Методы экспериментального исследования поляризации света

 

 

 

 

 

Рисунок 15

Грубые измерения, сделанные  с фильтрами, показывают, что кварцевая  пластинка толщиной 1 мм вращает  плоскость поляризации на следующие углы:

ДЛЯ	красного	света	15°
»	желтого	»	21у
»	зеленого	»	27°
■»	синего	»	33°
»	фиолетового	»	51°

 

Для данной длины  волны  угол поворота плоскости поляризации  пропорционален  толщине пластинки. Вращательную способность твердых веществ характеризуют величиной угла α, на который   поворачивает плоскость поляризации пластинка толщиной 1мм.Таким образом,

φ=αl  (23)

где φ — угол поворота,l- толщина пластинки; α- коэффициент, зависящий от длины волны, природы вещества, и температуры. Точные измерения дают для желтой линии (свет паров Na, λ=5893 А) а = 21°,7. Само собой расположение, показанное на рис. 30.1. симметрично относительно оси кристалла и вся картина остается неизменной, если поворачивать кристалл вокруг его оси. Опыт показывает, что направление вращения (знак) меняется при изменении направления распространения света. Поэтому, если поляризованный свет, прошедший через кристалл, отражается от зеркала и вторично проходит через тот же кристалл, то направление плоскости поляризации восстанавливается.

В соответствии с этим принято направление вращения устанавливать для наблюдателя, смотрящего навстречу световому пучку.

Наблюдения вращения в кварце обнаружили, что существуют два сорта кварца: правовращающий, или положительный, дающий поворот плоскости поляризации вправо (по часовой стрелке), и левовращающий, или отрицательный (поворот против часовой стрелки). Величина вращения в обоих случаях одинакова (α + = α-_). То же относится и к другим кристаллам: все они, по-видимому, существуют в двух разновидностях, для которых α + = α-_, хотя не во всех случаях известны обе модификации.

Конечно, явление вращения плоскости поляризации имеет место и тогда, когда свет направлен не вдоль оси кристалла, а под углом к ней. Но изучение его в этих условиях значительно труднее, ибо явление частично маскируется обычным двойным лучепреломлением. Еще труднее наблюдать явление в двуосных кристаллах, так как вращение может быть различным вдоль каждой из осей. Наконец, известны также некоторые кристаллы кубической системы, не обнаруживающие обычно двойного лучепреломления, но обладающие свойством вращать плоскость поляризации (хлорноватистокислый натрий NаСlOз и бромноватистокислый натрий NаВгОз); в этом случае величина вращения не зависит от ориентации кристалла.

10 .Уточнение методов определения вращательной способности вещества.

 

В опытах, описанных в  предыдущем параграфе, угол поворота плоскости поляризации определялся в результате двух ориентации N2 на темноту: в отсутствие и в присутствии активного вещества. Такая установка довольно груба и нередко заменяется более точными. Широкое применение находят полутеневые устройства, обеспечивающие большую точность измерения. Такой прибор состоит из поляризатора и полутеневого анализатора, направления колебаний в двух половинах которого составляют между собой малый угол 2ср. Простейший полутеневой анализатор можно получить, если обычную поляризационную призму разрезать вдоль по главному сечению, ошлифовать у каждой из половин по клинообразному слою с углом около 2° 30' и вновь склеить (рисунок 16). Поперечное сечение такой призмы правильного ромба будет иметь вид искаженного ромба.

 

 

 

 

Рисунок 16

Если плоскость колебаний РР света, выходящего из поляризатора, перпендикулярна биссектрисе угла между главными направлениями анализатора А1 и А2 то обе половинки анализатора освещены одинаково: I1=I2 = I₀ sin² у, где Iо — интенсивность света, выходящего из поляризатора, а 11 и 12 — интенсивности света, пропускаемого соответственно половинками анализатора (рис. 30.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17

 

Если плоскость РР повернется на малый угол а в положение Р^/Р^/, то 11=I₀ sin²( φ - а) и 12=I₀ sin²(φ — а). При малом значении угла φ даже небольшой поворот а приводит к явственному нарушению равенства освещенности обоих полей (рис.18).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 18

Если после установки  прибора на равенство освещенностей  двух половин анализатора поместить  между поляризатором и анализатором исследуемое вещество, то обе половины поля зрения не будут освещены одинаково. Для восстановления равенства освещенностей анализатор надо повернуть на угол а, который и будет равен углу поворота плоскости поляризации в исследуемом веществе

11 Вращение плоскости поляризации в аморфных веществах

 

Применение чувствительных методов показало, что явление  вращения плоскости поляризации  весьма распространено и обнаруживается в большей или меньшей степени также весьма многими некристаллическими телами, К числу их принадлежат и чистые жидкости, например, скипидар, и растворы многих веществ в неактивных растворителях (например, водные растворы сахара). В настоящее время известны тысячи активных веществ, обладающих весьма различной вращательной способностью, от едва заметной до очень большой (например, никотин в слое толщиной 10 см поворачивает плоскость поляризации желтого излучения на 164°). Чрезвычайно важным фактом, установленным впервые Пастером (1848 г.) на примере солей виннокаменной кислоты, является существование активных веществ в двух модификациях, правых и левых. В настоящее время известны обе модификации для большинства активных тел, и есть все основания полагать, что все активные вещества могут существовать в двух таких видах, причем числовые значения вращательной способности для обеих модификаций всегда равны между собой и отличаются только знаком.

Для растворов Био (1831 г.) установил на опыте следующие количественные законы: угол поворота плоскости поляризации \р прямо пропорционален толщине d слоя раствора и концентрации с активного вещества:

φ=[α]cl (24)

Коэффициент пропорциональности [а]), аналогично коэффициенту а для кристаллов, характеризует природу вещества и носит название постоянной вращения. Постоянная вращения зависит от длины волны и температуры, она может также меняться при изменении растворителя, и притом довольно сложным образом.

Зависимость постоянной вращения от температуры, вообще говоря, незначительна. Для большинства веществ она уменьшается примерно на одну тысячную своей величины при повышении температуры на один градус. Наблюдается изредка и обратный температурный ход.

Точно так же влияние  длины волны на вращательную способность (вращательная дисперсия) может быть охарактеризовано лишь в общих чертах и для каждого случая должно быть изучено. Био установил, что вращательная способность пропорциональна квадрату длины волны, т.е..

α  ≈1/λ² (25)

Это правило передает зависимость неточно и может  служить лишь в качестве грубо  ориентировочного. Существуют вещества, для которых вращательная дисперсия аномальна. И экспериментальные, и теоретические исследования показывают, что области аномалии соответствуют областям собственных колебаний, и устанавливают, таким образом, связь этого явления с явлением дисперсии показателя преломления

Формула Друде, подтверждаемая опытом, имеет вид

α=

(26)

Где λ_i длины волн полос поглощения вещества, i=1,2,3…

Законы Био показывают, что для растворенных тел вращение есть молекулярное свойство, так что величина вращения возрастает пропорционально числу молекул на пути луча света (пропорционально длине слоя и концентрации); в соответствии с этим наблюдается вращение и в аморфных телах, состоящих из тех же молекул (сахарные леденцы, например), и в парах соответствующих жидкостей (например, в парах скипидара или камфары). Опыт показывает, что постоянная вращения не зависит от агрегатного состояния. Так, для жидкой камфары (при 204°С) найдено [а] — 70°,33, а для парообразной (при 220 °С) [о] = 70°,31.

Влияние растворителя на удельную вращательную способность вещества следует рассматривать как вторичное влияние, несколько изменяющее свойства молекул. Вместе с тем, мы знаем, что вращательная способность характеризует и многие кристаллы, причем оказывается, что в некоторых случаях вращательная способность связана именно с кристаллической структурой и не является свойством самих молекул. Так, плавленый (аморфный) кварц вращает плоскость поляризации, тогда как кристаллический кварц принадлежит к числу наиболее активных веществ.

В настоящее время  установлено, что все вещества, активные в аморфном состоянии (расплавленные  или растворенные), активны и в  виде кристаллов, хотя постоянная вращения для кристаллических форм может сильно отличаться от ее величины для аморфных; наоборот, существует ряд веществ, неактивных в аморфном виде и вращающих в кристаллическом состоянии. Таким образом, оптическая активность может определяться как строением молекулы, так и расположением молекул в кристаллической решетке. Действительно» исследование соответствующих кристаллов (кварц, хлорноватисто-кислый натрий) при помощи рентгеновских лучей показывает особенности структуры, позволяющие истолковать их оптическую активность.

 

12 Сахариметрия

 

 

Явление вращения плоскости  поляризации нашло применение для определения концентрации какого-либо активного вещества в растворе. Так как угол поворота  пропорционален концентрации оптически активного вещества в толщине слоя l,то используя соотношение (  ) можно определить концентрацию. На этом принципе основано устройство для определения концентрации сахара в растворе, сахариметра.

 

 

 

 

 

Рисунок 19

 

 Оптическая схема поляриметра изображена на рисунке 19, где А — трубка известной длины / с исследуемым раствором. Измерение угла ф путем установки анализатора на полное затемнение поля зрения сначала без трубки А, а затем с ней является недостаточно точным, так как человеческий глаз малочувствителен к небольшим изменениям абсолютной яркости равномерно освещенного или затемненного поля зрения. Зато глаз очень чувствителен к малейшему различию в яркостях смежных частей поля зрения, окрашенных в один и тот же цвет, т. е. освещенных монохроматическим светом.

13. Теория вращения плоскости поляризации

 

Общие основы. Френель (1817 г.) показан, что явление вращения плоскости поляризации сводится к особому типу двойного лучепреломления. В основе рассуждений Френеля лежит гипотеза, согласно которой скорость распространения света в активных веществах различна для лучей, поляризованных по правому и левому кругу. При этом для правых веществ большее значение имеет скорость правокру-говой волны, а для левых веществ — наоборот. Применяя индексы d (droit правый) и g (gauche — левый), запишем допущения Френеля в форме:

Правые вещества (D):  V_d > V_g,  n_d < n_g

Левые вещества (G): V_d < V_g,  n_d > n_g

где v      скорости циркулярно-поляризоваиного света, а п — соответствующие показатели преломления

Френель проверил свои предположения при помощи опыта, специально придуманного для исследования различия в скорости распространения правого и левого циркулярно поляризованного света. Им была изготовлена сложная призма (рис, 30.5), состоящая из трех призм: двух — из правовращающего кварца [JJ) и одной  из левовращающего G (оси направлены вдоль стрелок на чертеже).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 20

 

Если, действительно, для  правовращающего кварца n_d < n_g, а для левовращающего n_d > n_g, то линейно-поляризованный  пучок  света, проходя через такую призму, раздвоится, как показано на чертеже (ср. действие призмы, изображенной на рис. призмы выйдут два световых пучка: один вому, другой — по левому кругу. Опыт  полностью подтвердил  предположение Френеля.

Нетрудно показать, что  доказанное Френелем двойное  преломление  активных веществ для циркулярно-поляризованного  объясняет явление вращения плоскости поляризации. Действительно, плоскополяризованный свет можно представить как совокупность  двух циркулярно-поляризованных волн, правой  и левой, с  одинаковыми периодами и амплитудами. Пусть в месте входа в слой вращающего вещества совокупность право- и левополяризованного света эквивалентна плоскополяризованному свету с колебаниями по АА (рис. 30,6 а), т,е. вращающиеся электрические векторы правой и левой волн симметричны по отношению к плоскости АА. Рассмотрим, какова будет взаимная ориентация этих векторов в любой точке среды (см. рисунок 21). Предположим для определенности, что V_d> V_g.

 

 

 

 

Рисунок 21

 

 

Так как левая волна  распространяется с меньшей скоростью, то до какой-либо точки внутри среды она дойдет с некоторым отставанием по фазе по сравнению с правой. В рассматриваемой точке электрический вектор правой волны будет повернут вправо на больший угол, чем окажется повернутым влево вектор левой волны; следовательно. плоскостью, относительно которой симметрично расположены оба вектора, будет плоскость ВВ, повернутая вправо по отношению к АА. Итак, результирующее плоское колебание будет направлено по ВВ, т.е. плоскость поляризации света повернулась вправо на угол ψ, так что

 

φ_d-ψ=φ_g+ψ (24)

Для аналитического решения  той же задачи запишем выражение угла поворота светового вектора в функции времени t и глубины проникновения z для правого и левого лучей:

φ_d=ω(t-z/V_d) (25)

φ_g=ω(t-z/V_g) (26)

где V_d=c/n_d , V_g=c/n_g соответственно фазовые скорости распространения правого и левого циркулярно-поляризованных лучей, а  n_d и n_g — соответственные показатели преломления. видно, что угол поворота плоскости поляризации на глубине z =l равен