МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

Кафедра физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.11

Определение удельного вращения плоскости поляризации раствора сахара при помощи поляриметра.

Москва 2005 г.

1

Лабораторная работа № 3.11
Определение удельного вращения плоскости поляризации

раствора сахара при помощи поляриметра.

Цель работы: Изучение явления вращения плоскости поляризации, определение удельного вращения среды и концентрации сахара в растворе с помощью поляриметра.

Теоретическое введение

Явление двойного лучепреломления наиболее ярко выражено в кристаллах исландского шпата. Исландский шпат является одноосным кристаллом, он представляет собой кристаллическую разновидность углекислого кальция (СаСО₃ кальцит или известковый шпат). Для получения поляризованного света используют отражение и преломление на границе двух сред и двойное лучепреломление. Устройства, с помощью которых можно получить поляризованный свет, называют поляризаторами. Обычно для получения поляризованного света гораздо удобнее применять не отдельные кристаллы, а их комбинации  поляризационные призмы. Самый первый кристаллический поляризатор  призма Николя или просто николь, был сделан исландским физиком Николем в 1828 году. Для получения плоскополяризованного света основания призмы из исландского шпата подшлифовываются так, чтобы они образовали с ребрами угол 68°, после этого призму распиливают по плоскости, перпендикулярной к основаниям, и склеивают канадским бальзамом. Продольное сечение призмы изображено на рис.11.1.

Обыкновенный луч (о) имеет постоянный абсолютный показатель преломления, то есть распространяет-ся в кристалле по всем направлениям с одинаковой скоростью. Абсолютный показатель преломления необыкно-венного луча (е) зависит от угла падения, то есть скорость его распро-странения зависит от направления. В обыкновенном луче колебания вектора Е перпендикулярны плоскости главного сечения. В необыкновенном луче, колебания вектора Е происходят в плоскости главного сечения.

В кальците абсолютный показатель преломления необыкновенного луча n_е для всех направлений за исключением оптической оси меньше, чем обыкновенного _no. Абсолютный показатель преломления канадского бальзама n_б имеет промежуточное значение . Так как показатель преломления обыкновенного луча больше показателя преломления бальзама , то обыкновенный луч не проходит призму. Этот луч испытывает полное внутреннее отражение от слоя бальзама и поглощается зачерненной поверхностью поляризатора или выводится из кристалла с помощью специальной призмы, приклеенной к кристаллу.

2

Луч необыкновенный, показатель которого меньше показателя преломления бальзама, беспрепятственно проходит через призму и дает на выходе плоскополяризованный свет с известным направлением колебаний. Таким образом, пропустив через призму Николя естественный свет, получим на выходе плоскополяризованный.

Всякий поляризатор может быть использован для исследования поляризованного счета в качестве анализатора. Интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор  анализатор, зависит от угла между плоскостями пропускаемых ими колебаний. Если эти плоскости параллельны, то интенсивность проходящего света  максимальна, если перпендикулярны (скрещены), то  минимальна. В общем случае интенсивность света, проходящего через систему поляризатор  анализатор, подчиняется закону Малюса:

(11.1)

где I₀  интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор, I  интенсивность света, прошедшего через анализатор, при абсолютной прозрачности последнего,   угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора.

Прибор, состоящий из поляризатора П и анализатора А, называется поляриметром. Поляриметры применяются в научных и технических исследованиях, а также в медицине. В частности они широко применяются для определения концентрации сахара в растворе. Поляриметры, применяемые для этой цели, называются сахариметрами (Рис.11.2).

Действие сахариметра основано на законе Малюса и на явлении вращения плоскости поляризации.

Явление вращения плоскости поляризации состоит в том, что после прохождения плоскополяризованного света через вещество плоскость поляризации (вектор Е) оказывается повернутой относительного первоначального положения на некоторый угол φ, называемый углом поворота плоскости поляризации. Это явление имеет место в различных веществах, которые называются оптически активными. К ним относятся многие органические вещества, например, раствор сахара, а также некоторые кристаллы (кварц).

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации различают право- и левовращающие вещества. Если смотреть навстречу лучу, то правовращающее вещество вращает плоскость поляризации по часовой стрелке, а левовращающее – против часовой стрелки.

Опытным путем было обнаружено, что угол поворота плоскости поляризации φ можно найти следующим образом (закон Био):

(11.2)
где d – толщина слоя оптически активного вещества, С - концентрация активного вещества,  удельное вращение.

3

Удельным вращением называется величина, численно равная углу поворота плоскости поляризации слоем раствора единичной толщины и единичной концентрации.

Концентрация С (кг/м³) активного вещества равна массе активного вещества в единице объема раствора:

, (11.3)

где V – объем раствора, m – масса активного вещества в этом объеме.

На практике раствор предпочитают характеризовать относительной концентрацией Р:
, (11.4)

где М  масса растворителя.

Плотность раствора равна (11.5)
Решая совместно уравнения (11.3), (11.4) и (11.5), найдем связь между С и Р:
. (11.6)

Удельное вращение характеризует природу вещества и обратно пропорционально квадрату длины волны используемого света и слабо зависит от температуры. Для большинства веществ уменьшается на 0,001 при повышении температуры на 1⁰.

Теория вращения плоскости поляризации была разработана Френелем. Сущность ее сводится к следующему. Всякая плоскополяризованная волна может быть представлена как результат сложения двух волн, поляризованных по кругу, векторы Е которых вращаются с одной и той же угловой скоростью в противоположных направлениях. В оптически активной среде лучи, поляризованные по кругу, распространяются с различной скоростью. Поэтому возникает разность фаз β, которая зависит от толщины слоя оптически активного вещества d, периода колебания Т и скорости распространения волн v₁ и v₂ с правым и левым вращением.

(11.7)

Наличие разности фаз приводит к тому, что плоскость поляризации волны, эквивалентной двум поляризованным по кругу, непрерывно поворачивается и при выходе оказывается повернутой относительно плоскости поляризации падающей волны.

Основная причина различия показателей преломления, а следовательно, и скоростей распространения волн, поляризованных по кругу, заключается в наличии элементов спиральности в строении молекул активного вещества. При совпадении направления вращения плоскости поляризации волны и спирали молекул активного вещества, скорость распространения волны будет меньше.

Для света такой поляризации оптическая среда будет плотнее. Для волны другой круговой поляризации оптическая среде будет менее плотной.

Экспериментальная установка
Естественное вращение плоскости поляризации можно наблюдать, поместив оптически активное вещество между поляризатором и анализатором. Если главные плоскости поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны (скрещены), то плоскополяризованный свет, вышедший из поляризатора, в отсутствие оптически активного вещества будет целиком задержан анализатором и поле зрения будет темным.

4

Введение оптически активного вещества приводит к повороту плоскости поляризации, благодаря чему поле зрения просветлеет. Чтобы снова добиться минимума интенсивности света необходимо на такой же угол повернуть анализатор, и тем самым можно найти и угол поворота плоскости поляризации в исследуемом веществе.

Однако такой метод недостаточно точен, ибо визуально трудно найти с достаточной точностью положение анализатора, соответствующее максимальному затемнению поля зрения. Это объясняется тем, что затемнение поля происходит постепенно и заметить момент п о л н о г о исчезновения света трудно.

Для устранения этого недостатка применяется так называемый полутеневой метод, который используется в поляриметре с бикварцевой пластинкой, в котором установка производится не на полную темноту, а на равномерное затемнение двух, или более частей поля зрения (рис.11.4.).

В данном методе установка производится не на темноту поля зрения, а на равную яркость полей сравнения. Идея этого метода заключается в следующем. В оптическую схему прибора, кроме поляризатора 3 и анализатора 7 , вводят кварцевую пластинку 4 (Рис.11.3) небольшой толщины, ориентированную по отношению к поляризатору так, что она поворачивает плоскость поляризации лучей, прошедших через поляризатор, на некоторый небольшой угол (порядка 5). Кварцевая пластинка вырезана так, что она покрывает собой лишь с р е д н ю ю часть поля зрения, наблюдаемого в окуляр 12. Боковые же части поля зрения освещаются светом, прошедшим только через поляризатор. Если теперь установить анализатор так, чтобы

его плоскость поляризации оказалась перпендикулярной к плоскости поляризации поляризатора, то свет в боковых частях поля зрения погасится, а через среднюю часть проходит заметный свет (рис. 11.4  Ia). При повороте анализатора на небольшой угол можно совершенно погасить среднюю часть поля зрения, но боковые части будут освещены ( рис. 11.4  Ic). Очевидно, что найдется такое положение анализатора (рис.11.4  Ib) при котором и боковые, и средняя часть поля зрения будут равномерно освещены (установка на «полутень»).

5
Если после установки прибора на полутень между поляризатором и анали-затором ввести раствор сахара, то равномерность освещения боковых и средней части поля зрения нарушится; для получения равномерного освещения поля зрения нужно повернуть анализатор на угол, равный углу вращения плоскости поляризации луча вследствие прохождения им сахарного раствора.

В некоторых поляриметрах кварцевая пластина расположена таким образом, что она перекрывает половину

поля зрения. Тогда в поле зрения наблюдается не тройное, а двойное поле (рис.11.4, II), при этом суть метода остается прежней.

Так как равенство освещенностей, при котором граница между областями поля зрения пропадает, можно установить с гораздо большей точностью, чем наступления минимальной освещенности, то полутеневой метод дает гораздо более точные результаты.

Используемый в работе прибор называется круговым поляриметром. Его схема показана на рис. 11.3. Свет от лампы 1 проходит через оранжевый светофильтр 2 и попадает в поляризатор 3. Далее свет проходит через кварцевую пластинку 4, трубку 5 с исследуемым веществом, анализатор 7 и зрительную трубку. Через окуляр 13 наблюдается световое поле. Поступательным движением муфты 12 производится фокусировка зрительной трубки. Поворот анализатора осуществляется поворотом маховичка 8. Угол поворота анализатора отсчитывается по шкале лимба 10 через лупу 9. Шкала снабжена подвижным нониусом 11. Нуль шкалы соответствует одинаковой яркости всех участков светового поля в отсутствие оптически активного вещества.

Проведение эксперимента

1. 
   Определение удельного вращения раствора сахара.
   

1. 
   Включить осветитель и наблюдать через зрительную трубу тройное (или двойное) поле.
   
2. 
   Вращением фрикциона анализатора добиться равномерной минимальной освещенности всего поля.
   
3. 
   Произвести отсчет положения анализатора по лимбу и нониусу – .
   
4. 
   Вставить в поляриметр трубку известной длины (d₁) с раствором сахара, известной концентрации, и вращением фрикциона снова добиться минимальной освещенности всего поля.
   
5. 
   Произвести отсчет положения анализатора по лимбу и нониусу – .
   
6. 
   Опыт повторить не менее трех раз.
   

6

Таблица 1.

№ опыта	d1 м	C1 кг/м3	1 град	2 град	 град	ср. град	[α] (градм2)/кг
1
2
3

2. 
   Определение неизвестной концентрации раствора сахара.
   

1. 
   Установить анализатор при отсутствии трубки с раствором в положение равномерной минимальной освещенности поля и произвести отсчет положения анализатора φ₃.
   
2. 
   Вставить в поляриметр трубку известной длины (d₂) с раствором сахара неизвестной концентрации.
   
3. 
   Добиться равномерной минимальной освещенности поля и снова произвести отсчет положения анализатора φ₄.
   
4. 
   Опыт повторить не менее трех раз.
   
5. 
   Результаты измерений занести в таблицу 2.
   

Таблица 2.

№ опыта	d2 м	3 град	4 град	 град	ср. град	C2 кг/м3
1
2
3

Обработка результатов

1. Рассчитать концентрацию С₁ раствора по относительной концентрации, равной Р = 0.2 и его плотности  = 1075 кг/м³, используя формулу (11.6).

2. По данным таблицы 1 рассчитать угол  поворота плоскости поляризации раствора сахара известной концентрации для каждого опыта: Найти среднее значение

3. Используя соотношение (11.2) рассчитать величину удельного вращения раствора сахара.

4. По данным таблицы 2 рассчитать угол  поворота плоскости поляризации раствора сахара неизвестной концентрации для каждого опыта: Найти среднее значение

5. Используя соотношение (11.2) рассчитать величину концентрации С₂ раствора сахара в трубке d₂.

7

Контрольные вопросы

1. 
   Какой свет называется естественным?
   
2. 
   Какой свет называется поляризованным?
   
3. 
   Способы получения плоско поляризованного света?
   
4. 
   В чем заключается явление двойного лучепреломления?
   
5. 
   Начертите ход лучей в призме Николя.
   
6. 
   Сформулируйте закон Малюса.
   
7. 
   Какие физические принципы лежат в основе работы призмы Николя?
   
8. 
   Как объясняется вращение плоскости поляризации Френелем?
   
9. 
   Могут ли вращать плоскость поляризации растворы веществ, образованных плоскими молекулами?
   

Литература

1. 
   Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2003. Глава 23, с. 265 ... 278.
   

2. 
   Савельев В.И. Курс общей физики. Книга 4. Волны. Оптика. - М.:
   

Наука, 2003. глава 6, с.188 ... 215.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 2002. т.4, Оптика, глава VIII,с. 572…577.
4. Детлаф А.А., Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999. Глава 34,

Яворский Б.М. с. 465...477.