Порядок выполнения работы
Задание 1. Наблюдение различных поляризационных явлений.
1. Включите электропитание установки.
2. Выведите фотоприемник из светового луча, сместив его влево.
3. Перемещая столик 5, введите в пучок света свободное отверстие.
4. Вращая один из поляроидов относительно другого, наблюдайте ослабление и усиление света. Опишите явление, объясните.
5. Поставьте поляроиды в скрещенное положение (поле зрения темное). Введите в пучок света модель балки. Зарисуйте наблюдаемую картину, объясните. В процессе выполнения задания можно, слегка поворачивая винт (не более четверти оборота), изменить нагрузку на балку.
Задание 2. Количественная проверка закона Малюса.
1. Установите риску анализатора против цифры "90" на лимбе. Вращая поляризатор, добейтесь максимального затемнения (поляроиды скрещены).
2. Введите в луч света фотоприемник и измерьте фоновое значение фототока Iф. Это значение фототока необходимо вычитать из всех последующих измеренных значений.
3. Переведите анализатор в положение "0". Убедитесь, что фототок максимален. Значение максимального фототока запишите в таблицу 3.1.
4. Вращая анализатор от "0" до "90", измерьте значение фототока Iизмер.
5. Вычислите экспериментальное значение фототока Iэксп=Iизмер–Iф, введя поправку на фоновый ток.
6. Вычислите теоретическое значение фототока: , где Imax – максимальное значение Iэксп.; все результаты запишите в табл.3.1.
Таблица 3.1
φ, град.
| Iф, мкА
| Imax, мкА
| Iизмер, мкА
| Iэксп, мкА
| Iтеор, мкА
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. Постройте графики Iтеор=f(φ) и Iэкс = f(φ) в одних и тех же координатных осях.
8. Сделайте выводы.
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.
Теоретическое введение
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.
Экспериментальная часть
Приборы и оборудование: поляриметр, кюветы с растворами сахара.
Описание установки
Используемый в работе прибор изображен на рис. 4.4. Его основные части: два николя I и II , расположенные в металлической трубке 1, поддерживаемой штативом 2. На николь I падает естественный луч света от источника 3. Поляризованный луч света падает на николь II, который может поворачиваться при помощи кремальеры (винта) 4 вокруг оси прибора. Углы поворота николя II отсчитываются при помощи нониуса по разделенному градусному лимбу в окуляре 7.
Часть стенки корпуса 6 прибора может перемещаться, открывая доступ во внутреннюю часть корпуса, куда поочередно помещают трубки с исследуемыми растворами сахара.
В работе используется медицинский сахариметр, оптическая схема которого приведена на рисунке 4.5.
Источником света в сахариметре является лампа накаливания Л. Свет от лампы падает на фильтр Ф и объектив О. Полученный монохроматический свет проходит через поляризатор П, кювету Т с раствором и анализатор А. В качестве поляризатора и анализатора в приборе используются поляроиды. После анализатора свет проходит через объектив Об и окуляр Ок зрительной трубы сахариметра, которая служит для визуального наблюдения поля зрения.
Вследствие адаптации глаза визуально трудно оценивать абсолютную освещенность. В то же время легко сравнивать освещенность различных частей поля зрения. Для разделения поля зрения на части в сахариметре непосредственно за поляризатором расположена тонкая кварцевая пластинка К, через которую проходит средняя часть пучка поляризованного света, вышедшего из поляризатора.
В результате введения кварцевой пластинки поле зрения сахариметра оказывается разделенным на три части. Средняя часть освещается светом, прошедшим через поляризатор, кварцевую пластинку и анализатор, а две крайние части поля зрения – светом, прошедшим через поляризатор и анализатор. Так как кварц является оптически активным веществом, то после прохождения поляризованного света через пластинку его плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол (рис. 4.6,а).
Поворачивая анализатор, можно получить равномерно освещенное поле зрения. Это происходит при двух положениях анализатора: 1) плоскость АА анализатора совпадает с биссектрисой угла между направлениями колебаний в средней и крайних частях поля зрения (рис. 4.6, б); 2) плоскость анализатора перпендикулярна биссектрисе угла между направлениями колебаний (рис. 4.6, в).
В одном случае яркость поля зрения будет больше, в другом – меньше. При работе с сахариметром следует уравнивать части поля зрения при меньшей яркости.
Если установить анализатор на равную освещенность всех частей поля зрения, а затем поместить между поляризатором и анализатором трубку с раствором сахара, то равенство яркостей средней и крайней частей поля зрения нарушится. Это происходит в результате того, что во всех частях поля зрения плоскость колебаний светового вектора повернется на один и тот же угол a (рис. 4.7). Для восстановления равенства освещенностей необходимо повернуть анализатор на этот же угол a, равный углу поворота плоскости поляризации света при прохождении им раствора сахара.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|