Изучение спектров поглощения

 

1. Установить электрическую лампу накаливания так, чтобы щель футляра лампы

оказалась против щели Б спектроскопа.

2. Включают лампу и в окуляр L₃ наблюдают получаемый спектр излучения светя-

щейся нити лампы накаливания, добиваясь четкости изображения перемещением окуляра.

3. Так как в поле зрения лабораторного спектроскопа весь спектр не помещается, то

его рассматривают по частям, вращая микрометрический винт и определяя начало и конец спектра.

4. Зарисовывают в цвете сплошной спектр в виде прямоугольника, на краях кото-

рого записывают значения n микрометрического винта, соответствующие началу и концу спектра.

5. Перед щелью Б спектроскопа помещают отверстие футляра электролампы, в ко-

торое поочередно вставляют светофильтры и наблюдают темные полосы спектра поглощения.

6. Вращением микрометрического винта спектроскопа совмещают нить окуляра с

началом темной полосы и определяют деление n ₁, соответствующее началу области поглощения.

7. Затем нить совмещают с концом этой полосы и определяют новое значение деле-

ния n ₂. Если конец темной полосы не удается увидеть, то в качестве n ₂ записывают показания микровинта, соответствующее одному из краев сплошного спектра.

8. По градуировочному графику находят значения длин волн l ₁ и l ₂ , соответст-

вующие краям полосы поглощения.

9. Данные заносят в таблицу 2 измерений и результатов расчетов.

 

Таблица 2 измерений и результатов расчетов

 

№	n 1	n 2	l 1, нм	l 2, нм

 

10. Зарисовать в цвете спектры поглощения в виде прямоугольника, указав на нем

границы полос поглощения в нанометрах.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие типы спектров Вы знаете?

2. Как устроен спектроскоп?

3. С какой целью проводят градуировку спектроскопа?

4. Как получить спектр поглощения?

5. Объясните природу спектров, исходя из квантовой теории.

 

Литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 24, § 187, 186.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XХ,

§ 145, 144.

3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 46; гл. VIII,

§ 62, 63.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4–09

 

ИЗУЧЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

 

Задание № 1. Определение концентрации раствора сахара поляриметром

Цель работы: изучение понятия поляризованного света, поляризации света при двойном лучепреломлении и конструкции призмы Николя, явления вращения плоскости поляризации оптически активными веществами, ознакомление с поляриметром и методикой работы с ним, экспериментальное определение с помощью поляриметра концентрации раствора сахара.

Приборы и принадлежности: поляриметр, трубки с исследуемым раствором.

Теория работы

 

Свет представляет собой электромагнитные волны в видимом диапазоне длин волн l = 0,38 - 0,76 мкм, распространяющиеся от источника света в различных направлениях по прямым – лучам. Электромагнитной волной является распространяющееся с конечной скоростью в пространстве электромагнитное поле, представляющее собой совокупность взаимосвязанных электрического Е и магнитного Н полей, взаимно перпендикулярных между собой и скоростью распространения u (рис. 1). Взаимная перпендикулярность векторов Е, Н и u означает поперечность электромагнитной волны.

Рис. 1

 

Задание направления распространения волны и одного из векторов напряженности, например, Е, однозначно определяет направление другого (Н). Однако крест векторов Е и Н может быть произвольно ориентирован относительно u.

Процесс поляризации состоит в том, что колебания вектора Е (и Н) принимают упорядоченный характер – они происходят в неизменных плоскостях. В силу того, что различные виды воздействия света на вещество (физиологическое, химическое и др.) обусловлено главным образом колебаниями электрического вектора Е, все рассуждения при рассмотрении поляризации ведут относительно вектора Е. Эксперименты подтвердили, что на сетчатку глаза или эмульсию фотопленки действует именно электрическое поле Е волны.

Свет, в котором направления колебания светового вектора Е каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.

Различают следующие виды поляризации света:

1) линейная (плоская) – когда колебания светового вектора Е происходят в одном определенном направлении в плоскости, перпендикулярной к лучу. Плоскость колебаний вектора Е называется плоскостью поляризации света;

2) круговая (циркулярная) поляризация – когда конец светового вектора Е описывает окружность в плоскости, перпендикулярной к лучу;

3) эллиптическая – когда конец светового вектора Е описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной к лучу.

В общем случае проекционная картина полностью поляризованного света на плоскость, перпендикулярную лучу, имеет вид эллипса с правым или левым направлением вращения вектора Е во времени (соответственно по или против часовой стрелки, если смотреть навстречу лучу). Линейная и круговая поляризации являются предельными случаями, когда эллипс поляризации вырождается соответственно в прямую линию или в окружность.

Естественные источники света испускают неполяризованный, или естественный, свет. Направление колебаний светового вектора Е в естественном свете быстро и совершенно хаотически меняется с течением времени, хотя все время остается перпендикулярным к лучу. Это связано с тем, что любой естественный источник света состоит из огромного числа элементарных излучателей – атомов и молекул, акты испускания света каждым из них кратковременны, случайны и хаотичны. И хотя любой из элементарных излучателей в каждом акте излучения испускает поляризованный свет, в общем излучении источника света ориентация светового вектора Е хаотична.

Свет может быть частично поляризованным – когда он имеет предпочтительное направление колебаний светового вектора Е. Большинство искусственных источников света дают частично поляризованный свет. Например, вольфрамовая нить электролампы излучает свет, поляризованный на 15-20 %, ртутная лампа – на 5-8 %, люминесцентные лампы излучают сильно поляризованный свет. Глаз человека не отличает поляризованный свет от неполяризованного.

Поляризация естественного света может происходить при отражении и преломлении света на границе раздела двух сред, при рассеянии света, при прохождении через анизотропную среду. Анизотропной называется среда, физические свойства которой различны в разных направлениях. Естественную анизотропию имеют все прозрачные для света кристаллы с любой кристаллической структурой, кроме кубической.

Оптическая анизотропия в кристаллах кварца, исландского шпата, герапатита, турмалина и др. проявляется в двойном лучепреломлении. Двойное лучепреломление заключается в раздвоении световых лучей при прохождении через анизотропную среду (например, кристалл). При наблюдении через кристалл каких-либо предметов их изображения кажутся двойными. Причинами такого раздвоения является зависимость показателя преломления анизотропной среды от направления вектора Е световой волны.

На рис. 2 показано прохождение света через одноосный кристалл исландского шпата. Кристаллографической осью кристалла (прямая ОО₁) называется направле-

ние, относительно которого атомы или ионы кристаллической решетки расположе- ны симметрично, при прохождении вдоль него луч не раздваивается. Плоскость, проходящая через оптическую ось и луч, называется главным сечением кристалла, или главной плоскостью.

 

 

Рис. 2

 

Естественный луч АВ, падая на кристалл исландского шпата в любом направлении, кроме оптической оси, разделяется в нем на два луча – ВС и ВD. Луч ВС называется обыкновенным - «о» лучом, т. к. он подчиняется законам преломления и скорость его в кристалле не зависит от направления. Луч ВD называется необыкновенным – «е» лучом, т. к. он не подчиняется законам преломления и его показатель преломления зависит от направления распространения луча. Оба вышедших из кристалла луча «о» и «е» поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях: луч обыкновенный – в плоскости, перпендикулярной главной плоскости кристалла (на рис. 2 направление колебаний вектора Е показано точками на луче), луч необыкновенный – в главной плоскости кристалла (направление колебаний Е показано двойными стрелками на луче). Свойства обоих лучей после выхода из кристалла одинаковы, за исключением поляризации во взаимно перпендикулярных плоскостях. Чтобы использовать такие поляризованные лучи для технических целей, их надо отделить друг от друга. Это можно осуществить в призме Николя.

Призма Николя (сокращенно николь) состоит из двух прямоугольных призм исландского шпата (рис. 3), склеенных канадским бальзамом. Обыкновенный «о»

 

 

Рис. 3

 

луч, дойдя до слоя канадского бальзама, испытывает полное внутреннее отражение,

т. к. показатель преломления исландского шпата для обыкновенного луча больше показателя преломления канадского бальзама. В результате обыкновенный луч

отводится в сторону и поглощается в оправе николя. Необыкновенный «е» луч, не испытывая полного внутреннего отражения, проходит слой канадского бальзама,

т. к. показатель преломления исландского шпата для необыкновенного луча меньше показателя преломления канадского бальзама.

Таким образом, при помощи николя можно получить линейно поляризованный свет при падении на него естественного света или определить направление колебаний вектора Е в падающем на него поляризованном свете. В первом случае николь выполняет роль поляризатора Р, во втором – анализатора А. Система двух последовательно расположенных николей не пропускает свет, если они скрещены, т. е. если их главные сечения взаимно перпендикулярны. Если главные сечения параллельны, то интенсивность света, прошедшего анализатор, будет максимальной.

Существует ряд веществ, вращающих плоскость поляризации линейно поляризованного света и получивших название оптически активных. К оптически активным веществам относятся как твердые тела (кварц, киноварь, сахар и др.) так и многие жидкости (скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота и др.)

Измерение вращения плоскости поляризации в оптически активных веществах является широко распространенным аналитическим методом в ряде промышленных областей, в медицине и др. Вращение плоскости поляризации обусловлено особенностями структуры оптически активных веществ.

На эффекте вращения плоскости поляризации света основан простой и весьма точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ. Прибор, служащий для этих целей, называется поляриметром. На рис. 4 дана принципиальная оптическая схема поляриметра, а на рис. 5 – его внешний вид.

 

 

 

Рис. 4

 

Рис. 5

Естественный свет от источника S, пройдя через светофильтр F, становится монохроматическим. После прохождения через поляризатор Р, в качестве которого используется призма Николя, свет превращается в линейно поляризованный с колебаниями вектора Е в главной плоскости поляризатора (на рис. 4 это показано двойной стрелкой). Наблюдая в окуляр L1 поляриметра (рис. 5), поворачивают анализатор А рукояткой R так, чтобы свет не проходил через него – прибор установлен «на темноту». В этом случае главные плоскости поляризатора и анализатора взаимно перпендикулярны. Затем по-

мещают между ними трубку Т с раствором сахара. При этом поле зрения окуляра L₁ просветлеет, поскольку раствор повернет плоскость колебаний поляризованного света на некоторый угол j,и она уже не будет перпендикулярна главной плоскости анализатора. Очевидно, что на тот же самый угол j нужно повернуть анализатор, чтобы вновь установить прибор «на темноту». Углы поворота j анализатора отсчитывают по шкале, наблюдаемой через лупу L₂.

Для растворов оптически активных веществ угол поворота j плоскости поляризации света пропорционален толщине l слоя раствора и его концентрации c:

 

, (1)

где j ₀ – удельное вращение.

Удельное вращение характеризует вращательную способность вещества. Для раствора удельное вращение j ₀ равно углу, на который поворачивается плоскость поляризации линейно поляризованного света, проходящего через слой раствора единичной толщины и единичной концентрации. Удельное вращение зависит от рода вещества и вида растворителя, температуры раствора, длины волны света.

Для раствора исследуемого вещества удельное вращение j ₀ находится по углу поворота j ₁ плоскости поляризации света раствором этого же вещества известной концентрации с ₁ в трубке известной длины l ₁ по формуле:

(2)

По известному удельному вращению j ₀можно путем измерения угла поворота j ₂ плоскости поляризации света исследуемым раствором определить его неизвестную концентрацию с ₂: (3)

 

Порядок выполнения работы

 

1. Включить поляриметр в сеть, затем выключателем В (рис. 5) включить источ-

ник света поляриметра и дать ему прогреться 5-10 минут.

2. Открыть крышку камеры К и убедиться в том, что трубка с раствором сахара от-

сутствует.

3. Вращая втулку С окуляра L₁ зрительной трубы, установить максимальную рез-

кость изображения: чтобы четко была видна вертикальная линия, разделяющая поля сравнения на две половины.

4. Плавно и медленно поворачивая анализатор рукояткой R кремальерной передачи,

уравнять яркости левого и правого полукругов полей сравнения на полутеневую освещенность – «темноту», которая характеризуется тем, что:

1) поля сравнения уравнены при меньших яркостях; 2) незначительное вращение анализатора вызывает резкое нарушение равенства яркостей полей сравнения. Наблюдаемые при этом нулевые деления неподвижной внешней шкалы (лимба) и подвижного нониуса (отсчетного устройства) должны совпадать слева или справа.

5. Затем в камеру К поместить короткую трубку длиной l ₁ с раствором известной

концентрации c ₁ сахара, который просветляет одну из половинок поля зрения.

Плавно и медленно поворачивая анализатор рукояткой R, снова уравнять яркости полей сравнения «на темноту» и произвести отсчет угла j ₁по смещению «0» на лимбе и нониусе с точностью до 0,5⁰.

Для более точного (до сотых долей градуса) определения угла поворота анализатора необходимо воспользоваться шкалой нониуса (отсчетного устройства). Цена деления нониуса 0,02⁰. Оцифровка отсчетного устройства: «10» соответствует 0,10⁰; «20» соответствует 0,20⁰ и т.д. Первая от «0» риска на нониусе, совпадающая с риской на лимбе, дает десятые и сотые доли градуса.

Отсчет десятых и сотых долей градуса производят по левой и правой шкалам нониуса, затем находят их среднее значение. Полное значение угла поворота равно сумме числа градусов, отсчитанных по смещению нулей (или по смещению «0» и «180⁰») на лимбе и нониусе, и среднего значения десятых и сотых долей градуса.

Опыт повторяют пять раз и вычисляют среднее значение угла поворота < j ₁ >, при подстановке которогов формулу (2) находят удельное вращение j ₀ для раствора сахара.

6. Помещая длинную трубку с раствором сахара неизвестной концентрации в поляриметр, находят пять раз угол поворота анализатора j ₂ , рассчитывают среднее значение < j ₂ > и по формуле (3) определяют среднее значение концентрации < с ₂ >. Все измеренные и рассчитанные величины записывают в таблицу измерений и результатов расчетов.

Таблица измерений и результатов расчетов

 

№	l 1, м	c 1, %	j 1, град.	< j 1 >, град.	< j 0 >, град/м	l 2, м	j 2, град.	< j 2 >, град	< с 2 >, %

 

Контрольные вопросы

 

1. Какой свет называется поляризованным? Какие виды поляризации света Вы знаете?

2. Какими способами можно получить поляризованный свет?

3. Что такое естественный свет? Почему излучение естественных источников света неполяризовано?

4. Какой свет называется частично поляризованным?

5. Какие среды называются анизотропными?

6. Объясните явление двойного лучепреломления и его причину.

7. Устройство и принцип работы призмы Николя.

8. Как использовать призму Николя в качестве поляризатора, анализатора?

9. Какие вещества называются оптически активными?

10. Оптическая схема поляриметра и принцип его работы.

11. От чего зависит угол поворота плоскости колебаний поляризованного луча в оп-

тически активных растворах?

12. Что такое удельное вращение, от чего оно зависит и как его определить для ис-

следуемого вещества?

 

Задание № 2. Исследование поляризующей способности поляроидов

 

Цель работы: изучение устройства и принципа работы поляроида, экспериментальная проверка закона Малюса для поляроидов.

Приборы и принадлежности: два поляроида, фотоэлемент, осветитель, линза, микроамперметр.

 

 

Теория работы

 

Если пучок света проходит через поляризационный прибор, состоящий из двух идеальных поляризующих приспособлений (поляризатора и анализатора), создающих линейную поляризацию, то интенсивность света J, проходящего через прибор, определяется законом Малюса:

 

, (4)

где j - угол между плоскостями колебаний, пропускаемых поляризатором и анализатором; J ₀ - интенсивность падающего света.

Часто вместо дорогостоящих поляризационных устройств, изготовляемых из природных монокристаллов, применяются поляроиды – искусственно изготовленные пленки, в которые введено множество совершенно одинаково ориентированных мелких кристаллов сульфита йодистого хинина – герапатита. Герапатит обладает линейным дихроизмом: являясь двулучепреломляющим кристаллом, он раздваивает естественный свет на два луча – обыкновенный и необыкновенный, причем сильно поглощает луч обыкновенный, но хорошо пропускает луч необыкновенный, давая на выходе линейно поляризованный свет. Герапатит обладает селективностью, т. е. зависимостью коэффициента поглощения от длины волны. Поляризующие качества искусственных поляроидов довольно высоки, но все же уступают качествам, присущим природным монокристаллам.

В работе предлагается исследовать поляризующие свойства поляроидов на установке, в которую входят поляризационное устройство, фотоэлемент с микроамперметром, осветитель, линза, установленные на оптической скамье.

Поляризационное устройство состоит из двух поляроидов, у одного из которых есть оправа со шкалой, проградуированной в градусах; по этой шкале отсчитывается угол поворота поляризатора относительно анализатора.

Световой пучок, проходящий через поляроиды, падает на фотоэлемент, в цепь которого включен микроамперметр. Величина фототока i пропорциональна интенсивности J падающего на фотоэлемент света, т.е. i = kJ, где k - коэффициент пропорциональности.

Получив экспериментальную зависимость фототока i от угла поворота j ана-

лизатора , можно построить кривую зависимости

, (5)

где J _k - интенсивность света, падающего на фотоэлемент при различных углах поворота анализатора; J ₀ - интенсивность света при j = 0.

 

Порядок выполнения работы

 

1. На противоположных концах оптической скамьи установить осветитель, линзу,

поляризационное устройство и фотоэлемент; подобрать положение линзы так, чтобы на поляроиды падал параллельный пучок лучей (для этого источник света должен находиться в фокусе собирающей линзы).

2. Установить поляризационное устройство так, чтобы нулевое деление шкалы по-

ляризатора (первый поляроид) совпало с меткой на анализаторе (второй поляроид) - этому положению поляризационного устройства соответствует угол j = 0.

3. Поместить фотоэлемент на таком расстоянии от линзы, чтобы при j = 0 ток

микроамперметра не превышал максимального значения по шкале прибора.

4. Не меняя расстояния между фотоэлементом и линзой, исследовать зависимость

, меняя в поляризационном устройстве угол j поворотом анализатораот 0 до 90⁰ и производя измерения через каждые 10⁰.

5. Произвести три серии таких измерений, занести данные в таблицу измерений и

результатов расчетов и вычислить среднее значение J _k / J ₀ для каждого значения j.

 

Таблица измерений и результатов расчетов

 

№ п/п	j, град.	i, 10^-6 А		i, 10^-6 А		i, 10^-6 А			cos j	cos^2 j
…	…

6. Построить график

7. На этом же графике построить теоретическую кривую

Сравнение двух полученных кривых покажет, насколько хорошо данные поляроиды подчиняются закону Малюса.

Контрольные вопросы

 

1. Устройство поляроида и принцип его работы.

2. Как оценить степень поляризации частично поляризованного света?

3. Чем объясняется тот факт, что экспериментальная кривая не пересекает ось абсцисс при j = 90⁰?

 

 

Задание № 3. Изучение магнитного вращения плоскости поляризации

Цель работы: изучение явления магнитного вращения плоскости поляризации веществом, экспериментальное определение постоянной Верде для оптически активного вещества.

Приборы и принадлежности: поляриметр, трубка с обмоткой, растворы сахара различной концентрации, вольтметр, амперметр, ЛАТР.

Теория работы

 

В оптически активных веществах осуществляется естественное вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света. Однако и оптически неактивные вещества при помещении их в магнитное поле приобретают способность вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль направления магнитного поля. Это явление является магнитным эффектом и называется явлением Фарадея.

Угол поворота плоскости поляризации j _Н линейно поляризованного света, обусловленный магнитным эффектом, равен:

 

, (6)

 

где r - постоянная Верде; l - длина пути света в веществе; H - напряженность магнитного поля. Постоянная Верде r зависит от природы вещества, его температуры и от длины волны света.

Направление вращения плоскости поляризации (знак j_Н) зависит только от природы вещества и направления магнитного поля Н. Угол вращения считается положительным при вращении по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Большинство веществ дает правое, положительное вращение.

Оптически активное вещество в магнитном поле поворачивает плоскость поляризации линейно поляризованного света на угол j =j_е ± j _Н, где j _е - угол поворота при естественном вращении; j _Н– угол поворота при магнитном вращении.

Изменение направления магнитного поля изменяет лишь знак j _Н, но не влияет на знак угла естественного вращения j _е.

В лабораторной работе определяется постоянная Верде для водного раствора сахара путем измерения с помощью поляриметра угла естественного поворота j_е плоскости поляризации линейно поляризованного света при выключенной обмотке вокруг трубки, угла поворота j - при включенной обмотке. Угол поворота при магнитном вращении определяется по формуле

j _Н =j - j_е. (7)

 

Порядок выполнения работы

 

1. При помощи поляриметра определить угол естественного вращения j _еплос-

кости поляризации света водным раствором сахара в трубке № 1 при выключенной обмотке.

2. Включить обмотку и изменяя силу тока I через обмотку, определить углы поворота плоскости поляризации при каждом значении I.

3. Все углы j_е, j, j _Н пересчитать в минутах и занести в таблицу измерений и результатов расчетов.

4. Аналогичные измерения по пп. 1-3 проделать для трубки № 2 с раствором сахара другой концентрации.

5. Построить график зависимости j _Н (I) для раствора сахара № 1. По наклону прямой j _Н (I) вычислить постоянную Верде где N - число витков обмотки. Аналогично определить постоянную Верде для раствора сахара в трубке № 2.

6. Найти среднее значение постоянной Верде <r> для раствора сахара.

 

Таблица измерений и результатов расчетов

 

№ трубки с раствором сахара	j е, мин.	I, А	j, мин.	j Н , мин.	r,	<r>,

 

Контрольные вопросы

 

1. В чем заключается эффект Фарадея?

2. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации оптически активного ве-

щества в магнитном поле?

3. Что называется постоянной Верде и от чего она зависит?

 

Литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 25, § 190, 192,

193, 194, 196.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XIХ,

§ 134, 136, 141.

3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VII, § 58-60.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4–10