6. Задания для самоподготовки

1 – С помощью поляроидных пленок убедиться в справедливости закона Малюса

2 – Использовать настольную модель поляриметра для приобретения навыков работы с прибором

3- Изучить ход лучей в поляриметре

4- Рассмотреть прохождение света через систему поляризатор-анализатор

Литература, рекомендуемая для самоподготовки:

Основная

1 – «Медицинская и биологическая физика» 7-е изд., Ремизов А.Н. и др. Издательство Дрофа. 2007 (можно более ранние издания)

2 – «Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитации:Лекции и семинары.»- Федорова В.Н., Степанова Л.А. Издательство:Физматлит.2005

3-«Медицинская биофизика» Самойлов В.О. СПб: Издательство:СпецЛит Учебник для вузов-2004.

Интернет-Электронная библиотека http://www.sma.kz/about/structure/lib2/lib/

Дополнительная

- Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Academia, 2004— 520 с

Учебное пособие (9-е издание, переработанное и дополненное, — 2004 г.) состоит из семи частей, в которых изложены физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. Установлена логическая преемственность и связь между классической и современной физикой. Приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения. Для студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений и в качестве дополнительной литературы для студентов медицинских вузов.

Вопросы для самоподготовки

- по базисным знаниям:

• понятие электромагнитной волны

• графическое изображение электромагнитной волны

• способы получения поляризованного света

- по данной теме:

• закон Брюстера

• ход лучей в призме Николя

• система поляризатор-анализатор

• закон Малюса

• схема и устройство простейшего сахариметра

• схема и устройство поляриметра

• понятие дихроизма

• поляроиды

• исследования объектов в поляризованном свете

Краткая теория

Свет представляет собой электромагнитные волны. Естественный свет – совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света. Колебания световых векторов происходят во всех направлениях, и поэтому плоскость их колебаний постоянно изменяет свое направление в пространстве. Свет, у которого направления колебаний светового вектора упорядочены каким либо образом, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной, проходящей через луч плоскости, свет называется плоскополяризованным (или линейно- поляризованным). Упорядоченность может заключаться и в том, что электрический вектор поворачивается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине. В результате конец вектора описывает эллипс. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Если конец вектора описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.

с

d

a b

Рисунок 1

1. сечение естественного луча в некоторый момент времени и проекции электрических векторов на плоскость, перпендикулярную лучу;

2. сечение плоскополяризованного луча;

3. представление естественного луча как наложение двух плоскополяризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях лучей. Его принято изображать в виде прямой, на которой расположено одинаковое число проекций электрического вектора, ,в виде черточек и точек;

4. представление плоскополяризованного луча.

Если выбрать две взаимно перпендикулярные плоскости, проходящие через луч естественного света, и спроецировать электрические векторы на плоскости, то в среднем эти проекции будут одинаковыми, поэтому естественный свет можно представить как наложение двух некогерентных электромагнитных волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих одинаковую интенсивность рис. 1. Такое представление намного упрощает рассмотрение прохождения естественного света через поляризационные устройства.

Частично поляризованным называется свет, если в нем имеется преимущественное направление колебаний электрического вектора. Его можно рассматривать как смесь естественного и плоскополяризованного света. Частично поляризованный свет, как и естественный можно представить в виде наложения двух некогерентных плоскополяризованных волн с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Отличие заключается в том, что в случае естественного света интенсивность этих волн одинакова, а в случае частично поляризованного – разная.

Поляризация света при отражении и преломлении

При падении света на границу двух диэлектриков, если угол падения отличен от нуля, естественный свет частично поляризуется. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном – колебания параллельные плоскости падения. Степень поляризации зависит от угла падения. Если угол падения удовлетворяет закону Брюстера:

,

где угол называется углом Брюстера,- относительный показатель преломления, то отраженный луч полностью плоскооляризован (рис.2).

е

о

Рис. 2 Рис.3

Используя закон преломления света, можно показать, что при полной поляризации отраженного луча угол между преломленным и отраженным лучом равен 90⁰. Явление поляризации света при отражении и преломлении объясняет электромагнитная теория Максвелла.

Таким образом, граница двух диэлектриков или диэлектрика и вакуума является поляризатором.

Поляризация света при двойном лучепреломлении

Некоторые прозрачные кристаллы (исландский шпат, турмалин, кварц) обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается (рис 3). Один из лучей подчиняется закону преломления света, в частности он лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Этот луч называется обыкновенным лучом и обозначается буквой о. Для другого луча, называемого необыкновенным (его обозначают буквой е), закон преломления света не выполняется: отношение синусов угла падения и угла преломления не остается постоянным и он не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Это явление обусловлено особенностями распространения электромагнитных волн в анизотропных средах: амплитуды вынужденных колебаний электронов зависят от направлений этих колебаний.

Направление, вдоль которого двойного лучепреломления не происходит называется оптической осью кристалла. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч называется главной. Колебания обыкновенного луча перпендикулярны главной плоскости, а необыкновенного – лежат в главной плоскости т.е. лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Двоякопреломляющие кристаллы непосредственно не используются как поляризаторы, так как пучки обыкновенных и необыкновенных лучей слишком мало разделены, однако из этих кристаллов изготовляют специальные поляризационные призмы.

Наиболее распространенной является призма Николя (николь).

Призма Николя – призма из исландского шпата (рис. 4), разрезанная по диагонали и склеенная канадским бальзамам (исландский шпат CaCO₃ кристалл гексагональной структуры, канадский бальзам – смола канадской пихты). Для канадского бальзама показатель преломления n=1.550, это значение лежит между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Это позволяет, подобрав соответствующим образом углы призмы и угол падения луча обеспечить полное отражение обыкновенного луча на границе с канадским бальзамом. Отраженный луч поглощается зачерненной нижней гранью призмы. Необыкновенный луч выходит из призмы николя параллельно нижней грани.

Рис. 4

Явление дихроизма.

Все двояко преломляющие кристаллы в той или иной степени поглощают свет. Это поглощение анизотропно, т.е. зависит от ориентации электрического вектора световой волны, от длины световой волны, а также от направления распространения света в кристалле. Это явление называется дихроизмом, так как проявляется в различной окраске кристаллов по разным направлениям.

Прохождение света через систему поляризатор-анализатор

Если пропускать частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться в пределах от I_max до I _min, причем переход их одного из этих значений к другому будет совершаться при повороте на угол, равный 90⁰. Выражение:

называется степенью поляризации. Для плоскополяризованного света Р=1, для естественного Р=0. Таким образом, поляризаторы можно использовать в качестве анализаторов – т. е. для анализа характера и степени поляризации света. Пусть на анализатор падает плоскополяризованный свет. Колебания амплитуды светового (электрического) вектора, совершающиеся в плоскости, образующей с плоскостью пропускания р-р анализатора угол можно разложить на два колебания с амплитудамии(рис.5, луч света перпендикулярен плоскости рисунка).

р А А_

А_ р

Рис. 5

Волна перпендикулярная р-р, с поглощается, а волна параллельная р-р с-полностью проходит через анализатор. Интенсивность света I₀ – падающего и I – пропущенного анализатором пропорциональны квадрату амплитуды ии связаны между собой законом Малюса:

I=I₀ cos² 

Вращение плоскости поляризации. Оптически активные вещества, угол вращения, удельное вращение

При прохождении линейно поляризованного света некоторые вещества (кварц, скипидар, раствор сахара в воде), называемые оптически активными, плоскость поляризации света поворачивается вокруг направления луча.

В оптически активных кристаллах угол поворота плоскости поляризации  пропорционален толщине слоя вещества l.

Коэффициент  называется удельным вращением и зависит от природы вещества, температуры, длины волн света в вакууме. Различают правовращающие ( >0) и левовращающие ( <0) вещества.

Угол поворота плоскости поляризации света при прохождении пути l в оптически активном растворе зависит от объемно-массовой концентрации оптически активного вещества

где К= m_воды / m_р-ра – долевая концентрация по массе, D – плотность раствора.

[] – удельное вращение раствора, которое в отличии от  зависит и от растворителя.

Протокол

Лабораторная работа

Определение концентрации раствора сахара при помощи сахариметра. Изучение устройства сахариметра.

Цель работы:

1. Изучить теоретический материал по теме занятия;

2. Ознакомиться с устройством сахариметра;

3. Проверить шкалу сахариметра;

4. Определить концентрацию растворов сахарозы.

Оборудование:

1. Сахариметр;

2. Эталонные кварцевые пластинки;

3. Кюветы с растворами сахарозы.

Схема сахариметра:

Л Ф О П К Т А Об Ок.

Л - источник света – лампа накаливания;

Ф – фильтр для выделения монохроматического света;

О – объектив;

П – поляризатор;

К – кварцевая пластинка;

Т – кювета с раствором сахарозы;

А – анализатор;

Об – объектив;

Ок. – окуляр.

Рабочая формула:

, где n - показание, отсчитываемое по шкале сахариметра, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц, химической природы растворенного вещества и длины кюветы. Для сахарозы (свекловичного сахара) k=0.26.

Ход работы

1. Перед началом работы удалить из камеры прибора поляриметрическую трубку, предназначенную для растворов сахара и включить осветитель. Установить по глазу наблюдателя окуляр зрительной трубы и отсчетную лупу (линия, разделяющая поле зрения на две половины должна быть четко видна). 2.Установить прибор на нуль: нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать, обе половины поля зрения зрительной трубы должны иметь одинаковую яркость. 3.Проверить шкалу сахариметра. Для этого, поместив в камеру сахариметра контрольную трубку с правовращающей кварцевой пластиной и восстановив одинаковую яркость обеих половин поля зрения, производят отсчет по шкале прибора с точностью до 0.1. Измерения повторяют еще два раза, затем находят среднее арифметическое показаний. Полученное значение должно совпасть с эталонным, указанным на штуцере пластинки. Производят аналогичные измерения для левовращающей пластинки.

Поле зрения сахариметра

2. Определить концентрацию раствора сахарозы. Для этого поместить кювету с раствором сахарозы в камеру прибора, восстановив одинаковую яркость обеих половин поля зрения, производят отсчет по шкале сахариметра. Опыт повторить три раза. Концентрацию раствора рассчитать по рабочей формуле.

С=kn