Теоретическая часть работы

С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны, в которых векторы напряженностей электрического E и магнитного H полей колеблются во взаимно перпендикулярных плоскоcтях. Электромагнитная волна (э/м) называется линейно поляризованной или плоскополяризованной, если электрический вектор E все время лежит в одной плоскости, в которой расположена также нормаль k к фронту волны (рис.1). Плоскость, которая содержит нормаль k к фронту, и в которой лежит электрический вектор Е э/м волны, называется плоскостью поляризации. Естественный свет представляет собой совокупность э/м волн, электрические векторы E которых перпендикулярны вектору k и колеблются во всевозможных направлениях. К естественному свету относятся дневной свет, свет лампы накаливания и др.

Для получения линейно поляризованного света на практике часто применяют поляроиды, изготовленные из кристаллов турмалина или геропатита. Каждый поляроид характеризуется оптической осью U, которая представляет собой выделенное направление. Физический смысл выделенного направления в данном случае заключается в следующем. Пусть на поляроид перпендикулярно его плоскости, содержащей оптическую ось, падает свет. Электрический вектор Е э/м волны можно разложить на две составляющих. Эти составляющие всегда можно выбрать так, что одна из них, например, Е_y будет параллельна оптической оси U, а другая, назовем ее Е_x, перпендикулярна U. Если на поляроид направить естественный свет, то через поляроид пройдут только те э/м волны, электрические векторы E которых имеют составляющие Е_y (параллельные оптической оси поляроида). При этом происходит поляризация естественного света. Два поляроида называются скрещенными, если их плоскости параллельны, а оптические оси перпендикулярны друг другу. Т.о, два скрещенных поляроида не пропускают свет, независимо от того, поляризован он предварительно или нет.

Если линейно поляризованный свет проходит через плоскопараллельный слой вещества, то в некоторых случаях плоскость поляризации света оказывается повернутой относительно своего исходного положения (рис.2). Это явление называется вращением плоскости поляризации или оптической активностью.

Как было отмечено выше, система из двух скрещенных поляроидов не пропускает естественный свет. Однако, если между скрещенными поляроидами ввести пластинку кварца, вырезанную таким образом, что при прохождении через нее света происходит поворот плоскости поляризации на 90⁰, то система, состоящая из скрещенных поляроидов и кварцевой пластинки, будет пропускать свет.

В физической оптике, поляроид, предназначенный для поляризации естественного света, принято называть поляризатором. Анализатором называют поляроид, который предназначен для анализа поляризованного света Следовательно, в данной работе ближайший к источнику света поляроид является поляризатором, второй поляроид - анализатором. Рассмотрим прохождение света через систему поляризатор - кварцевая пластинка - анализатор более подробно.

1. При освещении естественным светом через поляризатор пройдут только те э/м волны, векторы E которых имеют составляющие Е_y, параллельные оптической оси поляризатора U. При этом, электрический вектор E, каждой прошедшей через поляризатор э/м волны будет равен по абсолютной величине электрическому вектору Е_y.

2. В дальнейшем, прошедшие поляризатор э/м волны проходят через кварцевую пластинку. Отметим, что прошедшие поляризатор световые э/м волны линейно поляризованы, причем таким образом, что плоскость поляризации э/м волн параллельна оптической оси поляризатора. При прохождении через кварцевую пластинку э/м волн их плоскость поляризации поворачивается на 90⁰, в результате чего она становится параллельной оптической оси анализатора, и, как следствие, все э/м волны, прошедшие через кварцевую пластинку, пройдут через анализатор без ослабления интенсивности.

Кроме некоторых твердых тел способностью вращать вектор E э/м волн обладают также и некоторые жидкие тела, например раствор сахара, виннокаменная кислота, растворы ее солей и др..

В зависимости от пространственной структуры молекул или кристаллической решетки вещество может вращать плоскость поляризации по часовой стрелке (вправо, если смотреть навстречу лучу) или против часовой стрелки (влево). Поэтому говорят о двух модификациях оптически активных веществ (оптических изомерах) — правовращающих веществах (d – типа) и левовращающих (i - типа). Пространственные формы молекул i- и d-типа являются зеркальными отображениями друг друга: их нельзя совместить ни поворотом, ни перемещением (трансляцией). Оптическую активность многих веществ связывают с наличием асимметрического атома углерода, который, присоединяя различные атомы или радикалы, образует молекулы с зеркальной симметрией.

Модели зеркально-симметричных молекул яблочной кислоты изображены на рисунке 3. Молекулы сахара и других органических соединений содержат по нескольку асимметричных атомов углерода, что обусловливает возможность существования различных зеркально-симметричных структурных форм этих молекул.

Био установил на опыте, что угол поворота a плоскости поляризации пропорционален толщине l оптически активного вещества:

a=a₀Сl. (1)

Величина a₀ характеризует оптическую активность жидкостей и называется постоянной удельного вращения. С – объёмная концентрация раствора активного вещества в неактивном растворителе. Следовательно, a₀ есть угол на который повернется плоскость поляризации при прохождении э/м волной единичной длины в растворе с единичной концентрацией вещества. Следует отметить, что в общем случае постоянная удельного вращения a₀ зависит от температуры оптически активного вещества и длины э/м волны. Поэтому при определении a указывают для какой длины волны и при какой температуре определялось a_

Т.о., измерив экспериментально угол поворота плоскости поляризации a, длину оптически активного вещества l и зная константу удельного вращения a, _можно из _формулы (1) определить концентрацию раствора С. Если же константа удельного вращения a__о неизвестна, но известна концентрация раствора С, то из формулы (1) можно найти константу удельного вращения a_₀