ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ.

Некоторые вещества обладают способностью вращать плос­кость поляризации проходящего через них линейно поляризованного света. Такие вещества называются оптически активными. Оптическая активность наблюдается у ряда кристаллических и аморфных тел. В частности, оптически активны кварц, сахар, раствор сахара в воде, скипидар и другие.

Угол поворота j пропорционален пути луча в веществе d и концентрации активной компоненты вещества С:

. j=[a] C d (11)

Здесь [a]- удельная вращательная способность, численно равная углу поворота на единицу длины пути при концентрации, равной еди­нице. Эта физическая величина зависит от длины волны (как ~ ), практически не зависит от агрегатного состояния вещества и слабо зависит от температуры.

Как правило, оптически активные вещества существуют в двух разновидностях - правовращающие и левовращающие, При этом численное значение удельной враща­тельной способности одинаково для обеих разновидностей.

Объяснение явления вращения плоскости поляризации впервые было дано Френелем. В соответствии с его теорией любую линейно поляризованную волну можно разложить на две волны, поляризованных по кругу, с правым и левым вращением. Пусть в начальный момент времени поляризации этих волн совпадают, например, расположены вертикально (см. рис.12,а). Далее плоскости поляризации будут вращаться в противоположных направлениях с одной и той же угловой скоростью. При этом сумма векторов Е этих волн всегда будет направлена вертикально и неизменна по величине. Это видно из геометрического построения, приведенного на рис.12,а. Это и есть линейно поляризованное колебание.

. Френель предположил, что в оптически активном веществе скорость распространения волны, поля­ризованной по левому кругу, отлична от скорости волны, поляризо­ванной по правому.

а)

б)

рис.12

При этом время, необходимое каждой волне для прохождения одного и того же участка d активной среды различно: и . Следовательно, векторы Е1 и Е2 к моменту выхода из активной сре­ды повернутся вокруг направления распространения света на разные углы j1 и j2. Таким образом, ре­зультирующий вектор Е на выходе из активного вещества окажется по­вернутым на угол j относительно своего положения на входе в ак­тивную среду.

Рис .12 б) иллюстрирует этот факт для случая, когда . В этом случае вектор Е1 в волне, поляризованной по левому кругу успеет повернуться на меньший угол, чем вектор Е2 в волне, поляризованной по правому кругу. Учитывая, что результирующий вектор Е должен состав­лять равные углы с векторами Е1 и E2 можно записать (рис. 126): j + j1=j2-j. Откуда следует

(12) где l- длина волны света, n1 и n2- показатели преломления для волн с левым и правым вращением светового вектора.

Если n2>n1, плоскость поляризации поворачивается вправо (как на рис. 26); если n1> n2 - влево.

Отметим, что теория Френеля, описывая формаль­но вращение плоскости поляризации, не объясняет, почему скорость света в веществе может быть связана с характером поляризации вол­ны.

Причина зависимости скорости волны от направления вращения поляризации связана с асимметрией строения молекул оптически активных веществ.

Явление вращения плоскости поляризации широко используется для исследования особенностей строения вещества и определения, концентрации оптически активных веществ в растворах. Приборы, предназначенные для измерения величины угла плоскости поляризации, называются поляриметрами. Поляриметр, применяемый для определения концентрации сахара в растворе путем измерения угла вращения плос­кости поляризации, называется сахариметром.

Явление вращения плоскости поляризации является ценным методом исследования структуры и свойств полимеров- белков, нуклеиновых кислот. Они, как правило, имеют спиральные структуры и являются оптически активными, причем вращение вдоль и поперек спирали существенно различно.

Отметим, что оптическая активность сильно меняется при различных структурных изменениях биополимеров, например, при сворачивании спирали в клубки.

Метод вращения плоскости поляризации также важен при исследованиях структуры и свойств различных молекул, и в особенности в стереохимии- учении о пространственном строении молекул.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В данной работе используется прибор, называемый сахариметром (рис.15). Его основные части: два николя N1 и N2, находящиеся в металлической трубке, поддерживаемой штативом. На николь N1 падает естественный свет от источника. Поляризованный луч света падает на николь N2, который может поворачиваться при помощи кремальеры вокруг оси прибора. Углы поворота николя N2 отсчитываются при помощи нониуса по разделенному градусному лимбу. Пусть эти два николя перекрещены и не пропускают света; поместим между ними раствор оптически активного вещества (раствор сахара). Тогда плоскость колебаний поляризованного луча, вышедшего из николя N1, при прохождении раствора сахара повернется на некоторый угол j. Плоскость колебаний луча, падающего на николь N2, уже не будет перпендикулярна его главному сечению; через николь N2 будет частично проходить свет. Чтобы николь N2 опять не пропускал свет, его надо повернуть на некоторый угол j вслед за повернутой плоскостью луча, прошедшего через оптически активный раствор.

Однако, человеческий глаз не может с достаточной точностью отметить положение анализатора, которое соответствует полному затемнению. Поэтому в поляризаторе дополнительно применяется так называемое полутеневое устройство 4, которое позволяет фиксировать не абсолют­ную освещенность поля зрения, а равенство освещенностей двух его половин, что в силу физиологических особенностей зрения устанавли­вается гораздо точнее, особенно при малой интенсивности. Полутене­вая пластинка 4 состоит из двух половинок (Рис.14,а): стеклянной С и кварцевой К; АВ - граница раздела стекла и кварца.

Рис.13.

Если на пластинку падает линейно поляризованный свет с плос­костью колебаний РР, то в той части светового потока, которая прой­дет через стекло плоскость колебаний не изменится (луч 1), а в той. что пройдет через кварц (луч 2) окажется повернутой на некоторый небольшой угол (плоскость Р1Р!) Если оба луча затем пропустить через анализатор, у которого плоскость пропускания N2 перпендикулярна РР (рис. 146), то свет, проходящий через стеклянную половину плас­тины будет полностью поглощен, а кварцевая половина будет слабо освещена. Если анализатор расположен так, что его плоскость пропу­скания N2¢ будет перпендикулярна плоскости Р1Р1, то затемненной окажется кварцевая половина, а стеклянная просветленной. Чтобы обе половины поля зрения были освещены одинаково, анализатор надо по­вернуть таким образом, чтобы плоскости колебаний РР и Р1Р1 состав­ляли бы одинаковые углы с плоскостью пропускания анализатора. На рис.14в это положения N2 и N1¢. Положение плоскости пропускания N2 предпочтительнее, так как оно соответствует меньшей осве­щенности обеих половин поля зрения.

.

Рис.14 а) б) в)

До начала работы прибор настраивается на одинаковую освещен­ность обеих половин поля зрения зрительной трубы 5 (рис. 13). При установке кюветы б с раствором активного вещества между поляризатором и анализатором нарушается равенство освещенности половин поля зрения, так как раствор поворачивает плоскость поляризации. Для уравнивания освещенностей в сахариметре применяется кварце­вый компенсатор, состоящий из большого кварцевого клина левого вращения 7, контрклина 8 и малого кварцевого клина правого вра­щения 9. Так как раствор сахара вращает плоскость поляризации вправо, то перемещением большого клина относительно малого подби­рают требуемую толщину кварцевой пластинки для компенсации угла поворота плоскости поляризации. Одновременно с большим клином пе­ремещается шкала 10. По нулевому делению нониуса II фиксируют зна­чение шкалы, соответствующее одинаковой освещенности обеих поло­вин поля зрения. Шкала и нониус наблюдаются через лупу 12 и ос­вещаются электролампой через отражательную призму 13 и светофильтр 14.

Общий вид прибора показан на рис.15

Рис.15

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Упражнение 1. Определение удельной вращательной способности. 1. Установить окуляр поля зрения и лупу шкалы поляриметра так, чтобы четко была видна вертикальная линия, разделяющая поле зрения, а также ясно были видны штрихи и цифры шкалы и нониуса.

2. Произвести установку поляризатора на нуль. Медленно вра­щая головку кремальерной передачи, добиться полной однородности обоих половин поля зрения и взять отсчет по шкале с помощью но­ниуса. Затем сбить установку и вновь все повторить. Так проделать 5-7 раз. При этом нулевые деления шкалы и нониуса в среднем долж­ны совпадать. Если совпадения нет, определяют фактическое нулевое деление прибора и находят среднее значение поправки Dj, которая добавляется с соответствующим знаком ко всем последующим значениям углов по шкале прибора.

3. В камеру поместить кювету с раствором сахара известной концентрации.

Из-за вра­щения плоскости поляризации света раствором равномерная освещен­ность поля зрения окажется нарушенной. При помощи кремальерной передачи нужно вновь добиться равной освещенности обеих половин поля зрения и произвести отсчет угла j по шкале и нониусу. Установ­ку на равную освещенность произвести несколько раз. Определить среднее значение угла поворота плоскости поляризации раствором сахара заданной концентрации С.

4. Измерить толщину слоя d раствора. Вычислить по формуле (11) удельную вращательную способность сахара.

Упражнение 2. Определение концентрации раствора сахара.

1. Вновь установить поляриметр на нуль.

2. В камеру поместить трубку с раствором сахара неизвестной концентрации Сх и аналогичным образом измерить угол поворота плос­кости поляризации jх.

8. Определить неизвестную концентрацию, пользуясь формулой (11) и результатами предыдущего упражнения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение естественного и поляризованного луча света.

2. Как изображается естественный луч?

3. Запишите формулу (и объясните обозначения) для угла поворота плоскости колебаний луча оптически активными веществами.

4. Объясните вращение плоскости поляризации оптически активными веществами.

5. От чего зависит коэффициент удельного вращения?

6. Могут ли две волны поляризованные по кругу при наложении дать линейно поляризованный свет?

7. Чем различаются естественный свет и свет поляризованный по кругу (эллипсу)?

8. Начертите основные детали сахариметра, назовите их. Объясните назначение каждой детали.

9. Сформулируйте цель работы.

10. Расскажите порядок выполнения работы.

11. Объясните расчет погрешности DСх .