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

24182. Положительные и отрицательные последствия феодальной раздробленности 17.63 KB
  Положительные: 1 трудности жизни на юге заставляли людей уходить на север и восток страны заселяя и осваивая эти прежде неразвитые окраины древней Руси. Значение периода феодальной раздробленности в русской истории У политической раздробленности как у любого исторического явления есть и положительные и отрицательные стороны: 1. Положительные: исчезла пропасть между центрами и окраинами; последние превратились в самостоятельные княжества которые по уровню хозяйственного социальнополитического и культурного развития превосходили Киевскую...
24183. Сущность социальных отношений 47 KB
  Социальные нормы – это средства социальной регуляции поведения индивидов и групп. Социальная роль – это социальная функция модель поведения объективно заданная социальной позицией личности в системе социальных и межличностных отношений. С социальной стратификацией связано понятие социальной мобильности. Под социальной мобильностью понимается любой переход индивида или социального объекта ценности то есть всего того что создано или модифицировано человеческой деятельностью из одной социальной позиции в другую.
24184. Классификация социальных процессов 50 KB
  В тех случаях когда цели и способы их достижения у индивида или группы не могут удовлетворить индивида компромисса достичь не удается и индивид не приспосабливается к новым условиям окружающей среды. Ассимиляция ссимиляция это процесс взаимного культурного проникновения через который личности и группы приходят к разделяемой всеми участниками процесса общей культуре. Это всегда двухсторонний процесс в котором каждая группа имеет возможности для проникновения своей культуры в другие группы пропорционально своему размеру престижу и другим...
24185. Применение имитационного моделирования 47.5 KB
  Имитационное моделирование это частный случай математического моделирования. Применение имитационного моделирования К имитационному моделированию прибегают когда: дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте; невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время причинные связи последствие нелинейности стохастические случайные переменные; необходимо сымитировать поведение системы во времени. Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов...
24186. АЛЛЕРГИЯ 276 KB
  В поддержании аллергического иммунного ответа важны долговременные клетки памяти в т. Схема 1 Классификация аллергических реакций: Влмфзависимые Активные Немедленная по ДжеллКумбсу гуморальные и анафилаксия 1й тип реагины Тлмфзависимые Пассивные Отсроченная 5 ч 2й цитолиз клеточные АТ и клетки Замедленная дни 3й имм. Неклеточные структуры тканей коллагена миелина базальной мембраны почек – вовлекаются соседние клетки вторично. Медиаторы: гаммаинтерферон...
24187. ПАТОЛОГИЯ ВОДНО-СОЛЕВОГО ОБМЕНА 289.5 KB
  Эфферентная часть: основной механизм – регуляция почек – диуреза: а Вегетативная нервная симпатическая адреналин – чревный нерв – снижение диуреза; б Гипоталамогипофизарная регуляция: супраоптические и паравентрикулярные ядра – АДГ задний гипофиз – почечные канальцы гиалуронидаза – активация реабсорбции – тоже снижение диуреза; в передний гипофиз – АКТГ – надпочечники – альдостерон – почечные канальцы сукцинатдегидрогеназа – усиление реабсорбции Na и пассивно – воды г диэнцефальный мозг адреногломерулотропин –...
24188. КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ 70 KB
  Начальные сдвиги и компенсаторные реакции при нарушениях КОС Нарушения КОС Сдвиг КОС Компенсация Дыхательные Ацидоз рН  рСО2 НСО3 Алкалоз рН рСО2 НСО3 Негазовые Ацидоз рН НСО3 рСО2 Алкалоз рН НСО3 рСО2 Схема 1 Работа гемоглобиновой буферной системы Легкие О2 Нв НвО2 СО2  Кровь: венозный_Нв артериальный_НвО2щелочные_продукты  Нв  ...
24189. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА БЕЛКА И НК 374 KB
  ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА БЕЛКА И НК Роль белков в организме незаменимые аминокислоты типы синтеза белка типы патологии белкового обмена типы алиментарной недостаточности периоды голодания и особенности обмена; синдром мальадсорбции; нарушения синтеза белка в клетке; диспротеинозы; амилоидоз – формы теории развития стадии; подагра. Пластическая роль белков структурная основа тканей и основа ферментов определяет их главенствующую роль в метаболизме. В отличие от жиров и углеводов полное белковое голодание даже при наличии...
24190. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ЖИРОВ 262.5 KB
  Виды ЛП: по убыли размера частиц и содержания триглицеридов нарастание фосфолипидов: хиломикроны ЛПОНП ЛППП и ЛПНП атерогены ЛПВП антиатерогены так как вытесняют холестерин с рецепторов клеток. Гиперплазия жировых клеток сохраняется навсегда особенно у детей и в пубертатном периоде. Стадии: жировой полоски пятна липидов в 12 мм появляются макрофаги которые накапливают липиды и превращаются в пенистые клетки фиброзной бляшки эксцентричный рост во внутренней оболочке артерий; капсула из эндотелия Тлимфоцитов пенистых...