Поляризация света, свет естественный и поляризованный

Принцип действия

В портативном поляриметре П-161 применен принцип уравнивания яркостей разделенного на три части поля зрения. Разделение поля зрения на три части осуществлено введением в оптическую систему прибора кварцевой пластинки, которая занимает только среднюю честь поля зрения. Уравнивание яркостей частей поля происходит вблизи полного затемнения поля, что соответствует почти полному скрещиванию поляризатора и анализатора (83-85°). Свет от матовой электрической лампочки или дневной свет с помощью зеркала 4 (рис.1) прибора направляется в узел поляризатора. Пройдя оранжевый светофильтр и поляризатор, свет средней частью пучка проходит через кварцевую пластинку, защитное стекло и анализатор, а двумя крайними частями пучка.

Рис..2 Вид поля зрения.

 

Вид поля зрения приведен на рис.2.

Уравнивание яркостей частей поля зрения производится путем вращения анализатора 8 (рис.1). Если между анализатором и поляризатором ввести кювету с оптически – активным раствором или жидкостью, то равенство яркостей частей поля зрения нарушится. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации жидкостью. Следовательно, разностью двух отсчетов, соответствующих равенству яркостей частей поля с оптически – активной жидкостью и без нее, определяется угол вращения плоскости поляризации.

Наблюдение тройного поля зрения осуществляется при помощи зрительной трубки. Вращением оправы окуляра 7 (рис.1) производится установка окуляра по глазу на резкость изображения линий раздела поля зрения.

Регистрация угла вращения плоскости поляризации осуществляется с помощью отсчетной лупы 2 (рис.1). В ней на неподвижном лимбе вправо и влево нанесено 20 делений. Цена одного лимба 1°. В плоскости лимба на подвижной втулке имеются два нониуса – левый и правый. Каждый нониус разделен на 10 делений. Цена одного деления 0,1°.

Ход работы:

При выполнении работы исследуемое вещество помещают в разборную кювету. Разборная кювета для жидкости представляет собой стеклянную цилиндрическую трубку со шлифованными торцами. Размеры трубки измерены с точность до сотых долей мм и указаны на кювете. Сверху трубка покрыта непрозрачным материалом. К концам трубки приклеены герметическим клеем держатели торцовых, прозрачных стекол. При помощи прижимной цилиндрической гайки держателя, круглое прозрачное стекло прижимается к шлифованным торцам трубки. Для герметизации и не разрушения прозрачных стекол между прижимной гайкой и стеклом располагается резиновая шайба. Заполнение кюветы исследуемым раствором происходит следующим образом. На один конец кюветы помещается цилиндрическое, прозрачное стекло и прижимается к торцу трубки прижимной гайкой. Этим концом кювета ставится на горизонтальную поверхность. В вертикально стоящую кювету наливают исследуемую жидкость так, чтобы на торце цилиндрической трубки образовался выпуклый мениск. На мениск помещают торцовое стекло так, чтобы в кювете не образовывался воздушный пузырек. Прижимной гайкой прижимают стекло к торцу цилиндрической трубки. Кювета собрана и используется для измерений.

1. Определение нулевого отсчета прибора осуществляется без кюветы или с кюветой, наполненной дистиллированной водой.

1.1. Поместите кювету с дистиллированной водой в кюветное отделение прибора и вращением оправы окуляра установите окуляр на резкое изображение линий раздела поля зрения.

1.2 Вращением кольца поворачивайте анализатор и добейтесь равенства окраски частей поля зрения (в чувствительном положении). Равенство окраски наблюдается в промежуточном положении при переходе светлого поля 1 в темное поле 2 и наоборот (рис.3).

 

 

Рис.3. Переход вида поля зрения

Установку на равномерную яркость частей поля зрения повторите 3 раза. Каждый раз берите отсчеты по нониусу (рис.1). Средняя величина из 3 отсчетов является нулевым отсчетом прибора.

1.3.Через отсчетную лупу определить, насколько полных градусов повернут нуль нониуса по отношению к лимбу и записать целые значения лимба до нуля нониуса. Затем подсчитайте число делений нониуса, от нуля нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба, и умножьте полученное число на 0,1°. К числу градусов, взятых по лимбу, прибавьте отсчет по нониусу. Сделайте три измерения , найдите среднее значение Если нулевой штрих нониуса при установке на равенство яркостей частей поля зрения оказался относительно нулевого штриха лимба смещенным по часовой стрелке, то нулевому отсчету приписывают знак (+), а если против часовой стрелки – (-).

1. Определение угла вращения плоскости поляризации оптически активной жидкостью и удельного вращения вещества.

2.1. Поместите кювету с исследуемым раствором известной концентрации С в кюветное отделение прибора и вращением оправы окуляра установите окуляр на резкое изображение линий раздела поля зрения.

2.2. Вращением кольца поворачивайте анализатор и добейтесь равенства яркостей частей поля зрения (в чувствительном положении).

2.3. Через отсчетную лупу определить, насколько полных градусов повернут нуль нониуса по отношению к лимбу и записать целые значения лимба до нуля нониуса. Затем подсчитайте число делений нониуса, от нуля нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба, и умножьте полученное число на 0,1°. К числу градусов, взятых по лимбу, прибавьте отсчет по нониусу. Сделайте три измерения, найдите среднее значение и из полученного среднего значения вычтите нулевой отсчет, обязательно учитывая знак.

Пример: При определении нулевого положения прибор показал +0,3°, а после ввода исследуемого раствора +3,3°, тогда угол поворота +3,3°-(+0,3°)=+3,0°

2.4. На кювете содержащей исследуемый раствор концентрации С указана длина кюветы L. По формуле определим удельное вращение. Удельное вращение равно .

1. Определение неизвестной концентрации

3.1 Кювету заполненную раствором неизвестной концентрации С_х поместить в кюветное отделение прибора и вращением оправы окуляра установите окуляр на резкое изображение линий раздела поля зрения.

3.2. Вращением кольца поворачивайте анализатор и добейтесь равенства яркостей частей поля зрения (в чувствительном положении).

3.3. Через отсчетную лупу определить, насколько полных градусов повернут нуль нониуса по отношению к лимбу и записать целые значения лимба до нуля нониуса. Затем подсчитайте число делений нониуса, от нуля нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба, и умножьте полученное число на 0,1°. К числу градусов, взятых по лимбу, прибавьте отсчет по нониусу. Сделайте три измерения, найдите среднее значение, из полученного среднего значения вычтите нулевой отсчет, обязательно учитывая знак.

3.4. Зная удельное вращение исследуемого вещества, определенную по эталонной концентрации при проведении измерений на сахариметре, определим неизвестную концентрацию С_х, при условии, что измерения проводили в кюветах одной длины.

1. Определение дисперсии оптической активности

Удельное вращение исследуемого вещества зависит от длины волны проходящей через вещество света. Эта зависимость называется дисперсией оптической активности.

4.1. Выкрутить из поляриметра желтый светофильтр, и свет от источника будет проходить через монохроматор, поляризатор поляриметра, через кюветное отделение поляриметра и анализатор

4.2. Для определения дисперсии оптической активности выставить на монохроматоре длину волны в видимом диапазоне. Поместить в кюветное отделение поляриметра кювету с известной концентрацией раствора, и вращением оправы окуляра установить окуляр на резкое изображение линий раздела поля зрения.

4.3. Вращением кольца поворачивать анализатор и добиться равенства яркостей частей поля зрения (в чувствительном положении).

4.4. Через отсчетную лупу определить, насколько полных градусов повернут нуль нониуса по отношению к лимбу и записать целые значения лимба до нуля нониуса. Затем подсчитать число делений нониуса, от нуля нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба, и умножьте полученное число на 0,1°. К числу градусов, взятых по лимбу, прибавьте отсчет по нониусу. Сделайте три измерения, найдите среднее значение и из полученного среднего значения вычтите нулевой отсчет, обязательно учитывая знак.

4.5. Зная длину L кюветы, содержащей известный раствор с концентрацией С, по формуле определим удельное вращение для заданной длины волны. Удельное вращение равно Полученный результат занести в таблицу.

4.6.Изменяя длины волн на монохроматоре с шагом 20 нм произвести измерения удельной активности для пяти разных длин волн проходящего света. Результаты измерений занести в таблицу:

 

Длины волны	№ п/п	φλ	φср	α
λ1=
λ2=
λ3=
λ4=
λ5=

 

Построить график зависимости удельного вращения от длины волны света.

Сделайте вывод.

4.7. Оформить отчет.

 

1.Поляризация света. Свет естественный и поляризованный (плоскополяризованный свет, плоскость поляризации, частично поляризованный свет, степень поляризации).

2.Закон Малюса (поляризатор, главная плоскость поляризации, анализатор, угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора).

3.Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков.

4.Поляризация света при двойном лучепреломлении (обыкновенный и необыкновенный лучи, оптическая анизотропия, ход обыкновеных и необыковенных лучей через анизотропный кристалл, призма Николя).

5.Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами. Поляриметрия (оптическая активность, постоянная вращения, правовращающие и левовращающие вещества, вращательная дисперсия).

6.Явление дихроизма.

7.Исследование биологических тканей в поляризованном свете. Спектрополяриметрия. Поляризационный микроскоп.

 

Поляризация света, свет естественный и поляризованный

При действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, которая воздействует непосредственно на электроны в атомах вещества. Поэтому вектор E напряженности электрической составляющей поля называютсветовым вектором волны,а плоскость его колебаний - плоскостью колебаний волны. Электромагнитную волну, в которой векторы Е и, следовательно, векторы Нлежат во вполне определенных плоскостях, называют плоскополяризованной (рис1.1). Плоскость, проходящая через электрический вектор Е и направление распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации.

 

 

Рис.1.1 Взаимное расположение электрического вектора Е и магнитного вектора Н в плоскополяризованной волне.

Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. В естественном свете, идущем от Солнца, накаленной нити лампочки, газоразрядной трубки, пламени, и т.п., складываются неупорядоченные излучения множества хаотически ориентированных атомов, поэтому направления Е не выдерживаются в одной плоскости. Такой свет можно рассматривать как наложение плоскополяризованных волн с хаотической ориентацией плоскостей колебаний, электрические векторы ориентированы по всевозможным, перпендикулярным к лучу направлениям. Сечение луча О в некоторый момент времени и проекции векторов Е на плоскость, перпендикулярную лучу показаны на рис.1.2

 

 

 

Рис.1.2 Проекции векторов Е на плоскость, перпендикулярную лучу О.

Если у светового луча амплитудные значения вектора Е оказываются

неодинаковыми для различных плоскостей колебания, то такой луч называется частично поляризованным. На рис.1.3 изображен частично поляризованный луч, у которого колебания совершаются преимущественно в вертикальной плоскости.

 

Рис.1.3 Проекции векторов Е на плоскость, перпендикулярную лучу О.

Плоская поляризация света, особенно частично поляризованная, - очень распространенное явление, возникающее при отражении, преломлении и рассеянии света окружающими телами. Однако человеческий глаз не обнаруживает различия между поляризованными лучами, имеющими различную ориентацию плоскости колебания и вообще не отличает поляризованного света от естественного. В связи с этим все наблюдения поляризации света или связанных с ней явлений производятся только с помощью соответствующих приборов.

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором. Он пропускает только составляющую вектора Е и соответственно Н на некоторую плоскость - главную плоскость поляризатора. При этом через поляризатор проходит только половина интенсивности естественного света . При вращении поляризатора относительно луча естественного света будет поворачиваться плоскость колебаний вышедшего плоскополяризованного света, но интенсивность его изменяться не будет. Поляризатор можно использовать для анализа поляризованного света, тогда его называют анализатором.