ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Поляризация при прохождении света через поглощающие анизотропные вещества - поляроиды.

Лабораторная работа № 24

Определение концентрации раствора сахара

С помощью поляриметра (сахариметра)

Студент должен знать: способы получения и свойства поляризованного света, закон Брюстера; закон Малюса; оптически активные вещества (правовращающие, левовращающие); формулу для угла вращения плоскости поляризованного света оптически активным веществом; удельный угол вращения; оптическую схему поляриметра и его применение; использование поляризованного света в медицине.

Студент должен уметь: работать с поляриметром; производить расчеты неизвестной концентрации и удельного вращения оптически активных веществ; вычислять погрешности измерений.

Краткая теория

Световое излучение отдельного атома представляет собой электромагнитную поперечную волну, вектора напряженности и которой изменяются во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярны направлению распространения волны (рис.1).

Рис.1

Свет, у которого электрические колебания совершаются все время в одной плоскости, называется поляризованным (рис.2а). Принято плоскость изменений вектора напряженности электрического поля Е, называть плоскостью поляризации поляризованного света. Всякий реальный источник света состоит из множества атомов, испускающих световые волны со всевозможными ориентациями плоскости колебаний. Такой свет является неполяризованным и называется естественным (рис.2б).

Если у светового луча амплитудные значения вектора оказываются неодинаковыми (рис.2в) для различных плоскостей колебания, такой свет называют частично поляризованным. Естественный свет можно поляризовать, т.е. превратить его в поляризованный свет.

А б в

Рис.2

Способы получения поляризованного света.

Поляризация при отражении и преломлении света.

Отраженный от диэлектрика свет всегда частично поляризован. Степень поляризации отраженного луча зависит от показателя преломления диэлектрика n и от угла падения i. Полная поляризация отраженного света достигается при падении под углом Брюстера, который определяется соотношением:

tg i = n.

Проходящий через диэлектрик свет также частично поляризован. Максимальная (но не полная) поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации преломленного света используют стопу стеклянных пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету.

Рис.3

Поляризация при двойном лучепреломлении.

В результате преломления света на границе оптически анизатропных сред (скорость распространения света или показатель преломления неодинаковы в различных направлениях), естественный луч расщепляется 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.

Рис. 4

Двойное лучепреломление происходит в призме Николя. Для ее изготовления кристалл исландского шпата распиливают определенным образом по диагонали, а потом склеивают канадским бальзамом (рис.5). Для обыкновенного луча бальзам является средой оптически менее плотной, а для необыкновенного луча - более плотной, чем исландский шпат. Поэтому обыкновенный луч О (рис.5), падающий на слой бальзама под углом большим предельного, претерпевает полное отражение, а необыкновенный луч е (рис.5) при любых углах падения проходит через этот слой.

Рис.5

Если естественный луч падает на грань призмы Николя параллельно основанию АВ (рис.5), 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.

Поляризация при прохождении света через поглощающие анизотропные вещества - поляроиды.

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

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.6а).

Рис. 6(а)

Рис.6(б)

Если плоскости пропускания поляризатора Q и анализатора Q₁ (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 Q и Q₁, составляют между собой некоторый угол, 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.6б). Из рис. 6б видно:

Еа=Еп Cos α

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

Ja=Jп Cos α - закон Малюса,

где Ja - интенсивность света, прошедшего через анализатор;

Jп - интенсивность света, прошедшего через поляризатор.

(если не учитывать потери интенсивности света на отражение и поглощение в анализаторе).

Используя закон Малюса, можно показать, что интенсивность света, прошедшего через поляризатор Jп равна (1/2)Jо, где Jо - 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. 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.

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.7), то плоскость колебаний повернется на угол φ, равный:

где - коэффициент, характеризующий вещество.

Для растворов угол вращения пропорционален еще и концентрации раствора - С:

(1)

где - удельное вращение, характеризующее растворенное вещество (зависит от длины волны проходящего света, а также температуры раствора).

Рис. 7

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 становится монохроматическим и поляризованным (рис.8). Смотрим в окуляр О, 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 угол Согласно формуле (1), получим:

; (2)

Рис.8

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:

(3)

Прибор для определения концентрации растворов оптически активных веществ называется поляриметром.