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

20421. Диаграмма классов (class diagram) 207 KB
  В этих разделах могут указываться имя класса атрибуты переменные и операции методы. Имя класса должно быть уникальным в пределах пакета который описывается некоторой совокупностью диаграмм классов или одной диаграммой. В дополнение к общему правилу наименования элементов языка UML имя класса записывается по центру секции имени полужирным шрифтом и должно начинаться с заглавной буквы. В первой секции обозначения класса могут находиться ссылки на стандартные шаблоны или абстрактные классы от которых образован данный класс и от которых он...
20422. Основные пакеты метамодели языка UML 282 KB
  org view=Basic_packages_metamodeli_language_UML 2730 Основные пакеты метамодели языка UML Возвращаясь к рассмотрению языка UML напомним что основой его представления на метамодельном уровне является описание трех его логических блоков или пакетов: Основные элементы Элементы поведения и Общие механизмы рис. Пакет Типы данных определяет основные структуры данных для языка UML. Основные пакеты метамодели языка UML Рис. Подпакеты пакета Основные элементы языка UML Пакет Основные элементы Ниже дается краткая характеристика элементов...
20423. Жизненный цикл ИС 86 KB
  Модель жизненного цикла отражает различные состояния системы начиная с момента возникновения необходимости в данной ИС и заканчивая моментом ее полного выхода из употребления. Модель жизненного цикла структура содержащая процессы действия и задачи которые осуществляются в ходе разработки функционирования и сопровождения программного продукта в течение всей жизни системы от определения требований до завершения ее использования. В настоящее время известны и используются следующие модели жизненного цикла: Каскадная модель рис....
20424. Мультипроцессоры 58 KB
  Мультипроцессоры Мультипроцессорные системы обладают одной характерной особенностью: все процессоры имеют прямой доступ к общей памяти. Мультипроцессорные системы шинной архитектуры состоят из некоторого количества процессоров подсоединенных к общей шине а через нее к модулям памяти. Простейшая конфигурация содержит плату с шиной или материнскую плату в которую вставляются процессоры и модули памяти. Поскольку используется единая память когда процессор А записывает слово в память а процессор В микросекундой позже считывает слово из...
20425. Компоненты NET 231.5 KB
  Использовать методы службы NET Romoting . Однако WCF содержит и другой тип сериализатора NetDataContractSerializer который является полной копией стандартного сериализатора однако помимо всего прочего он добавляет полное имя типа в сериализованный поток байтов. Хостинг IIS Internet Information Server WPF Приложения WPF строятся на основе языка XAML и языка реализации логики C.
20426. Определение распределенной системы 210 KB
  В литературе можно найти различные определения распределенных систем причем ни одно из них не является удовлетворительным и не согласуется с остальными. Возможно вместо того чтобы рассматривать определения разумнее будет сосредоточиться на важных характеристиках распределенных систем. То же самое относится и к внешней организации распределенных систем. Другой важной характеристикой распределенных систем является способ при помощи которого пользователи и приложения единообразно работают в распределенных системах независимо от того где и...
20427. Концепции аппаратных решений 64 KB
  Концепции аппаратных решений Несмотря на то что все распределенные системы содержат по нескольку процессоров существуют различные способы их организации в систему. Нас интересуют исключительно системы построенные из набора независимых компьютеров. Системы в которых компьютеры используют память совместно обычно называются мультипроцессорами multiprocessors а работающие каждый со своей памятью мультикомпьютерами multicomputers. Коммутируемые системы в отличие от шинных не имеют единой магистрали такой как у кабельного телевидения.
20428. Гомогенные мультикомпьютерные системы 33 KB
  Понятно что и тут необходима какаято схема соединения но поскольку нас интересует только связь между процессорами объем трафика будет на несколько порядков ниже чем при использовании сети для поддержания трафика между процессорами и памятью. В мультикомпьютерных системах с шинной архитектурой процессоры соединяются при помощи разделяемой сети множественного доступа например FastEthernet. Скорость передачи данных в сети обычно равна 100 Мбит с. В коммутируемых мультикомпьютерных системах сообщения передаваемые от процессора к процессору...
20429. Гетерогенные мультикомпьютерные системы 25.5 KB
  Гетерогенные мультикомпьютерные системы Наибольшее число существующих в настоящее время распределенных систем построено по схеме гетерогенных мультикомпьютерных. Это означает что компьютеры являющиеся частями этой системы могут быть крайне разнообразны например по типу процессора размеру памяти и производительности каналов вводавывода. На практике роль некоторых из этих компьютеров могут исполнять высокопроизводительные параллельные системы например мультипроцессорные или гомогенные мультикомпьютерные. Фотографии этой системы и ссылки...