Теоретическое введение. Цель работы: 1. Ознакомиться с явлениями поляризации света и вращения плоскости поляризации

Лабораторная работа № 47

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

СВЕТА С ПОМОЩЬЮ САХАРИМЕТРА

Цель работы: 1. Ознакомиться с явлениями поляризации света и вращения плоскости поляризации.

2. Изучить устройство и принцип работы сахариметра.

3. Установить зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации раствора сахара и найти неизвестную концентрацию.

Теоретическое введение

Электромагнитные волны, в частности - свет, являются поперечными, так как в них векторы и напряженностей электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны, то есть световому лучу. При этом они перпендикулярны и друг другу. Однако относительно луча ориентация вектора и, соответственно, вектора может быть различной, так как лучу перпендикулярно любое направление в перпендикулярной ему плоскости. Все тепловые и люминесцентные источники света дают естественный (неполяризованный) свет, представляющий собой совокупность испущенных множеством атомов волн, в которых векторы и колеблются по всем направлениям, перпендикулярным лучу. Поляризованный свет, излученный лазером или полученный из естественного, есть электромагнитная волна, в которой направление колебаний векторов и упорядочено.

Простейшим типом поляризованного света является линейно поляризованный (плоскополяризованный) свет, у которого направления колебаний векторов и постоянны в любой точке луча. Плоскостью поляризации такого света называется плоскость, проходящая через вектор и луч. Естественный свет интенсивностью можно представить, как совокупность двух линейно-поляризованных волн интенсивностью каждая с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний.

Двулучепреломляющими называются вещества, показатель преломления которых зависит от ориентации плоскости колебаний проходящего света. Таковы некоторые кристаллы, например, исландский шпат. Оптически изотропные вещества, например, стекло, становятся двулучепреломляющими под действием механических напряжений, внешних электрических и магнитных полей. При наклонном падении на двулучепреломляющую среду естественный луч расщепляется на два линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча, так как для них из-за различия показателей преломления различны и углы преломления.

Плоскополяризованный свет можно получить с помощью поляризатора, например, призмы Николя, изготовленной из исландского шпата, разрезанного на две части и склеенного канадским бальзамом (рисунок 1). Естественный луч из-за двулучепреломления расщепляется в призме на два луча "o" и "е", поляризованных взаимно перпендикулярно. Плоскость поляризации луча "е" совпадает с плоскостью падения естественного луча и называется главной плоскостью или главным сечением призмы. Так называемый обыкновенный луч "o" падает на слой канадского бальзама под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение и поглощается зачерненной гранью призмы. Необыкновенный луч "е" проходит через призму и выходит из нее параллельно падающему лучу.

Рисунок 1 - Призма Николя. Ход лучей в главном сечении призмы.

В качестве поляризаторов используются также пленки из некоторых кристаллов или органических веществ (дихроичные пластинки).

Если на поляризатор падает уже поляризованный свет, то этот поляризатор называется анализатором; интенсивность выходящего из него света зависит от угла между плоскостью поляризации падающего света и главным сечением анализатора по закону Малюса:

, (1)

где - интенсивность падающего на анализатор поляризованного света. При 90° поляризатор и анализатор скрещены и =0.

Линейно поляризованным является также свет, отраженный от границы раздела двух диэлектриков, если естественный свет падает из среды с показателем преломления в среду с показателем преломления под углом Брюстера , определяемым уравнением

. (2)

Оптически активными называют вещества, поворачивающие плоскость поляризации проходящего через них линейно поляризованного света вокруг оси, совпадающей с лучом. Примеры: кварц, раствор сахара. Различают правовращающие вещества, поворачивающие плоскость поляризации по часовой стрелке с точки зрения наблюдателя, к которому идет луч, и левовращающие, поворачивающие плоскость поляризации в обратном направлении. Угол поворота плоскости поляризации в твердой среде пропорционален толщине пройденного светом слоя, а в растворах - также и концентрации активного вещества. Кроме того, он зависит от длины световой волны. Для растворов имеем:

, (3)

где - удельное вращение активного вещества, то есть угол поворота при прохождении слоя единичной толщины из чистого () оптически активного вещества. Величина зависит от длины световой волны.

Приборы для определении концентрации сахара в растворе по величине угла поворота плоскости колебаний поляризованного света называются сахариметрами.