1. Цель работы: знакомство с явлением поляризации, способами получения поляризованного света, с явлением вращения плоскости поляризации.

Опытное определение концентрации сахара в водном растворе с помощью сахариметра.

Краткая теория

Световые волны. Согласно электромагнитной теории Максвелла, свет представляет собой электромагнитные волны. Длины волн видимого света лежат в пределах от  (фиолетовые лучи) до  (красные лучи), где — единица длины, называемая нанометром.

Электромагнитные волны представляют собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, в котором вектор напряженности электрического поля  и вектор напряженности магнитного поля изменяются по периодическому закону.

Электромагнитные волны, а следовательно и световые волны, являются поперечными. В них векторы  и взаимно перпендикулярны друг другу, а также перпендикулярны направлению распространения волны, т. е. вектору скорости (рис. 28).

Естественный и поляризованный свет. Свет, в котором колебания электрического  и магнитного  векторов происходят во вполне определённых взаимно перпендикулярных плоскостях, называется плоскополяризованным.

Плоскость, в которой расположен вектор напряжённости электрического поля  называется плоскостью колебаний поляризованного света (плоскость I на рис. 28), а плоскость, в которой расположен вектор напряжённости магнитного поля  — плоскостью поляризации (плоскость II на рис. 28).

В дальнейшем мы будем говорить только о направлении колебаний вектора  так как при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая волны, которая воздействует непосредственно на электроны в атомах вещества.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. Любой источник света представляет собой совокупность большого числа одновременно действующих элементарных атомных излучателей с весьма малыми временами жизни (время высвечивания) порядка . В естественном свете, идущем от Солнца, раскалённой нити лампочки, газоразрядной трубке, пламени и т. д. складываются неупорядоченные излучения множества хаотически ориентированных атомов, поэтому направление  не выдерживается в одной плоскости. Такой свет можно рассматривать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний.

Свет, в котором электрические векторы ориентированы по всевозможным, перпендикулярным к лучу направлениям, называется естественным.

В большинстве случаев приходится иметь дело с частично поляризованным светом. Частично поляризованным светом называется такой свет, в котором колебания вектора  в каком-либо направлении имеют большую амплитуду, чем колебания в других направлениях.

Характер колебаний вектора  в естественном, полностью и частично поляризованном свете, показан на рис. 29 (плоскость чертежа перпендикулярна направлению распространения света).

Естественный свет можно поляризовать, т. е. превратить в поляризованный свет. Для этого надо создать такие условия, при которых колебания вектора напряженности электрического поля  могли бы совершаться только вдоль одного определенного направления.

Естественный свет          полностью       частично                     

поляризованный    поляризованный              

свет                            свет                  

Рис. 29

Способы получения поляризованного света. Полностью или частично поляризованный свет можно получить следующими способами:

1. При отражении от неметаллического зеркала (рис. 30) (стекло, мрамор, вода и др.).

Как показывает опыт, отражённый свет при этом получается частично поляризованным. Степень поляризации отражённого света зависит от угла падения i.

Угол падения , при котором отражённый свет оказывается полностью поляризованным, называется углом полной поляризации, или углом Брюстера. Согласно закону Брюстера

,          (1)

где n — показатель преломления отражающей среды.

Для стекла, например, . Электрический вектор в отражённом свете в случае полной поляризации направлен перпендикулярно плоскости падения (на рис. 30 колебания  показаны точками, так как они происходят перпендикулярно плоскости чертежа).

2. При преломлении света в стеклянной пластинке.

Преломлённый луч всегда поляризован не полностью. Поляризация достигает своего наибольшего значения при угле падения, равном углу полной поляризации . Если преломлённый луч подвергнуть второму, третьему и т. д. преломлению, то степень поляризации преломлённых лучен возрастёт. Стопа из 8-10 стеклянных пластинок (стопа Столетова) почти полностью поляризует свет, падающий на неё под углом Брюстера. Вектор напряженности электрического поля у преломленного луча находится в плоскости падения (на рис. 30 колебания  для преломлённого луча показаны стрелками).

3. При рассеянии света на частицах, размеры которых меньше длины световой волны. Например, рассеянный свет неба частично поляризован.

4. При прохождении света через некоторые прозрачные кристаллы, например, кварц, исландский пшат, турмалин.

Эти кристаллы являются анизотропными веществами, т. е. оптические свойства их по разным направлениям неодинаковы. В таких кристаллах наблюдается явление двойного лучепреломления. Если пропустить естественный свет через кристалл исландского шпата, то в нём образуются два поляризованных луча, причём плоскости поляризации их взаимно перпендикулярны (рис. 31).

Один из лучей, на которые разделяется луч естественного света при входе в кристалл, подчиняется законам преломления. Этот луч называется обыкновенным. Скорость его распространения в кристалле во всех направлениях одинакова.

Второй луч, получивший название необыкновенного, не подчиняется законам преломления, его показатель преломления не является величиной постоянной, а зависит от угла падения. Следовательно, и скорость распространения необыкновенного луча внутри кристалла зависит от направления.

В каждом кристалле имеется направление, относительно которого атомы (или ионы) кристаллической решётки расположены симметрично. Оно называется оптической осью. Двойное лучепреломление отсутствует, если свет падает на кристалл в направлении, параллельном его оптической оси.

5. Полностью поляризованный свет генерируется в квантовых источниках света — лазерах.

Поляризованный свет широко применяется в науке и технике главным образом для анализа оптических и электрических свойств вещества, их состава и структуры.

Приборы, с помощью которых получают поляризованный свет, называются поляризаторами.

Наиболее широко в качестве поляризатора применяется призма Николя. Она вырезается из кристалла исландского шпата в виде скошенного параллелепипеда, распиливается по диагональной плоскости. Плоскости распила шлифуются, половинки кристалла склеиваются прозрачным для света канадским бальзамом, так что призма принимает прежнюю форму (рис. 32).

Боковые стенки призмы покрываются чёрной краской. Естественный луч, входя в призму Николя, делится на обыкновенный и необыкновенный.

Показатель преломления канадского бальзама имеет величину , которая лежит между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного  лучей. Подобрав соответствующим образом углы призмы, можно обеспечить полное внутреннее отражение обыкновенного луча на границе с канадским бальзамом. Отражённый луч в этом случае поглощается зачернённой нижней гранью и выводится из кристалла. Необыкновенный луч выходит из призмы Николя параллельно нижней грани.

Таким образом, призма Николя выделяет из естественного света плоско поляризованный свет.

В последние годы для получения широких пучков поляризованного света применяются поляроиды (поляризационные светофильтры), которые используются в качестве поляризатора. Поляроид представляет собой прозрачную пластмассовую плёнку толщиной около 0,1 мм, содержащую много мелких искусственных кристалликов — поляризаторов, например, кристалликов герапатита (сульфат йодистого хинина). Оптические оси всех кристалликов ориентируются в одном направлении в процессе изготовления поляроида.

Глаз не отличает естественного луча от плоскополяризованного. Приборы, при помощи которых можно определить, является ли данный луч естественным или поляризованным, называются анализаторами. В качестве анализатора используется точно такая же призма Николя, или поляроид. Принципиальных различий в конструкционном отношении между поляризатором и анализатором нет, поэтому их можно менять местами.

Закон Малюса. Если поставленный после поляризатора анализатор вращать вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через анализатор (I), изменяется пропорционально квадрату косинуса угла между главными сечениями анализатора и поляризатора

,                                   (2)

где  — интенсивность света, падающего па анализатор.

Максимальная интенсивность света за анализатором получается при . В этом случае говорят, что поляризатор и анализатор поставлены «на свет». Когда , , то говорят, что анализатор и поляризатор поставлены «на темноту», т. е. анализатор не будет пропускать свет.

Вращение плоскости колебаний поляризованного света. При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости колебаний волн в одну или другую сторону (положительный правый поворот и отрицательный левый поворот, если смотреть навстречу световому лучу). Такие вещества называются оптически активными. К ним относится ряд твёрдых тел (кварц, киноварь, сахар и др.), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, глюкозы, винной кислоты и т. д.). Вращение плоскости колебаний поляризованного света обусловлено oсoбенностями структуры веществ (асимметричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии).

Угол поворота плоскости колебаний поляризованного луча после прохождения через раствор оптически активного вещества пропорционален толщине слоя вращающего вещества l и концентрации оптически активного вещества :

.                                           (3)

Коэффициент , называемый удельным вращением, зависит от природы активного вещества и растворителя, температуры и длины волны света. На вращении плоскости колебаний поляризованного луча основан простой и весьма точный метод определения концентрации оптически активных веществ в растворах. Применяемые для этого приборы называются поляриметрами или сахариметрами.

Описание метода и установки

В поляриметрах (сахариметрах) применяется система двух призм Николя (или двух поляроидов), одна из которых служит поляризатором, другая — анализатором. Между поляризатором и анализатором помещается исследуемое вещество. Пусть поляризатор и анализатор перекрещены и не пропускают света (поставлены на «темноту») (рис. 33).

Поместим между ними раствор сахара. Тогда плоскость колебаний луча, вышедшего из поляризатора, при прохождении раствора сахара повернётся на некоторый угол . Плоскость колебаний луча, падающего на анализатор, уже не будет перпендикулярна его главному сечению; через анализатор частично проходит свет. Чтобы анализатор опять не пропускал свет, его надо повернуть на такой же угол  вслед за повёрнутой плоскостью колебаний луча, прошедшего через раствор сахара.

Так как угол поворота плоскости колебаний поляризованного луча, согласно формуле (3), пропорционален толщине слоя и его концентрации, то для нахождения концентрации раствора сахара достаточно измерить угол вращения колебаний луча света, прошедшего через слой этого раствора определённой толщины, кроме того, необходимо знать коэффициент .

В настоящей работе для определения концентрации сахара в водном растворе используется универсальный сахариметр СУ-3. Внешний вид его представлен на рис. 34. Основным

и частями являются: головка поляризатора I и измерительная головка II, расположенные в металлической трубе 4, поддерживаемой на станине 9. Головка поляризатора содержит осветительный узел 1, поворотную обойму 2 со светофильтрами и полутеневое поляризационное приспособление 3. Так как удельное вращение  зависит от длины волны света, поэтому все измерения следует производить с одним светофильтром (например, оранжевым).

В трубу 4 помещают трубки с исследуемым раствором.

В измерительной головке находится анализатор 6. В нижней части измерительной головки расположена рукоятка кремальерной передачи 5 для перемещения подвижного кварцевого клина компенсатора и связанной с ним шкалы. Рассматривают поле зрения через зрительную трубу 7. В данном приборе поле зрения разделено на две половинки. Вращением рукоятки 5 можно добиться уравнения яркостей двух частей в положении «полутень». Для измерения угла поворота имеется шкала и нониусы, которые рассматриваются через окуляр трубы 8. По нижней шкале (основной) отсчитывается целое число делений, по верхней (нониусу) — десятые доли деления. Наводка на фокус окуляров трубок 7 и 8 осуществляется вращением их оправы. В нижней части станины 9 имеется тумблер 10 для включения лампочки осветительного устройства.

Порядок выполнения работы