Лабораторна робота О–10

Отримання та дослідження поляризованого світла та визначення концентрації розчину цукру цукрометром

Мета роботи: отримання та вивчення плоскої, еліптичної та кругової поляризації світла. Спостереження обертання площини поляризації та визначення концентрації цукру в розчині.

Відповідно до електромагнітної теорії світло являє собою поперечну електро­магнітну хвилю, яка характеризується коливанням двох векторів: вектора напру­женості електричного поля та вектора напруженості магнітного поля . Обидва вектори лежать у взаємно перпендикулярних площинах та коливаються в однако­вих фазах.

Досвід показує, що фізіологічне, фотохімічне, фотоелектричне та інші власти­вості світла викликані коливанням електричного вектора. Тому вектор назива­ють світловим вектором.

В реальних джерелах світла випромінювання обумовлюється атомами, які незалежно один від одного випускають серії послідовних хвиль (цуги), обмежені в часі та просторі. Це приводить до того, що просторова орієнтація векторів та , зберігаючись для кожного окремого цугу, не зберігається для потоку світла, що складається з величезного числа цугів. Тому кажуть, що природне світло не поляризоване.

Але з природного світла можна отримати світлову хвилю, в якій напрямок коливань векторів та зберігає просторову орієнтацію. Таке світло називають плоскополяризованим. Площина HOX (мал. 10-1), в якій змінюється вектор , називається площиною поляризації, а площина EOX, в якій змінюється вектор , називається площиною коливань.

Для отримання плоскополяризованого світла можна скористатися явищем подвійного променезаломлення, яке має місце у всіх кристалах, яким притаманна кристалографічна анізотропія. Цією властивість має ісландський шпат.

Промінь світла, заломлюючись в такому кристалі, розділяється на два промені, що йдуть, в загальному випадку, в різних напрямках (мал. 10-2). Один з таких променів (звичайний) підкоряється звичайним законам оптики: він лежить в одній площині з падаючим променем та нормаллю до поверхні кристала в точці падіння; у всіх напрямках в кристалі він розповсюджується з однаковою швидкістю та при нормальному падінні не зазнає заломлення. Інший промінь (незвичай­ний) розповсюджується у різних напрямках з різною швидкістю, зазнає заломлення навіть при нормальному падінні та, як правило, не лежить в одній площині з падаючим променем та нормаллю до заломлюючої поверхні. Обидва промені, звичайний та незвичайний, поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах.

В усякому кристалі існують напрямки, вздовж яких звичайний та незвичай­ний промені розповсюджуються в одному напрямку. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала. Площина, що проходить через оптичну вісь, називається головним перерізом кристала. Світловий вектор незвичайного променю коливається в площині головного перерізу, а звичайного – перпендикулярно площині головного перерізу.

Плоскополяризоване світло можна отримати з допомогою призми Ніколя, що виготовляється з ісландського шпату.

Відрізнити безпосередньо поляризоване світло від неполяризованого немож­ливо. Для цього використовують який-небудь поляризаційний прилад, наприклад, другу призму Ніколя, яка в цьому випадку називається аналізатором. Поляризова­ний промінь, що виходить з першої призми Ніколя, буде повністю проходити крізь другу, якщо їх головні перерізи паралельні. Якщо ж вони взаємно перпендикулярні, то промінь повністю поглинеться аналізатором.

Звичайний та незвичайний промені, що виникають при подвійному промене­заломленні природного світла, некогерентні і тому не можуть інтерферувати один з одним.

Якщо ж отримати звичайний та незвичайний промені з одного й того ж плоскополяризованого променю, то вони когерентні. Так як напрямки коливань в цих променях перпендикулярні, при їх додаванні отримаємо коливання еліптичного характеру.

Світлові хвилі, електричний вектор яких змінюється так, що їх кінець описує еліпс, називають еліптично поляризованими. В частковому випадку еліпс може перетворитись в коло і тоді отримається світло, поляризоване по колу. Схема тримання еліптично поляризованого світла наведена на мал. 10-3.

Плоскополяризований промінь, що виходить з призми Ніколя N₁, падає на кристалічну пластину AB. Пластина вирізана з кристалу так, що оптична вісь перпендикулярна до заломлюючої поверхні. У цьому випадку звичайний та незвичайний промені йдуть в одному напрямку, але з різними швидкостями, тому між ними утворюється певна різниця фаз.

Промені, що пройшли крізь пластину товщиною l, відрізняються по фазі на величину

,

де n₀ та n_е­ – показники заломлення звичайного та незвичайного променів відповідно.

Якщо товщину пластини l підібрати так, що d=kp, де k – ціле число, то обидва променя, вийшовши з пластинки, знову дадуть плоскополяризоване світло. При усіх інших значеннях різниці фаз отримується плоскополяризоване світло.

Якщо площина поляризації падаючого променю складає кут 45⁰ з площиною головного перерізу пластини, то амплітуди обох променів виявляться однаковими та еліпс перетвориться в коло.

Таким чином, повертаючи перший Ніколь навколо напрямку променю, можна підібрати таке його положення, при якому отримається світло, поляризоване по колу. Найменша товщина пластини, здатна перетворити плоскополяризований промінь в промінь, поляризований по колу, визначається з рівності

Таку пластинку називають пластинкою в чверть довжини хвилі, оскільки створювана різниця ходу між звичайним та незвичайним променями дорівнює

Для виконання роботи використовується установка, схематично зображена на мал.10-3.

На оптичній скамійці встановлені: джерело світла S, світлофільтр та дві призми Ніколя N₁ та N₂, що служать поляризатором та аналізатором. Призми можуть обертатися навколо напрямку променю. Кут повороту відраховується за круговою шкалою, розділеною на градуси, крім того, для отримання еліптичної та кругової поляризації між призмами Ніколя можна вводити слюдяну пластинку L в чверть хвилі.

Світло, що проходить крізь аналізатор N₂, потрапляє на фотоопір M, з‘єднаний з мікроамперметром. Фотоопір M являє собою напівпровідниковий прилад, в якому електричний опір змінюється під дією зовнішнього електро­магнітного випромінювання. Фотострум буде пропорційний інтенсивності світла, що падає на фотоопір.

При проходженні плоскополяризованого світла деякі кристалічні тіла (кварц, кіновар, винокам’яна кислота) відбувається поворот площини поляризації на деякий кут a. Такі речовини називаються оптично активними. Оптично активними можуть бути і деякі розчини, наприклад, розчин цукру.

Величина кута повороту a площини поляризації в розчинах активних речовин пропорційна їх концентрації с_р, довжині шляху l променю в рідині та густині розчину:

α=α₀lc_р,

де a₀ – питоме обертання, чисельно рівне куту повороту площини поляризації світла при товщині шару розчину l та концентрації його с_р в 1 г/см³.

Властивості оптично активних розчинів обертати площину поляризації лінійно поляризованого променю можуть бути використані для визначення кон­центрації розчину.

Для швидкого визначення процентного вмісту сахарози в розчині застосо­вуються прилади марки СОК-1 (цукрометр).

Прилад складається з таких основних частин (мал.10-4): вузла поляризатора 10, змонтованого на віддаленій від приладу частині траверзи, вузла аналізатора 15, змонтованого в головці приладу. На траверзі 8, що з‘єднує вузол поляризатора та головку приладу, лежить камера 11 для поляриметричних трубок. Камера розрахована на вміщення трубок 400, 200 та 100 мм. Головка приладу в зовнішній частині має окуляр поля зору 2 та верхній окуляр 1 для відліку показів шкали. З тильної частини головки приладу знаходиться вузол ноніуса 14. В нижній частині вставлена головка кремальєрної передачі 4 для пересування клина та шкали. Цукрометр встановлено за допомогою гайки в чавунній основі 5. Джерелом світла є лампа потужністю 100 Вт. Лампа знаходиться в металічному ліхтарі з довгастим отвором, зверненим до приладу, який закривається матовим склом. Ліхтар закріп­лено нерухомо. Окуляри поля зору 2 та шкали 1 встановлюють по оку спостерігача. Для цього обертальним рухом їх пересувають вздовж осі, щоб в окулярі вертикальна лінія, що розділяє поле зору на дві половини, була чітко видна. Повинні бути видні штрихи та цифри шкали ноніуса в окулярі 1.

При витягнутій поляриметричній трубці повільним обертанням головки кремальєрної передачі 4 досягти повної одноколірності.

В цьому положенні кремальєрної передачі нульові поділки шкали ноніуса повинні співпадати. Якщо ж при однокольоровому сірувато-жовтому забарвленні обох половин поля зору нульові поділки шкали ноніуса не співпадають, слід звернутися до лаборанта.

Цей прилад побудований на принципі компенсації. Якщо на шляху поляризо­ваного світла поставити трубку з розчином цукру, то площина поляризації повер­неться вправо. Всуваючи між окуляром та трубкою лівообертаючий кварцовий клин, можна повернути площину поляризації в ліву сторону, до того ж кут поворо­ту поляризації буде залежати від товщини клина. В цукрометрі застосована шкала Венцке — 100⁰ цієї шкали відповідають концентрації розчину цукру 26,02% при товщині шару рідини l, рівній 200 мм. Таким чином ціна поділки цієї шкали дорівнює 0,26026%. При дослідженні речовин в цукрометрі можна користуватися трубками довжиною 100, 200, 400 мм.

Дата добавления: 2015-10-29