Поляризованным называется свет, в котором направление электрических колебаний упорядоченно каким либо образом.

Естественный свет не поляризован, он представляет собой совокупность световых волн, излучаемых множеством отдельных атомов. В естественном свете все направления колебаний вектора напряженности электрического поля оказываются равновероятны (рис. 2а). Свет называют частично поляризованным, если имеется преимущественное (но не единственное) направление колебаний вектора (рис. 2б). Свет в котором электрический вектор колеблется только в одной плоскости называют линейно- или плоскополяризованным светом (рис. 2в).

Свет естественных источников может приобрести частичную или полную поляризацию при взаимодействии с веществом. Поляризация света состоит в выделении из светового пучка колебаний определённого направления. Для этой цели используются специальные устройства – поляризаторы, способные пропускать только составляющую светового вектора , лежащую в определённой плоскости – плоскости поляризации (рис.3).

Если на поляризатор Р падает естественный свет, интенсивность которого I_ест., то интенсивность I₀ прошедшего поляризованного света не зависит от ориентации поляризатора (его поворота вокруг луча) и равна половине интенсивности падающего естественного света:

(1)

Глаз человека не отличает поляризованный свет от естественного. Устройство, способное пропускать колеблющуюся только в определённой плоскости составляющую вектора , может использоваться и для анализа поляризованного света; в этом случае оно называется анализатором А. Если на анализатор падает поляризованный свет, то поворот анализатора вокруг луча сопровождается изменением интенсивности проходящего света по закону Малюса:

(2)

где I – интенсивность света на выходе из анализатора,

I₀ – интенсивность поляризованного света на входе в анализатор,

α – угол между оптическими осями поляризатора и анализатора.

Поляризованный свет также можно получить при отражении естественного света от диэлектрических поверхностей. Причем степень поляризации зависит от угла падения света на диэлектрик. Если угол падения удовлетворяет условию

(3)

то отраженный луч полностью поляризуется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч поляризуется частично, но максимально, – в нём преобладают колебания, параллельные плоскости падения (рис.4). Равенство (3) выражает закон Брюстера: тангенс угла полной поляризации (угла Брюстера) равен относительному показателю преломления. Эффект поляризации отражённого света используется, например, для обнаружения с воздуха или из космоса плёнок нефти на поверхности моря.

Большое практическое значение имеет поляризация света при его прохождении через среды, обладающие анизотропией оптических свойств (зависимость свойств среды от направления). Большинство прозрачных кристаллов (исландский шпат, турмалин, кварц и др.) оптически анизотропные. При прохождении света через такие кристаллы, за исключением кристаллов принадлежащих к кубической системе, наблюдается явление, получившее название двойного лучепреломления. Это явление заключается в том, что упавший на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях(рис. 6).

Один из лучей удовлетворяет законам преломления света и называется обыкновенным лучом (обозначается на рисунках буквой “о”). Для него показатель преломления и скорость распространения луча по всем направлениям. Другой луч называется необыкновенным (обозначается буквой “е”), для него показатель преломления и скорость распространения луча , а зависит от направления луча. Направление в кристалле вдоль которого оба луча распространяются с одинаковой скоростью и не разделяются называется оптической осью кристалла. Любая прямая, параллельная ей, также является оптической осью, а плоскость, которая проходит через световой луч и оптическую ось, называется главной плоскостью или главным сечением кристалла.

Существуют кристаллы, которые по-разному поглощают обыкновенный и необыкновенный лучи. Это явление называется дихроизмом. Весьма сильным дихроизмом в видимых лучах обладает кристалл турмалина. В нем обыкновенный луч полностью поглощается на длине 1 мм. Таким же свойством обладает поляроид – целлулоидная пленка, в которую введены кристаллы герапатита (сульфата йодистого хинина).

Высококачественным поляризатором является поляризационная призма Николя (николь). Действие николя основано на двойном лучепреломлении исландского шпата. Из целого кристалла выпиливают определённым образом призму (рис.6), разрезают её на две части и склеивают канадским бальзамом, показатель преломления которого заключён между значениями показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей (n_o < n < n_e). Обыкновенный луч, падая на склейку под углом превышающем предельный, испытывает полное отражение и поглощается черной поверхностью призмы. Необыкновенный луч проходит сквозь призму и используется как поляризованный свет.

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости колеба­ний поляризованного света. Такие вещества называются оптически активными.

Оптической активностью могут обладать: кристаллы (кварц, киноварь), жидкости (скипидар, никотин) и их пары, растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, аминокислот, спиртовые растворы камфоры, стрихнина и др.). Оптическую активность проявляют многие природные соединения: белки, сахара, углеводы, гормоны и др.

Опыт показывает, что угол поворота плоскости колеба­ний поляризованного света для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей

,

для оптически активных растворов

(4)

где l – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе;

с – концентрация раствора;

[α ] –удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости колеба­ний поляризованного света слоем вещества единичной длины и концентрации.

Удельное вращение зависит от природы ве­щества, температуры, длины волны света.

Установлено, что активные вещества существуют в двух модифи­кациях - правых и левых, т.е. дающих поворот плоскости поляри­зации вправо (по часовой стрелке) и влево (против часовой стрелки).

Оптическая активность веществ обусловлена асимметрией их молекул. Примером асимметричной молекулы может служить мо­лекула метана СН₄, в которой три атома водорода замещены на атомы Cl, Br и радикал СН₃ (рис. 7а). Молекула, изобра­жена на (рис. 7б), является её зеркальным отражением. Такие две молекулы являются зеркальными антиподами, у них нет ни центра симметрии, ни плоскости симметрии. Антиподы вращают плоскость электрических колебаний проходящего через них поляризованного света в противоположные стороны: право- и левовращающие. Если преобладает один из антиподов, то вещество будет поворачивать плоскость электрических колебаний поляризованного света влево или вправо.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение удельного вращения сахара и концентрации сахара в растворе.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

а) Определение удельного вращения сахара с помощью поляриметра.

Приборы, для определения угла вращения плоскости поляриза­ции, называются поляриметрами. Поляриметры, предназначенные для измерения концентрации сахара в растворе, получили назва­ние сахариметров.

Схема простейшего сахариметра приведена на рис. 8. Два николя (N₁ и N₂) ставят в скрещенное положение, т.е. так, что свет че­рез них не проходит, и поле зрения на экране темное. Затем меж­ду N₁ и N₂ помещают сосуд с раствором сахара известной концен­трации c₁, при этом поле зрения просветлеет. Сосуд ограничен двумя плоскопараллельными пласти­нами, так что путь света l₁ в растворе является строго фик­сированным. Второй поляризатор (называемый анализатором) поворачивают на такой угол φ ₁ (отсчитываемый по лимбу), чтобы поле зрения снова сде­лалось темным. По най­денному углу поворота плоскости поляризации φ ₁ и известной кон­центрации раствора c₁ находят удельное вращение саха­ра по формуле:

(5)

Где φ измеряется в градусах, c - г/см³, l - в см.

Ввиду того, что установка николей " на темноту" не может быть про­изведена точно, в нашей работе использован наиболее точный по­ляриметр - полутеневой, в которой установка производится не на полную темноту, а на равное затемнение нескольких частей поля зрения.

Лучи от источника S, установленного в главном фокусе линзы L, проходят через светофильтр r и попадают в поляризатор Р (рис. 9.).

Центральный пучок лучей поляризованного в некоторой плоскости света, вышедшего из поляризатора P, попадает в трубку R с рас­твором оптически активного вещества и далее идет в анализатор А. Крайние, расположенные за центральным, пучки лучей света проходят до трубки с раствором дополнительно через маленькие поляризаторы Р₁ и Р₂, где плоскость их поляризации несколько изменяется. По­ле зрения, ограниченное диафрагмой D, разделяется вследствие этого на две смежных части. Вращением анализатора можно получить различные случаи освещения поля зрения поляриметра (рис. 10):

а) поле освещено равномерно, но ярко;

б) правая часть поля тёмная, а левая - светлая;

в) всё поле равномерно затемнено;

г) правая часть поля светлая, а левая – тёмная.

Измерения производятся при равномерно затемнённом поле, такое освещение не утомляет глаза.

В по­ляриметре анализатор вначале устанавливают в нулевое положение при отсутствии оптически актив­ного вещества в трубке R. Затем анализатор устанавливается на равенство яркости частей поля зрения, когда трубка заполнена активным веществом. Угол, на который приходится повернуть анализатор из нулевого по­ложения до получения равенства яркости частей поля зрения, равен углу поворота плоскости поляризации активным веществом.

б) Определение концентрации сахара в водном растворе.

Повторяют снова тот же эксперимент с раствором неизвестной кон­центрации с₂. Измеряют l₂, φ ₂, удельное вращение [α ] используют из первой части проделанной работы и рассчитывают c₂ по формуле:

(6)