12125

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ УГЛА ПОВОРОТА ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 10 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ УГЛА ПОВОРОТА ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ Цель работы: ознакомиться с явлением поворота плоскости поляризации света оптически активными веществами. Измерить постоянную вращения и дисперсию вращатель

Русский

2013-04-24

678 KB

7 чел.

Лабораторная работа № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ

УГЛА ПОВОРОТА ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Цель работы: ознакомиться с явлением поворота плоскости поляризации света оптически активными веществами. Измерить постоянную вращения и дисперсию вращательной способности кристалла кварца.

Оборудование: оптический микроскоп с поляризатором и анализатором. Набор светофильтров для монохроматизации излучения от лампы накаливания. Пластинка кристаллического кварца, вырезанная перпендикулярно оптической оси.

Краткие теоретические сведения

С точки зрения электромагнитной теории световая волна представляет собой распространение в пространстве взаимосвязанных электрических и магнитных полей. В каждой точке волны происходит периодическое изменение напряженностей электрического  и магнитного  полей. Представление электромагнитной волны показано на рис. 1.

Рис. 1

Векторы  и  взаимно перпендикулярны друг другу и к направлению распространения волны  и колеблются в одинаковых фазах. Плоскость G, в которой происходят колебания напряженности , называют плоскостью колебаний, а плоскость F, в которой происходят колебания , плоскостью поляризации световой волны.

При взаимодействии света с веществом переменное электрическое поле волны воздействует на электроны атомов и молекул этого вещества, в то время как действие со стороны магнитного поля незначительно. Поэтому для описания световой волны пользуются электрическим вектором , называя его световым вектором.

Представление плоскополяризованного и неполяризованного (естественного) света показано на рис. 2.

Рис. 2

Испускание света происходит отдельными атомами. Если в какой-нибудь фиксированный момент времени свет испускается одним атомом, то направление вектора  в волне вполне определенное. Однако в действительности всякий источник света состоит из большого количества излучающих атомов. Направления колебаний вектора  от каждого атома являются случайными. Кроме того, направления колебаний излучающих волн фиксированными атомами нескоррелированы и по времени. В результате в пучке света, испускаемом каким-либо излучателем, результирующий вектор  ориентирован равновероятно во все стороны. Такой свет называется естественным (рис. 2, б). Примерами источников такого света являются солнце, лампы накаливания, пламя и др. Световой пучок, в котором вектор  колеблется в каком-либо преимущественном направлении, называют линейно-поляризованным (рис. 2, а) или плоскополяризованным.

Преобразование естественного света в полностью или частично поляризованный, называется поляризацией света. Поляризация наблюдается в ряде явлений: при отражении света, преломлении, рассеянии от диэлектрических сред, при прохождении света через двоякопреломляющие кристаллы. В ряде кристаллов и растворов органических веществ прохождение поляризованных лучей света сопровождается вращением плоскости поляризации. Такие вещества называются оптически активными. Примерами таких веществ  являются кристаллы кварца, киновари, водные растворы сахара, чистые жидкости (скипидар) и др. Для большинства оптически активных веществ существуют две модификации, осуществляющие вращение плоскости поляризации соответственно по часовой и против часовой стрелки (относительно наблюдателя, смотрящего навстречу лучу). Первая модификация называется правовращающей, вторая – левовращающей. Молекулы право- и левовращающих веществ являются зеркальным отображением друг друга.

Для данной длины волны света угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине пластинки. Вращательную способность твёрдого вещества характеризуют величиной угла , на который поворачивает плоскость поляризации пластинка толщиной 1 мм. Таким образом,

, (1)

где φ – угол поворота, d – толщина пластинки, α – коэффициент, зависящий от длины волны λ, природы вещества и температуры. Коэффициент α носит название удельного вращения.

В данной работе изучается оптическая активность кварца. Кварц является одноосным кристаллом.  При распространении света  вдоль этой оси отсутствует двойное лучепреломление света. Поэтому вращение плоскости поляризации в кристалле кварца наблюдают именно вдоль этой оси, так как только в этом направлении нет помех от двойного лучепреломления света.

Пусть пучок света от естественного источника S, поляризованный поляризатором N1 и монохроматизированный светофильтром Ф, падает на пластинку кварца К  вдоль его оптической оси  (рис. 3). Если второй поляризатор, служащий анализатором, «скрещен» с первым  до помещения в схему кварцевой пластинки, то свет через эту систему проходить не будет, согласно закону Малюса.

Рис. 3

После помещения между поляризатором и анализатором пластинки кварца свет снова появится. Поворачивая анализатор N2 на определенный угол (в направлении минимального угла поворота), можно вновь добиться затемнения. Этот угол поворота анализатора и будет являться углом поворота  плоскости поляризации  для данной длины волны монохроматического излучения и для данной толщины кристаллической пластинки d. Направление поворота анализатора (по часовой стрелке или против, относительно глаза наблюдателя) показывает, какой кварц исследуется: левовращающий или правовращающий.

Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предложил следующую модель. Плоскополяризованный свет можно представить, как наложение двух волн,  поляризованных по кругу вправо и влево (рис. 4). Если в веществе скорости распространения обоих волн Е1 и Е2 одинаковы, то () и результирующая плоскополяризованная волна со световым вектором  поворота не испытывает, вектор  совершает колебания только в плоскости АА (рис. 4, а). Такое вещество оптически неактивное.

Если же волны с правой и левой круговыми поляризациями распространяются с неодинаковой скоростью, то  и результирующий вектор  по мере прохождения светом вещества будет испытывать все больший поворот плоскости поляризации от первоначального положения АА. На рис. 4, б показано, что при большей скорости у волны с правой поляризацией при прохождении светом вещества должно иметь место вращение плоскости поляризации вправо (). В противном случае () будет наблюдаться левое вращение. Такое вещество называется оптически активным.

 а  б 

Рис. 4

Исследования подтверждают объяснение Френеля. Различие в распространении света с различными направлениями круговой поляризации обусловлено асимметрией молекул или асимметричным расположением атомов в кристалле. Симметричные молекулы и кристаллы не обладают оптической активностью. Строгое объяснение этого явления можно получить, рассматривая общую задачу взаимодействия электромагнитного излучения с молекулами или атомами вещества.

Как уже отмечалось, коэффициент α, характеризующий вращение плоскости поляризации на единице пути света в кристалле, называется постоянной вращения или удельным вращением. Эта постоянная зависит от длины волны света. Другими словами, имеет место дисперсия оптической активности вещества. Установлено, что удельное вращение, обратно пропорционально квадрату длины волны, т. е.

.

В большинстве случаев с увеличением длины волны убывает, т. е. наблюдается нормальная дисперсия. Существуют вещества, для которых вращательная дисперсия аномальна. Как показали исследования Друде, эти области аномалии соответствуют областям собственных частот колебаний электронов в атомах (полосы поглощения), устанавливая, таким образом, связь дисперсии вращения с явлением дисперсии показателя преломления.

В настоящей работе изучается дисперсия оптической активности в кварце. Используемая пластинка кварца имеет толщину 1,8 мм.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка собрана на основе микроскопа с некоторыми дополнениями, и ее схема показана на рис. 5. Здесь S – источник света, N1 – поляризатор, К – кристалл кварца, N2 анализатор, Ф – светофильтр,
О – объектив.

Естественный свет от лампочки накаливания S попадает на поляризатор N1 и выходит из него плоскополяризованным. Далее свет при отведенной в сторону кварцевой пластинке К попадает на анализатор света 2 

Путем вращения анализатора главные оси поляризатора и анализатора могут быть установлены взаимно перпендикулярно, вследствие чего по закону Малюса свет за анализатором максимально ослабится, что можно наблюдать в окуляр микроскопа О. Если теперь за поляризатором на пути света поставить кварцевую пластинку, то после неё плоскость поляризации света окажется повёрнутой на некоторый угол от предыдущего положения и поле зрения окуляра просветлится.

Рис. 5

Этот угол , на который необходимо довернуть анализатор для создания вновь наибольшего затемнения при введенной кварцевой пластинке, будет являться тем углом, на который вращается кварцем плоскость поляризации света.

Величина вращения фиксируется градусной шкалой, находящейся на предметном столике микроскопа. Наличие в схеме поочерёдно использующихся светофильтров даёт возможность изучить дисперсию оптической активности кварца.

Проведение измерений

1. Включить освещение микроскопа в розетку с напряжением 220 В.

2. При отведенной в сторону кварцевой пластинке совместить нулевое положение градусной шкалы с указателем градусов при данном светофильтре.

3. Вращением поляризатора добиться наибольшего затемнения поля зрения окуляра для нулевого положения.

4. На пути света поставить кварцевую пластинку, в результате чего поле зрения окуляра просветлится. Поворотом анализатора снова добиться наибольшего затемнения поля зрения  и отметить положение анализатора по градусной шкале. Этот угол и будет являться углом поворота плоскости поляризации для данного светофильтра. Вращение анализатора проводить в сторону минимального угла поворота.

5. Измерение угла провести по 5 раз и определить  среднее значение для каждого светофильтра.

6. Результаты занести в таблицу измерений, в которой должно быть записано количество измерений, длины волн пропускания светофильтров, соответствующие значения , в том числе усреднённые.

7. Вычислить удельное вращение для кварца по формуле (1)

,

где d = 1,8 мм – толщина кварцевой пластинки.

1. По результатам измерений построить график зависимости  от λ. Используемые в работе светофильтры хорошо пропускают почти монохроматический свет с длинами волн: фиолетовый – 430 нм, зеленый – 560 нм, желтый – 600 нм, красный – 700 нм.

2. Определить какой кварц исследовался: левовращающий или правовращающий.

Таблица

 нм

Номер измерения

град

 град

1

2

3

4

5

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой световые волны?

2. Какой свет называют естественным и какой поляризованным?

3. Что в световой волне называют плоскостью падения и плоскостью поляризации?

4. Что утверждается в законе Малюса? Какие вещества называют оптически активными и в чем заключается дисперсия оптической активности?

5. Какие молекулы и кристаллические структуры способны вращать плоскость поляризации света, должна ли быть оптическая активность у стеклянной пластинки?

6. Дать объяснение оптической активности по Френелю.

Библиографический список

к лабораторной работе № 10

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 2. – § 141.

2. Савельев, И. В. Курс общей физики. Волны. Оптика: учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – Т. 4. – гл. 6 § 6.8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Содержание представленного экспериментального материала охватывает только основные фундаментальные разделы волновой теории оптических явлений. Данные экспериментальные работы могут служить основой для изучения более сложных нанооптических технологий. Университетский курс по нанотехнологиям невозможен без использования нанооптики, так как одним из основных способов исследования наночастиц является оптическая визуализация и спектроскопия.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84073. Репродуктивная система человека 30.41 KB
  Репродуктивная система комплекс органов и систем которые обеспечивают процесс оплодотворения способствуют воспроизводству человека. Мужская репродуктивная система система органов расположенных снаружи тела около таза которые принимают участие в процессе репродукции. Репродуктивная система женщины состоит из органов расположенных преимущественно внутри тела в тазовой области.
84074. Половое созревание, регуляция полового созревания 33.51 KB
  Еще до появления первой менструации отмечается усиление функции гипофиза и яичников. В последние годы раскрыты новые механизмы становления и регуляции репродуктивной функции. Важная роль в регуляции репродуктивной функции принадлежит эндогенным опиатам энкефалины и их производные пре и проэнкефалины – лейморфин неоэндорфины динорфин которые оказывают морфиноподобное действие и были выделены в центральных и периферических структурах нервной системы в середине 1970х годов. Данные о роли нейротрансмиттеров и влиянии через них эндогенных...
84075. Терморегуляция, виды терморегуляции 31.19 KB
  Различают несколько механизмов отдачи тепла в окружающую среду. Излучение – отдача тепла в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона. Количество тепла рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением пропорционально площади поверхности излучения площади поверхности тела не покрытой одеждой и градиенту температуры. При температуре окружающей среды 20с и относительной влажности воздуха 40–60 организм взрослого человека рассеивает путём излучения около 40–50 всего отдаваемого тепла.
84076. Терморегуляция у детей младшего возраста 31.18 KB
  Температура тела ребенка в первые месяцы жизни не вполне постоянна. Она может изменяться под влиянием различных факторов: охлаждения или перегревания тела приема пищи крика и так далее. Так у новорожденных на 1 кг массы тела приходится 700 см2 кожи у десятилетних детей 425 см2 а у взрослых 220 см2. Накопление тепла в организме способствует повышению температуры тела.
84077. Предмет и задачи анатомии и физиологии, предмет и задачи возрастной анатомии и физиологии 29.86 KB
  Физиология – наука о функциях живого организма как единого целого о процессах протекающих в нём и механизмах его деятельности. В настоящее время физиология и анатомия накопили огромный фактический материал. Это привело к тому что от физиологии и от анатомии отпочковываются две самостоятельные науки – это возрастная анатомия и возрастная физиология. Возрастная физиология – это наука которая изучает особенности процесса жизнедеятельности организма на разных этапах онтогенеза.
84078. Современные методы изучения организма. Клетка, строение животной клетки 33.92 KB
  Клетка строение животной клетки. Масса и длина тела окружность грудной клетки и талии обхват плеча и голени толщина кожножировой складки – все это и многое другое традиционно измеряют антропологи с помощью медицинских весов ростомера антропометра и других специальных приспособлений. В каждой клетке различают две основные части цитоплазму и ядро в цитоплазме в свою очередь содержатся органоиды мельчайшие структуры клетки обеспечивающие ее жизнедеятельность митохондрии рибосомы клеточный центр и др. В ядре перед делением...
84079. Ткани, органы и системы органов 30.93 KB
  Особенностью соединительной ткани является сильное развитие межклеточного вещества. К соединительной ткани относятся кровь лимфа хрящевая костная жировая ткани. Благодаря сокращению скелетных мышц становится возможным передвижение тела в пространстве; особое строение сердечной мышечной ткани обеспечивает одновременное сокращение больших участков сердечной мышцы. Структурной единицей нервной ткани является нервная клетка нейрон состоящий из тела овальной звездчатой или многоугольной формы и отходящих от него отростков.
84080. Общие принципы регуляции работы организма 22.35 KB
  Регуляция в живых организмах представляет собой совокупность процессов обеспечивающих необходимые режимы функционирования достижение определенных целей или полезных для организма приспособительных результатов. Процесс физиологической регуляции является основой самоудовлетворения потребностей живого организма.
84081. Эндокринная система, эндокринные железы и функции основных гормонов 31.16 KB
  Железа внутренней секреции производит гландулярные гормоны к которым относятся все стероидные гормоны гормоны щитовидной железы и многие пептидные гормоны. Диффузная эндокринная система представлена рассеянными по всему организму эндокринными клетками продуцирующими гормоны называемые агландулярными за исключением кальцитриола пептиды. Гормоны органические соединения вырабатываемые определенными клетками и предназначенные для управления функциями организма их регуляции и координации. Гормоны биологические активные вещества...