2018-01-21
293
Світло являє собою сукупність електромагнітних хвиль. Електромагнітна хвиля, як процес поширення в просторі зв'язаних між собою змінного електричного і магнітного полів, носить поперечний характер, тобто напруженості електричного Е та магнітного Н полів в хвилі направлені перпендикулярно до швидкості її поширення v. Крім того вектори Е і Н взаємно перпендикулярні і їх зміна в хвильовому процесі відбувається синфазно. Хімічна та біологічна дія світла в основному пов'язана з електричною складовою поля електромагнітної хвилі. Тому вектор напруженості електричного поля Е називають світловим вектором.
 |  | | |||
Природне світло випромінюється сукупністю багатьох окремих атомів джерела світла. Цей процес відбувається неузгоджено, як кажуть, некогерентно, тому коливання світлових векторів окремих хвиль для будь-якого променя світла здійснюються в різних, довільно орієнтованих площинах. Таким чином, для природного світла характерний рівномірний розподіл напрямків векторів Е відносно осі променя. Якщо один із напрямків такого розподілу стає переважаючим, то говорять про частково поляризований світловий промінь. Зокрема, коли коливання вектора відбувається тільки в одній площині, то такий промінь називають плоскополяризованим. На рис. 1. схематично зображені а/ - природний промінь світла: б/ - частково і в/ - плоскополяризований світлові промені (напрям поширення променя c перпендикулярний до площини рисунка ху, вектори на рисунку відповідають амплітудним значенням).
|
|
|
Поляризоване світло можна одержати з природного за допомогою спеціальних пристроїв - поляризаторів (призма Ніколя, поляроїд і ін.). Вони пропускають коливання світлового вектора Е повністю лише в одній площині, паралельній до так званої головної площини поляризатора, і повністю затримують перпендикулярні коливання.
Око не відрізняє поляризоване світло від природного, але існує цілий ряд явищ, властивих тільки поляризованому світлу, завдяки яким воно і виявляється. Зокрема, якщо на шляху поляризованого променя, одержаного, наприклад, за допомогою поляризатора, помістити ще один поляризатор, головна площина якого може регульовано змінюватись по відношенню до головної площини першого поляризатора на певний кут, то варіюючи цим кутом, можна змінювати інтенсивність вихідного променя від нуля (повне затемнення), при взаємній перпендикулярності головних площин обох поляризаторів, до вихідної інтенсивності поляризованого променя, при співпаданні головних площин поляризаторів. Таким чином, другий, рухомий поляризатор, використовується для аналізу поляризованого світла і називається аналізатором. Взагалі інтенсивність світла на виході аналізатора І пов'язана а інтенсивністю світла, падаючого на аналізатор Іо, законом Малюса:
|
|
|
І = І0 cos2φ, (1)
де φ - кут між головними площинами поляризатора і аналізатора або, що рівнозначно, кутміж площинами коливань світлового вектора до і після аналізатора.
При проходженні поляризованого світла через деякі речовини спостерігається явище повороту (обертання) площини коливань світлового вектора. Такі речовини називаються оптично активними. Це можуть бути тверді тіла, наприклад кварц, кіновар і ін., чисті рідини, наприклад скипидар, нікотин і ін., зокрема розчини деяких речовин, наприклад, водні розчини цукру, винної кислоти та ін. В оптично активних розчинах кут повороту площини коливань світлового вектора пропорціональний шляху променя в розчині l і концентрації розчину с:
Δφ = а∙с∙l, (2)
де а - питома стала обертання, вона задає кут повороту площини коливань світлового вектора на одиниці шляху розчину одиничної концентрації. Найчастіше концентрацію розчину вимірюють в г / л, що відповідає кількості грамів розчиненої речовини в одному літрі розчину. В цьому випадку а виражають в 
(порівняйте з одиницею а системи СІ - 
). Крім
природи оптично активної речовини а залежить від довжини світлової хвилі і температури розчину. Звичайно, для вимірювань оптичної активності речовин використовують жовте світло (λ = 589 нм) і дослідження проводять при кімнатній температурі (t = 20 °С).
Обертання площини коливань вектора Е поляризованого світла оптично активними речовинами зумовлюється асиметричною структурою їх молекул. В залежності від порядку чергування структурних ланок в молекулах оптично активних речовин, для однієї і тієї ж речовини може спостерігатись обертання площини коливань вектора Е поляризованого світла за годинниковою стрілкою і проти неї. Відповідні різновидності речовини називаються право- і лівообертаючими, іх молекули дзеркально відображують одна одну - вони тотожні за своїм хімічним складом, але дзеркально симетричні за своєю просторовою формою. Ця асиметрія молекул і проявляється в явищі оптичної активності речовин.
Кутове переміщення площини коливань світлового вектора фіксується за зміною екстремальної інтенсивності світла на виході аналізатора. Враховуючи підвищення чутливості ока із зниженням інтенсивності світла, дослідження оптичної активності проводять при взаємно перпендикулярній орієнтації головних площин аналізатора і поляризатора, тобто за максимальним затемненням поля зору.
Якщо між схрещеними поляризатором і аналізатором помістити кювету з розчином оптично активної речовини, то поле зору просвітлюється. Щоб знову одержати повністю затемнене поле зору, необхідно аналізатор повернути на кут 
, еквівалентний куту повороту площини коливань світлового вектора поляризованого променя при проходженні його через кювету з розчином. Знаючи питому сталу обертання розчину а і довжину кювети l, згідно з формулою (2), можна визначити концентрацію розчину:
(3)
Такий спосіб визначення концентрації розчинів оптично активних речовин називається поляриметричним, а відповідні прилади - поляриметрами. Метод поляриметрії широко використовується у виробництві, в біології та медицині, наприклад для визначення оптичної активності сироваткових білків з метою діагностики ракових захворювать, для кількісного визначення вмісту цукру в сечі і ін.
Установка аналізатора на темноту не може бути здійснена достатньо точно. Тому замість звичайного аналізатора застосовуються так звані напівтіньові пристрої, за допомогою яких проводиться установка не на максимальну темноту, а на рівність достатньо малих освітленостей двох половин поля зору. Найпростіші напівтіньові пристрої являють собою сполучення двох розташованих поруч поляризаторів, головні площини яких утворюють невеликий, порядка 5°, кут. Якщо площина коливань падаючого світла перпендикулярна до бісектриси цього кута, то обидві половини поля зору будуть освітлені однаково. При найменшому повороті площини коливань рівність освітленостей одразу порушиться. Око дуже чутливе до порушення рівності освітленостей двох сусідніх полів. Тому за допомогою напівтіньового пристрою площини коливань світлового вектора може бути встановлено із значно більшою точністю, ніж установкою аналізатора на темноту.
|
|
|
При вимірюванні оптичної активності розчину напівтіньовий пристрій встановлюється на рівність освітленостей обох половин поля зору двічі - до і після заливки розчину в кювету. Кут між обома положеннями пристрою дає кут повороту площини коливань світлового вектора розчином. Часто на оправі напівтіньового пристрою наноситься шкала, проти поділок якої відмічаються безпосередньо значення концентрації. В медичних цукриметрах відлік кута повороту аналізатора в градусах безпосередньо дає концентрацію розчину цукру (в грамах на 100 см3). Це досягається відповідним підбором довжини кювети.
Порядок виконання роботи:
1. Ознайомтесь з поляриметром. Виділіть в ньому такі структурні елементи: освітлювач, поляризатор з напівтіньовим пристроєм із скомпонованими з ним в одному блоці світлофільтром та об'єктивом, трубку для кювет з досліджувальними розчинами, аналізатор і зорову трубу з об'єктивом та окуляром.
2. Ввімкніть освітлювач поляриметра в мережу.
3. Закрийте шторку трубки для кювет і, переміщуючи муфту окуляра зорової труби, встановіть чітке зображення поля зору.
4. Обертанням маховичка аналізатора добийтесь рівномірно затемненого поля зору і зафіксуйте по лімбу і ноніусу градусної шкали аналізатора початковий відлік φ0 площини коливань поляризованого променя, падаючого на аналізатор.
|
|
|
5. Помістіть в трубку поляриметра кювету з розчином цукру відомої концентрації с1. Обертаючи маховичок аналізатора, знову добийтесь рівномірного затемнення поля зору. Зніміть новий відлік φ1 площини коливань променя на вході аналізатора.
6. За різницею показань φ1 і φ0 визначте кут повороту площини коливань світлового вектора поляризованого променя Δ φ1.
7. За формулою (2) визначте питому сталу обертання розчину цукру α, попередньо вимірявши довжину кювети l1.
8. Помістіть в поляриметр одну з кювет з розчином цукру невідомої концентрації і повторить дії пунктів 4-6.
9. Виміряйте довжину кювети з досліджуваним розчином l2 і за формулою (3), користуючись знайденим значенням а, визначте концентрацію досліджуваного розчину цукру c2.
Повторіть виміри для іншого розчину невідомої концентрації. Результати вимірювань та розрахунків занесіть до таблиці:
| № | Розчин цукру заданої концентрації | Розчин цукру невідомої концентрації | ||||||||||
| φ0 | φ1 | Δφ1 | l1 | c1 | а | φ0 | φ2 | Δφ2 | l2 | а | c2 | |
Дайте відповіді на запитання:
1. Яка відмінність між природним та плоскополяризованим світлом?
2. Чи можна провести вимірювання оптичної активності розчину, помінявши місцями поляризатор і аналізатор?
3. Чи може освітленість поля зору поляриметра не змінитись при заповненні кювети оптично активним розчином?
