Изучение вращения плоскости поляризации света

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ФТИ
_____________________ В.П.Кривобоков
«
»
2012 г.
ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Методические указания к выполнению лабораторной работы О-13
Составитель С.И. Борисенко
Издательство
Томского политехнического университета
2012
1
УДК
ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
: методические указания к выполнению лабораторной работы О-13 /
сост. С.И. Борисенко; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2012. – 12 с.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы
к изданию методическим семинаром кафедры
теоретической и экспериментальной физики ФТИ.
«___»___________2012 г.
Зав. кафедрой ТиЭФ
доктор физ.-мат. наук,
профессор
___________
В.Ф. Пичугин
Председатель
учебно-методической комиссии
___________
С.И.Борисенко
Рецензент
Кандидат физ.– мат. наук,
доцент кафедры ТиЭФ ТПУ
Н.С. Кравченко
© Составление. ГОУ ВПО «Национальный
исследовательский Томский политехнический
университет», 2010
© Борисенко С.И., составление, 2012
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2012
2
ИЗУЧЕНИЕ ПОВОРОТА ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Приборы и принадлежности: поляриметр с набором светодиодов,
градуированный цилиндр, электронные весы; мерный стакан, фруктоза,
глюкоза, сахароза.
КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Из электромагнитной теории света следует, что плоские световые
волны являются поперечными (рис. 1). Электромагнитная волна, у
которой направления колебаний электрического вектора E и магнитного H упорядочены каким-либо образом, называется поляризованной волной.
y
E
z
x
H
Рис.1
Если колебания вектора E (как и H) происходят только в одной
проходящей через луч плоскости, волна называется плоскополяризованной или линейно-поляризованной. Вектор E называется
световым вектором, т.к. только он оказывает оптическое, фотоэлектрическое и другие действия электромагнитной волны на вещество.
Плоскость, в которой совершает колебания световой вектор в
плоско-поляризованной волне, называется плоскостью колебаний.
По историческим причинам плоскость, перпендикулярная к плоскости колебаний, названа плоскостью поляризации.
Излучение светящегося тела, состоящего из множества атомов,
представляет собой суперпозицию излучений отдельных атомов. Атомы
излучают спонтанно и независимо друг от друга, что приводит к беспорядочному изменению направления светового вектора в рассматриваемой точке. Световая волна, у которой направление светового вектора хаотически меняется, так что для него равновероятны все направления колебаний в плоскости, перпендикулярной лучу (рис. 2а),
называется естественным (неполяризованным) светом. Согласно
данному определению естественный свет в произвольной точке можно рассматривать как суперпозицию некогерентных взаимно перпендикулярных колебаний напряженности электрического и магнитного поля с равной амплитудой. Если амплитуды этих колебаний будут
различны, свет называется частично поляризованным (рис. 2б).
3
Рис. 2. Ориентация светового вектора луча при различной поляризации света
В отличие от естественного свет плоско-поляризованный следует
рассматривать как суперпозицию когерентных взаимно перпендикулярных волн с разностью фаз равной   n , где n – целое число
(рис. 2в). Если разность фаз будет иметь произвольное значение отличное от   n , при различных амплитудах когерентных взаимно
перпендикулярных волн свет будет эллиптически-поляризован, а
при одинаковых амплитудах – циркулярно-поляризованным. Это означает, что конец светового вектора при движении луча будет двигаться
по эллипсу или кругу (рис. 2с).
При прохождении линейно поляризованного луча вдоль оптической оси1 кварцевой пластинки (рис. 3) наблюдается поворот плоскости
поляризации. Если между скрещенными поляризаторами N1 и N2, дающими темное поле зрения, поместить кварцевую пластинку, то при прохождении линейно поляризоР
ванного луча вдоль оптичеN1
N2
ской оси пластинки наблюдается поворот плоскости поляризации (Араго, 1811г.), поле
О
О'
d
зрения просветляется. Впоследствии это явление было
Рис. 3
обнаружено в других кристаллах и растворах и получило название вращения плоскости поляризации. Вещества, вращающие плоскость поляризации света, называются
оптически активными. Экспериментально установлено, что угол поворота плоскости поляризации зависит от длины d пути света в
кристаллической пластинке и от длины волны, т. е. имеется вращательная дисперсия:
φ=αd,
(2)
где, α - вращательная способность кристалла.
Кварцевая пластинка толщиной в 1 мм поворачивает плоскость поляризации желтых лучей (λ=589нм) на 21,7°, ультрафиолетовых лучей
(λ=214,7нм) на 236°. Эти данные показывают весьма значительную
вращательную способность кварца.
1
Оптической осью называется направление в кристалле, в котором не происходит
двойного лучепреломления.
4
Существуют две модификации кристалла кварца – правовращающая и левовращающая. Они характеризуются различными направлениями вращения плоскости поляризации, которые определяются в соответствии с правилом правого
или левого винта при распространении
света вдоль оптической оси (рис. 4).
Вращение плоскости поляризации свеРис. 4
та можно объяснить с помощью гипотезы
Френеля (1823 г.). Согласно этой гипотезе
линейно-поляризованную плоскую монохроматическую волну можно
представить в виде суперпозиции двух одновременно распространяющихся циркулярно-поляризованных плоских волн той же частоты, векторы напряженностей которых равны по модулю и вращаются во взаимно противоположных направлениях с одинаковой угловой скоростью
(рис. 5а). В оптически активной среде эти волны распространяются с разными фазовыми скоростями. Поэтому
после прохождения этими
волнами в среде пути l между
ними возникает сдвиг по фазе, пропорциональный l. Соответственно в результате
наложения этих волн на выходе из слоя толщиной l обРис. 5.
разуется плоская монохроматическая волна, плоскость поляризации которой повернута относительно плоскости падающей волны на угол , пропорциональный l (рис. 5б).
Угол поворота плоскости поляризации света в растворах активных
веществ зависит не только от длины пройденного пути l, но и от концентрации с активного вещества:
φ=αlc,
(3)
где  - удельная оптическая активность раствора, зависящая от длины
волны и от температуры.
Это выражение называется законом Био (1832 г.) и находит практическое применение при измерении концентрации активного вещества
в растворе.
Вращательная способность активного вещества α зависит от длины
волны и температуры раствора. Экспериментальное изучение этого явление показало, что зависимость α от температуры является слабой, а от
длины волы дается в грубом приближении соотношением α ~ 1/λ2.
5
Вращение плоскости поляризации используется в ряде оптических
приборов (оптические затворы, оптические модуляторы).
СХЕМА УСТАНОВКИ
П
О'
E0
К
1
E0
E1
П
О'
S
О
О
Рис. 6
П – поляризаторы,
К – кювета с раствором сахара (глюкозы, фруктозы),
S – источник естественного света,
ОО' – оптическая ось поляризатора.
ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА
Рис. 7. Поляриметр с 4-мя светодиодами U8761161
1. Неподвижный указатель
2. Анализатор
3. Смотровое отверстие в анализаторе
4. Измерительная камера с градуированным цилиндром объемом 100 мл и поляризатором
5. Переключатель светодиодов
6. Сетевой адаптер
Инструкция безопасности:

Не изучайте полностью открытую измерительную камеру, когда
светодиоды ярко освещены.

Используйте для поляриметра напряжение только 12 В, поставляемое сетевым адаптером.
6

При любом видимом повреждении поляриметра или адаптера сети
использование прибор запрещается.
Поляриметр с 4 - мя светодиодами используется для того, чтобы
определить угол поворота плоскости поляризованного света, пропущенного через оптически активное вещество, и измерить его зависимость от длины волны света, длины образца и концентрации раствора.
Прибор освещается системой, состоящей из четырех монохроматических светодиодов. Свет, излучаемый от активного светодиода, подвергается линейной поляризации поляризатором, помещенным под цилиндрической емкостью расположенной в измерительной камере.
При пустой измерительной камере интенсивность света, видимого
через наблюдательное отверстие анализатора для всех цветов минимальна, если указатель находится в положении 360°.
Положение минимальной интенсивности света не имеет четко соответствующего ему угла поворота анализатора, поскольку свет, излучаемый светодиодами поляриметра, не является спектрально чистым его спектр включает волны различной длины, углы поворота плоскости
поляризации для которых являются разными. По этой причине при
вращении анализатора по часовой стрелке и против часовой стрелки с
переходом через оптимальное положение наблюдается не четко выраженный минимум интенсивности света, а небольшое изменение цвета.
Технические данные поляриметра:
Длины излучаемых светодиодами волн: красный
630 нм,
желтый
580 нм, зеленый 525 нм, синий 468 нм.
Размеры: 110x190x320 mm3. Вес: 1 кг.
Поляриметр U8761161-230 разработан для напряжения сети 230 В
(±10 %).
Правовращающее вещество в измерительной камере вызывает поворот плоскости поляризации по часовой стрелке (при виде сверху). Если теперь повернуть диск анализатора по часовой стрелке (относительно положения 360°) так, чтобы интенсивность света снова стала минимальной, указатель укажет угол αP ( αP < 360°). При этом требуемый
угол поворота можно определить следующим образом:
α = 360° - αP
Пример снятия показаний для правовращающего вещества (+6)
7
Для левовращающего вещества анализатор следует повернуть против часовой стрелки в положение, при котором интенсивность света будет минимальной, и отметить по шкале угол αP. В этом случае угол поворота определяется как:
α = -αP.
Пример снятия показаний для левовращающего вещества (-6 °)
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Опыт №1. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от
длины образца l для различных длин волн.
1. При пустой измерительной камере интенсивность света, видимого
через наблюдательное отверстие анализатора, минимальна для всех цветов (для всех длин волн), когда указатель находится в положении 360.
После подключения поляриметра к сети электропитания при помощи
сетевого адаптера это положение указателя зафиксировать.
2. Влить приготовленный раствор фруктозы концентрации
с = 0,5 г/мл (50 г фруктозы в 100 мл дистиллированной воды) и 10 мл (l
= 19 мм) в цилиндр, вынув его из камеры. Следить чтобы, жидкость не
попала на стенки камеры (протереть наружные стенки цилиндра). После
чего установить цилиндр в камеру и сверху анализатор.
3. Измерить угол поворота φр для всех четырех цветов и внести результаты с учетом знака в таблицу 1 (фруктоза – левовращающее вещество, анализатор следует повернуть против часовой стрелки, φ = - φр).
Таблица №1
l мм
V мл
19
39
57
76
95
114
133
152
171
190
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
φ, град
желтый
580 нм
красный
630 нм
8
зеленый
525 нм
синий
468 нм
4. Извлечь цилиндр, влить дополнительно 10 мл раствора и снова
определить углы поворота для 4-х длин волн. Повторить опыт, вновь
добавляя раствор порциями до 100 мл.
5. Экспериментальные данные таблицы 1 использовать для построения графика зависимости угла поворота плоскости поляризации φ от
длины образца l для четырех длин волн λ.
100
0
200
l (мм)
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
-110
-120
φ (град)
6.
По полученным графикам для четырех длин волн рассчитать вра-
щательную способность  
1 
. Построить график зависимости α от λ.
c l
Сделать вывод.
Опыт №2. Зависимость угла поворота плоскости поляризации от
концентрации раствора для четырех волн различной
длины.
1. Измерения выполнить с растворами фруктозы разной концентрации, длину образца (высоту раствора) l оставить неизменной.
Цилиндр извлечь из камеры, влить 100 мл (190 мм) раствора фруктозы концентрации с = 0,05 г/мл и снова установить в измерительную
камеру. Измерить угол поворота для каждого из четырех цветов и внести результаты с учетом знака в таблицу 2.
2. Повторить опыт для других концентраций, внести результаты в
таблицу 2.
9
Таблица №2
с
г/мл
φ град
красный
630 нм
желтый
580 нм
зеленый
525 нм
синий
468 нм
0,05
0,15
0,25
0,50
3.
Построить график зависимости угла поворота от концентрации
раствора.
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50 с (г/мл)
-25
-50
-75
-100
φ (град)
Сравнить полученную зависимость с уравнением (3). Сделать соответствующие выводы.
Опыт №3. Сравнение удельной оптической активности различных веществ.
1. В соответствии с уравнением (3) определить удельную оптическую активность растворов фруктозы, глюкозы и сахарозы. Концентрацию раствора с и длину образца l, длину волны λ оставить неизменными
(с = 0,25 г/мл, l = 190 мм (100 мл)).
Измерить угол поворота φ для растворов фруктозы, глюкозы и сахарозы, используя желтый светодиод (λ = 580 нм). Данные занести в таблицу 3.
Учесть, что растворы глюкозы и сахарозы это правовращающие
среды и вызывают поворот плоскости поляризации по часовой стрелке.
При этом требуемый угол поворота определится по формуле
φ = 360 - φр
10
Таблица №3
Вещество
φ, град

град  мм2

, 10
c l
г
3
Фруктоза
Глюкоза
Сахароза
Сделать вывод какое вещество можно считать наиболее оптически
активным?
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Чем луч естественный отличается от поляризованного?
2. Каким образом можно описать плоско-поляризованный луч?
3. Какой луч называется циркулярно-поляризованным
4. Каким образом можно описать эллиптически-поляризованный
луч?
5. Какие вещества называются оптически активными?
6. Какие виды оптически активных веществ Вы знаете?
7. В чём состоит гипотеза Фарадея, объясняющая явление вращения
плоскости поляризации в оптически активных веществах?
8. Каким должно быть направление распространения луча относительно оптической оси двупреломляющего кристалла кварца, чтобы имело место вращения плоскости поляризации?
9. От чего зависит угол вращения плоскости поляризации в оптически активных растворах веществ?
10. Почему в опытах по вращению плоскости поляризации необходимо использовать монохроматический свет?
11. Что называется вращательной дисперсией?
11
Учебное издание
ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
СВЕТА ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Методические указания к выполнению лабораторной работы О-13
Составитель
Борисенко Сергей Иванович
Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии
с качеством предоставленного оригинал-макета
Подписано к печати _____ ___ 2012. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка».
Печать XEROX. Усл.печ.л. 9,01. Уч.-изд.л. 8,16.
Заказ . Тираж ____ экз.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Система менеджмента качества
Томского политехнического университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru
12