Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Факультет энергетический
Кафедра электроснабжения промышленных предприятий
Отчёт
По лабораторной работе №9
Изучение вращения плоскости поляризации света в растворах.
Студент группы Э-02 Щербаков А. Ю.
Преподаватель. Тубалов Н.П
Барнаул 2011
1. Цель работы: изучить явление поляризации на примере использования эффекта вращения плоскости поляризации оптически активной среды; ознакомиться с принципом действия кругового поляризатора СМ-3; определить значение концентрации раствора оптически активного вещества.
2. Приборы и оборудование: круговой поляриметр СМ-3, три кюветы с растворами известной концентрации и кювета с раствором неизвестной концентрацией.
3. Краткое теоретическое описание, расчетная формула:
1. Временная нелокальность (дисперсия света).
Временная нелокальность проявляется в оптической дисперсии среды. Действительно, для объяснения дисперсии необходимо учитывать инерционные свойства электронов, атомных ядер и ионов вещества.
Вынужденные колебания отстают по фазе от вынуждающей силы (нелокальность), и это отставание растет по мере роста частоты. Амплитуда вынужденных колебаний ( D ( f )) растет с ростом частоты вынуждающей силы в области прозрачности вещества
Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от частоты световой волны. В области прозрачности вещества дисперсия носит нормальный характер. Аномальная дисперсия проявляется вблизи частот, соответствующих резонансному поглощению света.
2. Активные среды.
Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света.
В растворах угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе 
и концентрации активного вещества с:
Здесь α -удельная постоянная вращения.
Теоретическое рассмотрение взаимодействия света с раствором активного вещества на основе пространственной нелокальности предполагает существование пространственной неоднородности электрического поля волны. Следовательно, имеет место коллективное взаимодействие волны со многими молекулами активного вещества или (что то же самое) взаимодействие волны с гигантской спиральной молекулой.
3. Пространственная нелокальность.
Пространственная нелокальная связь между векторами 
и 
означает, что вектор электрического смещения ( t ) в точке, определяемой радиус-вектором г, зависит от значений ( t ) во всех точках, занимаемых
спиральной молекулой. В любой точке i спирали вектор ( t ) может быть представлен в виде суммы двз^х составляющих: направленной по касательной к спирали и направленной перпендикулярно к ней.
Условия колебаний электронов в направлениях вдоль и поперек спирали существенно различны, следовательно, различными будут и соответствующие диэлектрические проницаемости:
В результате вектор электрического смещения ( t ) оказывается повернутым на угол φ относительно вектора ( t ) (рисунок 1).
|
|
 |
Рисунок 1. Вращение плоскости поляризации при прохождении света через
4. Схема эксперимента:
Все элементы этой схемы заключены в корпус, в котором можно открыть кюветное отделение и поместить туда трубку с исследуемым раствором. На переднюю панель поляриметра вынесена ручка вращения плоскости анализатора и шкала с двумя нониусами, по которым можно точно произвести отсчет положения плоскости анализатора.
 |
Рисунок 2. Оптическая схема поляриметра. 1- лампа, 2- светофильтр, 3-конденсор, 4- поляризатор, 5- хроматическая фазовая пластинка, 6- кювета с раствором, 7- анализатор. 8- объектив и окуляр, 9- наблюдатель.
Свет от лампы, пройдя через конденсор и поляризатор, становится плоскополяризованным. Для более точного определения угла поворота в поляриметре применен принцип уравнивания яркостей разделенного на две части поля зрения. Разделение поля зрения на части осуществлено введением в оптическую систему поляриметра хроматической фазовой пластинки, через которую проходит только половина светового пучка, вышедшего из поляризатора.
Яркости различных частей поля зрения уравнивают вблизи полного затемнения поля зрения. Хроматическая полутеневая пластинка 5 состоит из двух половинок: стеклянной С и кварцевой К, показанных на рисунке 3, Рисунок 3. Фазовая пластинка где А-А-граница раздела.
↖Рисунок 3. Фазовая пластинка
Допустим, что на пластинку падает монохроматический плоскополяризованный свет с плоскостью колебаний 1-1. Через стеклянную часть пластинки свет пройдет, не изменяя ориентации плоскости колебаний, а через кварцевую пластинку он выйдет с новой плоскостью колебаний 2-2, так как кварц оптически активное вещество.
Если затем пропустить оба луча через анализатор, у которого плоскость колебаний совпадает, например, с плоскостью 2-2, то луч левой половины поля зрения С будет погашен, и поле в этой половине будет темным, тогда как часть света правой половины будет пропущена анализатором, и поле этой половины останется светлым (рис. 4а),а если перпендикулярна 2-2, то наблюдается обратная картина освещенности поля зрения (рис. 4б). «Нулевая точка» (Рис. 4в).
 | |||||
 | |||||
 | |||||
а б в
Рисунок 4. Поле зрения поляриметра
Если между фазовой пластинкой 5 и анализатором поместить оптически активное вещество, то настроенное на «нулевую точку» световое поле будет нарушено. Угол, на который нужно повернуть плоскость анализатора, чтобы настроить новую «нулевую точку» равен углу поворота φ вращения плоскости поляризации раствором, находящимся в кювете.
5. Порядок выполнения работы:
1. Установление «нулевой точки» с пустым кюветным отделением.
2. При помещенной в кюветное отделение трубки с известной концентрацией получить резкое контрастное изображение полей сравнения. Повторить три раза для каждой.
3. Повторить пункт 2 только для трубки с неизвестной концентрацией.
Таблица 1.
| С1=6% | С2=19% | С3=30% | Сх=Х% | ||||
| φ,0 | φср,0 | φ,0 | φср,0 | φ,0 | φср,0 | φ,0 | φср,0 |
| 6,22 |
6,24 | 19,40 |
19,34 | 35,40 |
35,01 | 14,04 |
13,76 |
| 6,30 | 19,24 | 35,22 | 13,40 | ||||
| 6,20 | 19,38 | 34,40 | 13,84 | ||||
φср= 
φср 1= 
6. Расчет относительной и абсолютной погрешностей для φ:
7. График зависимости φ = f (С):
Параметры линии определяются в виде:
Для выполнения расчетов по приведенным формулам данные удобно свести в таблицу:
Таблица 2.
| С,% | <C> | <C>2 | C2 | <C2> | 
|
| 6 |
18,33 |
336,11 | 36 |
432,33 |
96,22 |
| 19 | 361 | ||||
| 30 | 900 |
| φ ,0 | < φ > | < φ >2 | φ 2 | < φ 2 > | 
|
| 6,24 |
20,20 |
407,91 | 38,94 |
546,23 |
138,32 |
| 19,34 | 374,04 | ||||
| 35,01 | 1225,70 |
| C,% | φ | C* φ | <C* φ > | k | 
|
| 6 | 6,24 | 37,44 |
485,07 |
1,19 |
0,15 |
| 19 | 19,34 | 367,46 | |||
| 30 | 35,01 | 1050,30 |
8. Значение неизвестной концентрации и ее погрешности:
9. Вывод: Из данной лабораторной работы, сделав все измерения, я пришел к выводу, что свет проходя через различные кюветы (то есть кюветы с растворами различной концентрации) по разному поляризует.