4. Поляризаційно-оптичні методи.

Відомо, що світлові хвилі являють собою електромагнітні коливання. У природного променя коливання электричного і магнітного полів відбуваються у всіх площинах, перпендикулярних до його напрямку (рис.13, а).

Промінь, коливання якого відбуваються тільки в одній площині, називається поляризованим. Площина І, у якій відбувається коливання променя, називається площиною коливань поляризованого променя, а площина ІІ, перпендикулярна до неї, — площиною поляризації (рис.13, б).

Рис. 13. Схеми звичайного(а) і поляризованого(б) променів

Рис. 14. Призма Ніколя

Як джерело поляризованих променів може служити, наприклад, призма Ніколя, виготовлена з голландського шпату. Призма складається з двох половинок кристала, склеєних під кутом 22° (рис.14). Промінь світла, входячи в призму, розділяється на «звичайний» промінь О и «незвичайний» промінь Е останній поляризований у взаємно перпендикулярних площинах. Звичайний промінь випробує повне внутрішнє відображення від площини розділу, і через призму проходить тільки поляризований промінь.

Поляризаційно-оптичні методи визначення концентрації речовини в розчині засновані на взаємодії поляризованого випромінювання з оптично активним середовищем, що змінює параметри поляризації.

Якщо пропустити монохроматичне випромінювання через лінійний поляризатор (поляроїд, призму Ніколя, призму Глана і ін.), то воно стає лінійно поляризованим. Це означає, що за поляризатором електричний вектор Е коливається тільки в одній площині, що збігається з площиною коливань, що пропускаються поляризатором. Взаємодія лінійно поляризованого випромінювання з оптично активним середовищем (кристалом,. рідиною, газом, розчином речовини) приводить до повороту азимута поляризації на кут , який, зокрема, пропорційний і концентрації речовини С і товщині b шару досліджуваного розчину: ,

де — питомий кут, що залежить від роду речовини і довжини хвилі випромінювання. Знаючи , і b, можна визначати концентрацію С.

Аналогічним чином можна визначати концентрацію при взаємодії циркулярно поляризованого випромінювання (коли електричний вектор Е обертається по колу, не змінюючи своєї величини) з оптично активним середовищем, що виявляє ефект Коттона; останній полягає в різному ослабленні середовищем правої і лівої форм циркулярно поляризованого випромінювання. Вимірювана при цьому щільність розчину пропорційна, як і в першому випадку, концентрації і товщині шару досліджуваного розчину: , де — молекулярний коефіцієнт поглинання, що залежить від роду речовини і довжини хвилі випромінювання.

В даний час вважають, що оптична активність обумовлена особливостями будови електронних оболонок індивідуальних молекул. Обертання азимута поляризації лінійно поляризованого випромінювання і різне поглинання правої і лівої форм поляризації відбуваються при наявності в середовищі молекул, що не мають центра або площини симетрії, тобто при асиметричному розташуванні атомів у молекулі. Клас оптично активних з'єднань дуже великий. З найбільш відомих, як приклад, можна привести скипидар, ефірні олії, різні полісахариди.

Поляризаційно-оптичними методами можна визначати концентрацію й оптично неактивних речовин. Звичайна речовина можна привести в оптично активний стан, впливаючи на нього зовнішніми силами — механічними, магнітними, електричними. У випадку штучної оптичної активності результат взаємодії лінійно поляризованого випромінювання з речовинами залежить від орієнтації азимута поляризації щодо напрямку дії зовнішніх сил.

Явище магнітного обертання азимута поляризації («магнітно-оптичний ефект») відкрите Фарадеєм у 1845 р. Магнітне обертання азимута поляризації відбувається при розповсюдженні випромінювання в прозорій речовині вздовж ліній магнітного полюсу. Воно може бути виявлене в системі з двома перехресними поляроїдами. Кут повороту азимута поляризації в цьому випадку пропорційний товщині шару речовини, що знаходиться у магнітному полі напруженістюН: , де - кут між напрямками ліній магнітного полі і розповсюдження випромінювання; k — коефіцієнт, що характеризує здатність даного тіла обертати в магнітному полі азимут поляризації на даній довжині хвилі (постійна Верде).

Штучну оптичну активність у магнітному полі виявляють тверді, рідкі і газоподібні речовини. Напрямок обертання для кожної речовини визначається напрямком магнітного поля і він не залежить від напрямку розповсюдження випромінювання. Явище штучної оптичної активності викликано змінами, що відбуваються з електронами, що входять до складу атомів і молекул речовини, під впливом магнітного поля.

Поляриметричні вимірювання проводять за допомогою поляризатора й аналізатора. На рис. 15 показане розташування поляризатора і аналізатора при поляриметричних вимірюваннях. Коли поляризатор 1 і аналізатор 2 встановлені так, що їхні площини поляризації рівнобіжні (рис.15, а), то промені світла проходять через них. Якщо аналізатор повернути на 90° (рис. 15,6), то промені світла не можуть пройти через нього, тому що промені, що пройшли через поляризатор, мають площину коливань, перпендикулярну площині коливання променів аналізатора. У цьому випадку світла за аналізатором не буде; така схема установки поляризатора й аналізатора називається установкою на «темряву». Якщо між аналізатором і поляризатором, поставленими на темряву, помістити розчин з оптично активними речовинами, то за аналізатором з'явиться світло (рис.15, в). Поява світла зв'язана з тим, що промінь, що вийшов з розчину, коливається не в площині, перпендикулярній площині аналізатора, а в площині NN, і може бути розкладений на два промені оr і os (рис.15, г). Промінь оs коливається в площині пропущення променів аналізатора і, отже, може пройти через нього.

Рис. 15. Схеми розташування поляризатора й аналізатора при поляриметричних вимірюваннях

Для вторинного досягнення темряви необхідно повернути аналізатор так, щоб площина його стала перпендикулярною до площини NN. тобто на кут . Величину цього кута і визначають при вимірюванні.

На рис.16 приведена принципова схема автоматичного поляриметра (сахариметра).

Випромінювання від джерела світла 1, сформоване лінзою 2 у пучок, близький до рівнобіжного, пройшовши інтерференційний фільтр 3, стає монохроматичним. Поляризатор 4 перетворює це випромінювання в лінійно поляризоване з визначеним азимутом. Модулятор 5 (наприклад, осередок Фарадея) змінює азимут поляризації з частотою f на однакову величину від середнього положення. Аналізатор 7 встановлений під кутом 90° до середнього положення азимута поляризації, і на фотоприймач 8 надходить випромінювання з амплітудною модуляцією подвоєної частоти (2f) зміни азимута поляризації. Фотоприймач працює від блоку живлення 9 і перетворює випромінювання в електричний сигнал.

Рис. 16. Схема автоматичного поляриметра

Якщо між модулятором і аналізатором помістити оптично активний об'єкт 6, то середнє положення азимута поляризації буде повернено на визначений кут , і на фотоприймач надійде випромінювання частотою f. Електричний сигнал частотою f викликає появу в електронному підсилювачі 10 сигналу неузгодженості, що надходить у виконавчий механізм 11, що має чіткий зв'язок з аналізатором. У залежності від фази сигналу неузгодженості виконавчий механізм буде повертати аналізатор в ту чи іншу сторону навколо оптичної осі системи. Це буде продовжуватися доти, поки аналізатор знову не встановиться під кутом 90°, і частота випромінювання за аналізатором не стане дорівнює 2 f. Кут повороту аналізатора дорівнює куту обертання азимута поляризації оптично активним об’єктом. Результат вимірювання фіксується відліковим пристроєм 12, зв'язаним з аналізатором через виконавчий механізм 11.

Поляризаційно-оптичні методи практично безінерційні і мають високу чутливість.