Работа №3.7 исследование вращения плоскости поляризации света

цель работы: ознакомление с явлением поляризации, исследование вращения плоскости поляризации света в водных растворах сахара (фруктозе и сахарозе), определение удельного вращения и концентрации сахара.

Приборы и принадлежности: полутеневой поляриметр, источник света со светофильтром, набор съемных стеклянных трубок с водным раствором фруктозы и сахарозы различной концентрации.

Введение.

Свет - это электромагнитное излучение, по своей физической природе ничем не отличающееся от других электромагнитных излуче­ний, например, радиоволн, тепловых, рентгеновских или  - лучей.

В бегущей электромагнитной волне векторы электрического и магнитного полей и в каждой точке пространства в данный мо­мент времени перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направ­лению распространения. Это свойство волны называют поперечностью. Поперечность обуславливает важнейшую характеристику электромагнитных волн - поляризованность.

Мгновенная картина векторов электрического и магнитного по­лей в разных точках вдоль линии распространения монохроматической плоской волны показана на рис.7.1.

Плоскость, в которой совершаются колебания электрического вектора , называется плоскостью колебаний этого вектора. Зрительные ощущения, фотоэлектрическое и фотохимическое действия света вызывают колебания именно электрического вектора , который возбуждает колебание электрических зарядов вещества и определяет таким образом большинство явлений, связанных с воздействием электромагнитной волны на вещество. Поэтому часто электрический вектор называют световым вектором.

Если вектор Е в данной точке при прохождении волны совершает колебания вдоль определенного направления, волну называют плоско поляризованной или линейно поляризованной (рис.7.1).

рис. 7.1

Если вектор в данной точке, оставаясь неизменным по модулю, вращается вокруг направления распространения, волну называют циркулярно поляризованной или поляризованной по кругу.

Е Z

Рис. 7.2

Волну круговой поляризации можно представить как сумму (на­ложения) двух волн одинаковой амплитуды линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях и сдвинутых по фазе на /2 (т.е. на четверть длины волны).

Свет, излучаемый любым нагретым телом, представляет собой наложение огромного количества волн, испущенных его отдельными атомами. Каждый возбужденный атом при излучении посылает колеба­ния в какой-либо одной плоскости. В течение очень малого проме­жутка времени на смену излучившего энергию атома приходит в воз­бужденное состояние другой и испускает колебания в иной плоскости. Так происходит со всем множеством атомов светящегося тела, т.е. в естественном свете присутствуют колебания с любой пространствен­ной ориентацией светового вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Поэтому естественный свет – неполяризованный свет (рис. 7.3,а).

Как отмечалось выше, свет, в котором колебания вектора про­исходят в одном направлении (в одной плоскости) называют плоско поляризованным (рис.7.3,б).

Рис. 7.3

Свет, в котором вектор имеет преимущественную ориентацию колебаний в каком-либо направлении, называется частично поляризо­ванным (рис.7.3, в).

Преобразование естественного света в поляризованный называ­ется поляризацией. Основными методами получения линейно поляризо­ванного света являются:

1. Отражение света от диэлектрической пластинки. Отраженный от диэлектрика свет всегда частично поляризован. Полная поляриза­ция отраженного света достигается при падении под углом Брюстера, который определяется соотношением

(7.1)

где n₂, n₁ – показатели преломления диэлектрика и среды, в которой находится диэлектрик.

2. Преломление света в стеклянной пластинке. Поскольку отра­женный от диэлектрической пластинки свет оказывается поляризован­ным, то проходящий (преломленный) свет также частично поляризует­ся. Максимальная поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации преломленного света используют стопу стеклянных пластинок, распо­ложенных под углом Брюстера к падающему свету.

3. Преломление света в двоякопреломляющих кристаллах. Неко­торые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Пре­ломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два луча со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить плоскополяризованный свет; так устроена поляризационная призма Николя.

4. Поглощение света в дихроических пластинах. У некоторых двоякопреломляющих кристаллов (например, турмалина) коэффициенты поглощения света для двух взаимно перпендикулярно поляризованных лучей отличаются настолько сильно, что уже при большой толщине кристалла один из лучей поглощается практически полностью, и из кристалла выходит линейно поляризованный пучок света. Это явление носит название дихроизма. Дихроизм обнаруживают не только крис­таллы, но многие некристаллические тела, обладающие анизотропией. Дихроические пластинки изготовляются в виде тонких пленок - поля­роидов.

Распространенным источником поляризованного света являются лазеры.

Человеческий глаз не ощущает различие между поляризованным и естественным светом. Для исследования поляризованных лучей приме­няются анализаторы, которые являются теми же приборами (стопа, Николь, поляроид), используемыми при поляризации.

Если естественный свет пропустить через два последовательно расположенных Николя (поляризатор и анализатор), то яркость све­та J, прошедшего через второй Николь (анализатор), изменяется по закону Малюса

(7.2)

где J₀ – яркость света, вышедшего из поляризатора (первый Николь);

 - угол между плоскостями поляризацией Николей.

При прохождении плоскополяризованного света сквозь некоторые вещества плоскость, в которой колеблется электрический вектор, постепенно поворачивается. Такие вещества называются оптически активными. К их числу принадлежат как твердые (кварц, киноварь), так и жидкие тела (водный раствор сахара, скипидар, винная кисло­та).

Направление вращения плоскости поляризации принято устанав­ливать для наблюдателя, смотрящего навстречу световому пучку. Ес­ли плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим, или положительным, а в против­ном случае - левовращающим, или отрицательным.

Оптически активные вещества играют большую роль в жизни че­ловека. Так, например, сахар, обладающий правовращающим эффектом, способствует образованию диабета, в отличие от левовращающей фруктозы. По-разному действуют правовращающие и левовращающие ле­карства.

Угол , на который поворачивается плоскость поляризации в растворах, прямо пропорционален толщине слоя 1 раствора и кон­центрации С оптически активного вещества

(7.3)

где l – измеряется в дм;

С – в граммах растворенного вещества в 1см³ раствора;

 - коэффициент, называемый удельным вращением растворенного вещества, численно равен углу поворота плоскости поляризации света, прошедшего путь длиной 1 дм в растворе концентрации 1 г/см³. (Удельное вращение  зависит от природы вещества, длины волны света и слабо зависит от температуры).

Основы теории вращения плоскости поляризации разработаны Френелем. Согласно этой теории, скорость распространения света в оптически активных средах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево.