапатита, турмалина и др. проявляется в двойном лучепреломлении. Двойное лучепреломление заключается в раздвоении световых лучей при прохождении через анизотропную среду (например, кристалл). При наблюдении через кристалл каких-либо предметов их изображения кажутся двойными. Причинами такого раздвоения является зависимость показателя преломления анизотропной среды от направления вектора Е световой волны.

На рис. 2 показано прохождение света через одноосный кристалл исландского шпата. Кристаллографической осью кристалла (прямая ОО₁) называется направле-

ние, относительно которого атомы или ионы кристаллической решетки расположе- ны симметрично, при прохождении вдоль него луч не раздваивается. Плоскость, проходящая через оптическую ось и луч, называется главным сечением кристалла, или главной плоскостью.

Рис. 2

Естественный луч АВ, падая на кристалл исландского шпата в любом направлении, кроме оптической оси, разделяется в нем на два луча – ВС и ВD. Луч ВС называется обыкновенным - «о» лучом, т. к. он подчиняется законам преломления и скорость его в кристалле не зависит от направления. Луч ВD называется необыкновенным – «е» лучом, т. к. он не подчиняется законам преломления и его показатель преломления зависит от направления распространения луча. Оба вышедших из кристалла луча «о» и «е» поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: луч обыкновенный – в плоскости, перпендикулярной главной плоскости кристалла (на рис. 2 направление колебаний вектора Е показано точками на луче), луч необыкновенный – в главной плоскости кристалла (направление колебаний Е показано двойными стрелками на луче). Свойства обоих лучей после выхода из кристалла одинаковы, за исключением поляризации во взаимно перпендикулярных плоскостях. Чтобы использовать такие поляризованные лучи для технических целей, их надо отделить друг от друга. Это можно осуществить в призме Николя.

Призма Николя (сокращенно николь) состоит из двух прямоугольных призм исландского шпата (рис. 3), склеенных канадским бальзамом. Обыкновенный «о»

Рис. 3

луч, дойдя до слоя канадского бальзама, испытывает полное внутреннее отражение,

т. к. показатель преломления исландского шпата для обыкновенного луча больше показателя преломления канадского бальзама. В результате обыкновенный луч

отводится в сторону и поглощается в оправе николя. Необыкновенный «е» луч, не испытывая полного внутреннего отражения, проходит слой канадского бальзама,

т. к. показатель преломления исландского шпата для необыкновенного луча меньше показателя преломления канадского бальзама.

Таким образом, при помощи николя можно получить линейно поляризованный свет при падении на него естественного света или определить направление колебаний вектора Е в падающем на него поляризованном свете. В первом случае николь выполняет роль поляризатора Р, во втором – анализатора А. Система двух последовательно расположенных николей не пропускает свет, если они скрещены, т. е. если их главные сечения взаимно перпендикулярны. Если главные сечения параллельны, то интенсивность света, прошедшего анализатор, будет максимальной.

Существует ряд веществ, вращающих плоскость поляризации линейно поляризованного света и получивших название оптически активных. К оптически активным веществам относятся как твердые тела (кварц, киноварь, сахар и др.) так и многие жидкости (скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота и др.)

Измерение вращения плоскости поляризации в оптически активных веществах является широко распространенным аналитическим методом в ряде промышленных областей, в медицине и др. Вращение плоскости поляризации обусловлено особенностями структуры оптически активных веществ.

На эффекте вращения плоскости поляризации света основан простой и весьма точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ. Прибор, служащий для этих целей, называется поляриметром. На рис. 4 дана принципиальная оптическая схема поляриметра, а на рис. 5 – его внешний вид.

Рис. 4

Рис. 5

Естественный свет от источника S, пройдя через светофильтр F, становится монохроматическим. После прохождения через поляризатор Р, в качестве которого используется призма Николя, свет превращается в линейно поляризованный с колебаниями вектора Е в главной плоскости поляризатора (на рис. 4 это показано двойной стрелкой). Наблюдая в окуляр L1 поляриметра (рис. 5), поворачивают анализатор А рукояткой R так, чтобы свет не проходил через него – прибор установлен «на темноту». В этом случае главные плоскости поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны. Затем по-

мещают между ними трубку Т с раствором сахара. При этом поле зрения окуляра L₁ просветлеет, поскольку раствор повернет плоскость колебаний поляризованного света на некоторый угол j,и она уже не будет перпендикулярна главной плоскости анализатора. Очевидно, что на тот же самый угол j нужно повернуть анализатор, чтобы вновь установить прибор «на темноту». Углы поворота j анализатора отсчитывают по шкале, наблюдаемой через лупу L₂.

Для растворов оптически активных веществ угол поворота j плоскости поляризации света пропорционален толщине l слоя раствора и его концентрации c:

, (1)

где j ₀ – удельное вращение.

Удельное вращение характеризует вращательную способность вещества. Для раствора удельное вращение j ₀ равно углу, на который поворачивается плоскость поляризации линейно поляризованного света, проходящего через слой раствора единичной толщины и единичной концентрации. Удельное вращение зависит от рода вещества и вида растворителя, температуры раствора, длины волны света.

Для раствора исследуемого вещества удельное вращение j ₀ находится по углу поворота j ₁ плоскости поляризации света раствором этого же вещества известной концентрации с ₁ в трубке известной длины l ₁ по формуле:

(2)

По известному удельному вращению j ₀можно путем измерения угла поворота j ₂ плоскости поляризации света исследуемым раствором определить его неизвестную концентрацию с ₂: (3)

Дата добавления: 2015-06-04