Физика Часть 2

Рисунок 5. Получение поляризованного света при прохождении естественного света через стопу стеклянных пластин

2. Поляризация при двойном лучепреломлении

Явление двойного лучепреломления наблюдается в анизотропных средах (среды, в которых скорость распространения света или показатель преломления неодинаковы в различных направлениях). Анизотропной средой будут, например, кристаллы кварца и исландского шпата.

Естественный луч разделяется в кристалле на два луча,

обыкновенный - о и необыкновенный - е, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.4). Обыкновенный и необыкновенный лучи имеют в кристалле различные скорости распространения.

кристалл

e o

Рисунок 6. Поляризация при двойном лучепреломлении

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей мало разведены друг от друга. Однако, из этих кристаллов изготавливают специальные поляризованные призмы (призма Николя). Для ее изготовления кристалл исландского шпата распиливают определенным образом по

83

диагонали, а потом склеивают канадским бальзамом (рис.7). Для обыкновенного луча бальзам является средой оптически менее плотной, а для необыкновенного луча - более плотной, чем исландский шпат. Поэтому обыкновенный луч о (рис.7), падающий на слой бальзама под углом большим предельного, претерпевает полное отражение, а необыкновенный луч е (рис.7) при любых углах падения проходит через этот слой.

канадский бальзам

		220
	450		необыкновенный
		е	луч
	680	о
А

В

направление оптической оси кристалла

обыкновенный

луч

Рисунок 7. Поляризация света в призме Николя

Если естественный луч падает на грань призмы Николя параллельно основанию АВ (рис.7), то необыкновенный луч проходит через призму, почти не отклоняясь от первоначального направления, а обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от слоя бальзама, поглощается зачерненной поверхностью основания АВ.

Таким образом, сквозь призму Николя проходит только один необыкновенный, полностью поляризованный луч.

3. Поляризация при прохождении света через поглощающие анизотропные вещества - поляроиды

У некоторых двояко преломляющих кристаллов (турмалин, герапатит и др.) коэффициенты поглощения света для двух взаимно перпендикулярных поляризованных лучей сильно

84

отличаются. При небольшой толщине кристалла выходит поляризованный свет. Это явление называется анизотропией поглощения, или дихроизмом. Так же действуют поляроиды - прозрачные пленки, содержащие определенным образом ориентированные мелкие кристаллы поляризующего свет дихроичного вещества, например, герапатит (сернокислый йодхинин). Такая пленка пропускает только необыкновенные лучи и поглощает обыкновенные.

Стеклянные (диэлектрические) пластинки, призма Николя, поляроиды служат для получения поляризованного света и называются поляризаторами. Всякий поляризатор может быть также использован для исследования поляризованного света. Его называют анализатором (см. рис.8а).

	поляризованный свет	О
	О
естественный	Еп
свет	α Еa

О О1

поляризатор

анализатор

Рисунок 8а. Исследование поляризованного света при помощи анализатора

85

	О
1		О1
Eп	α	2
		Eа

О1

О

Рисунок 8б. К закону Малюса

Если плоскости пропускания поляризатора ОО и анализатора О1О1 (плоскости изменения Е проходящего через них поляризованного света) параллельны, то свет, прошедший через поляризатор, будет проходить через анализатор не ослабляясь. В общем случае, когда плоскости пропускания ОО и О1О1 составляют между собой некоторый угол α, поляризованный свет будет частично проходить через анализатор. Амплитуда Еа световых колебаний, прошедших через анализатор (2), будет меньше амплитуды Еп световых колебаний, идущих от поляризатора (1) (рис.8б). Из рис. 8б видно:

Еа=Еп cosα

Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний, то:

Ia=Iп cos2α - закон Малюса,

где Ia - интенсивность света, прошедшего через анализатор; Iп - интенсивность света, прошедшего через поляризатор. Потери интенсивности света на отражение и поглощение в анализаторе не учитываются.

86

Используя закон Малюса, можно показать, что интенсивность света, прошедшего через поляризатор Iп равна (1/2)Iо, где Iо - интенсивность падающего на поляризатор естественного света.

Некоторые вещества, называемые оптически активными, поворачивают (вращают) плоскость электрических колебаний поляризованного света, проходящего через них, не изменяя при этом амплитуды колебаний (рис.9). Это явление называется вращением плоскости колебаний поляризованного света и обусловлено особенностями структуры активных веществ (асимметричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии).

Плоскость поляризации вращают многие природные вещества: раствор сахара, углеводы, эфирные масла, гормоны, белки и входящие в их состав аминокислоты и т.п.

	Е		φ
поляризованный		оптически	Е
		актитвное
свет
		вещество

l

Рисунок 9. Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), называются правовращающими, а вещества, поворачивающие эту плоскость в противоположном направлении левовращающими.

Если поляризованный свет пройдет через оптически активное вещество расстояние l (рис.9), то плоскость колебаний

повернется на угол φ, равный:

l

где - коэффициент, характеризующий вещество.

87

Для растворов угол вращения пропорционален еще и

концентрации раствора - С:
C l	(1)

где - удельное вращение, характеризующее растворенное вещество (зависит от длины волны проходящего света, а также температуры раствора). Это увеличенный в 100 раз угол вращения столба раствора длиной 1дм при концентрации 1г вещества в 100мл раствора.

На вращение плоскости колебаний поляризованного света основан простой и весьма точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ.

Сущность его состоит в следующем:

Свет от источника S пропускают через сфетофильтр F и поляризатор Р. Свет, при этом становится монохроматическим и поляризованным (рис.10). Смотрим в окуляр О и поворачиваем анализатор А таким образом, чтобы свет не проходил через него, "устанавливают анализатор на темноту". При этом плоскости пропускания поляризатора и анализатора перпендикулярны. Отсчет φ1 положения анализатора проводят по лимбу К с угловыми делениями. Затем между анализатором и поляризатором помещают стеклянную трубку R с исследуемым раствором. При этом поле зрения окуляра просветлеет. Раствор повернет плоскость колебаний на некоторый угол φ. Поворачиваем анализатор на угол φ до момента наступления темноты. Снимаем отсчет φ2 по лимбу и находим угол1 2 Согласно формуле (1), получим:

C	100	;	(2)
	l

88

		l		K
F
S
		R	A	O
	P
				K

Рисунок 10. Принципиальная схема поляриметра

Из этого соотношения можно определить концентрацию С растворенного вещества по измерениям и l и известному для данного вещества значению .

Зная же концентрацию С активного вещества в растворах, длину пути l луча в них, угол , можно определить и удельное вращение , для данного вещества:

	100		(3)
		C l

Прибор для определения концентрации растворов оптически активных веществ называется поляриметром.

Устройство и принцип работы медицинского сахариметра

Рисунок 11. Принципиальная схема медицинского сахариметра

Оптическая схема поляриметра (сахариметра) приведена на рис.10, где И - источник света, Ф - светофильтр, Л - линза для получения параллельного пучка света, П - неподвижный поляризатор (поляроид), К - кювета с исследуемым раствором, А - анализатор (тоже поляроид), укрепленный на вращающемся диске Д с угловыми делениями от 0о до 360о (для точности отсчета диск снабжен шкалой нониуса), ОБ и ОК - объектив и

89

окуляр зрительной трубы Т, служащей для наблюдения поля зрения.

Непосредственно за поляризатором П поставлена тонкая кварцевая пластинка КВ, закрывающая только часть поля зрения прибора. Вследствие этого поле зрения оказывается разделенным на три части: две крайние части, освещаемые поляризованным светом, прошедшим только через поляризатор П и среднюю часть, освещаемую светом, прошедшим через поляризатор П и кварцевую пластинку КВ. Так как кварц – оптически активное вещество, то кварцевая пластинка поворачивает плоскость поляризации проходящего через него поляризованного света на небольшой угол. В результате плоскость поляризации световых лучей в средней части поля зрения будет составлять некоторый угол с плоскостью световых колебаний в крайних частях.

В этом поляриметре путем поворота анализатора нельзя одновременно достичь полного затемнения поля зрения во всех трех частях сразу. Однако можно установить такое положение анализатора, при котором будет одинаковое затемнение этих трех частей поля зрения, т.е. одинаковая яркость всего поля зрения. Поляриметры такого типа называются полутеневыми. Получить одинаковую яркость всех полей зрения можно при двух взаимноперпендикулярных положениях анализатора, но правильной установкой будет та, при которой уравнивание происходит при

меньшей яркости.

Если после установки анализатора на одинаковую яркость всех трех частей поля зрения поставить между анализатором и поляризатором трубку с раствором сахара, то во всех трех частях поля зрения плоскости колебаний будут повернуты на один и тот же угол. В результате этого яркости средней и крайних частей поля зрения перестанут быть одинаковыми. Например, края станут светлее, а середина темнее. Для восстановления равных яркостей частей поля зрения достаточно повернуть анализатор А на некоторый угол, который и будет равен углу вращения плоскости световых колебаний исследуемым раствором.

Правила работы с сахариметром

1.Поверните ручку резистора 18 (рис.12) до упора против часовой стрелки.

90

Рисунок 12. Сахариметр универсальный СУ-5

1 – лупа; 2 – измерительная головка; 3 – механизм установки нониуса; 4 – ключ; 5 – кюветное отделение; 6 – траверса; 7 – оправа поляризатора; 8 – узел светофильтров; 9 – фиксирующий винт; 10 – гайка регулировочная; 11 – осветительный узел; 12 – винт заземления; 13 – вставка плавкая; 14 – вилка разъема; 15 – стойка; 16 – основание; 17 – кнопка «Сеть»; 18 – ручка резистора; 19 – рукоятка клинового компенсатора; 20 – зрительная труба.

2.Включите прибор в сеть и кнопкой «Сеть» включите осветитель.

3.Установите вращением окуляра зрительной трубы 20 максимальную резкость изображения вертикальной линии раздела полей сравнения.

4.Установите ручкой резистора 18 такую яркость поля, которая наименее утомляет зрение и при которой наиболее четко воспринимается разница в яркости полей сравнения, если сместить нониус (верхняя шкала) на одно деление с его нулевого положения.

91

5.Закройте крышку кюветного отделения без установки в нем кюветы.

6.Ручкой 19 уравняйте яркость полей сравнения и снимите отсчет по шкале нониуса. Отсчет показаний при помощи нониуса поясняется рисунком 13.

На рис.13а показано положение нониуса и шкалы, соответствующее отсчету «+11,85°S» (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений и в правой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается его семнадцатое деление).

На рис.13б показано положение нониуса и шкалы, соответствующее отсчету «-3,25°S» (нуль нониуса расположен левее нуля шкалы на 3 полных делений и в левой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается его двадцать пятое деление).

Рисунок 13. Положения нониуса и шкалы

7.Установите кювету с исследуемым раствором в кюветное отделение; установите ее, вращая вокруг оси, в такое положение, чтобы линия раздела полей делила поле зрения на две равные части.

92