Вращение плоскости поляризации

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света.

К их числу относятся кристаллические тела (кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и т.д.).

Различают правое вращение, когда вещество поворачивает плоскость поляризации по часовой стрелке (для наблюдателя, смотрящего навстречу световому лучу), и левое - при вращении плоскости поляризации в обратном направлении.

В случае химически чистого вещества угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя l:

. (5)

Коэффициент пропорциональности  называется постоянной вращения или вращательной способностью. Он характеризует природу вещества, зависит от длины волны света и температуры.

Для растворов угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя раствора и молярной концентрации c оптически активного вещества:

( закон Био ) , (6)

где - удельная постоянная вращения.

Теория вращения плоскости поляризации была развита Френелем. Он показал, что явление вращения плоскости поляризации сводится к особому виду двойного лучепреломления. Линейно поляризованная волна может рассматриваться как суперпозиция двух циркулярно поляризованных волн Е₁ и Е₂ с противоположными направлениями вращения электрического вектора. В оптически активном веществе они распространяются с различными скоростями. На выходе из вещества между колебаниями векторов Е₁ и Е₂ возникает постоянная разность фаз, которая обусловливает поворот плоскости поляризации. Поворот происходит в направлении вращения того луча, который проходит в веществе с большей скоростью.

Особенностью оптически активных веществ является то, что их молекулы не имеют центра и плоскости симметрии. Молекулы таких веществ могут существовать в виде двух зеркально симметричных изомерных форм - оптических изомеров. Один из оптических изомеров вращает плоскость поляризации вправо, другой - влево. Вещество в целом будет вращать плоскость поляризации света, в том случае, если концентрации оптических изомеров различны.

Оптически активные кристаллы также существуют в виде двух модификаций: право- и левовращающей. Обе модификации отличаются друг от друга внешней формой и внутренней кристаллической структурой. Обе модификации не конгруэнтны, т.е. правая не может быть наложена на левую и наоборот.

Лабораторная работа 41. Изучение вращения плоскости поляризации с помощью полутеневого поляриметра.

Целью настоящей работы является проверка закона Био и определение неизвестной концентрации раствора сахара с помощью полутеневого поляриметра.

Данный способ измерения концентрации раствора по вращению плоскости поляризации широко применяется в лабораториях химической и пищевой промышленности.

Измерение угла поворота плоскости поляризации при помощи установки анализатора на темноту поля зрения в присутствии и отсутствии оптически активного вещества крайне приближенно, т.к. человеческий глаз не может точно определить положение, в котором анализатор установлен на полное затемнение поля зрения. Поэтому при измерении применяются полутеневые поляриметры, которые устанавливаются на равное освещение двух половин поля зрения.

Анализатор полутеневого поляриметра состоит из двух половин. Их оси пропускания ОА₁ и ОА₂ составляют угол 2 между собой (рис. 5).

Если вектор Е падающего на анализатор поляризованного света направлен по биссектрисе ОО этого угла (рис. 5б), то обе половины анализатора будут освещены одинаково:

. (7)

Допустим, что такая картина наблюдается без оптически активного вещества. При помещении в поляриметр правовращающих веществ вектор Е поворачивается на угол  по часовой стрелке (рис. 5в), и половины анализатора оказываются различно освещенными:

(8)

. (9)

Рис. 5. Нарушение равенства освещенностей полей зрения полутеневого поляриметра при повороте плоскости поляризации на угол .

Соответствующая картина наблюдается при помещении в поляриметр левовращающих оптически активных веществ (рис. 5а).

При малом значении угла  даже небольшой поворот на угол  приводит к заметному нарушению равенства освещенностей обоих полей.

Простейший полутеневой анализатор можно получить, если обычную поляризационную призму (см. рис.4) разрезать вдоль по главному сечению, сошлифовать у каждой половинки по клинообразному слою около 2,5⁰ и вновь склеить (рис.6, см. также рис.4 б).

Рис.6. Полутеневой анализатор. Штрихпунктирная линия задает направление оптической оси.

Вращение плоскости поляризации активным веществом может быть скомпенсировано поворотом анализатора вокруг направления луча. Но анализатор может быть и неподвижным. В этом случае компенсация достигается введением перед анализатором кварцевой пластинки переменной толщины (клин 4, рис.8), которая способна повернуть плоскость поляризации в обратную сторону. Этим добиваются того, чтобы вектор Е падающей на анализатор световой волны оказался направленным по биссектрисе ОО (рис.5), и освещенность половин анализатора вновь стала одинаковой.