Поляризованный свет.

Краткая теория

1. Естественный свет.

Согласно электромагнитной теории света, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну (см. график) в которой вектор напряженности электрического поля и вектор индукции магнитного поля с течением времени изменяются по закону синуса (косинуса). Эти векторы и колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях. То есть между векторами и всегда прямой угол. Если этот угол в пространстве ориентирован во всевозможных направлениях, то мы имеем дело с естественным светом. - направление распространения электромагнитной волны (скорости света). . (рис.1.1)

 

Рис 1.1.

Когда свет распространяется в веществе, то главную роль играет вектор электрической напряженности, потому что переменное электрическое поле воздействует на заряженные частицы вещества (электроны и ионы). Влияние магнитного поля на них незначительно. Источники естественного света: солнце, лампы накаливания и др.

Поляризованный свет.

Если угол между и строго ориентирован в пространстве, т.е. колебания вектора происходят в одной плоскости, то свет называют плоскополяризованным. На рис.1 показан график плоскополяризованной электромагнитной волны.

Естественный свет можно превратить в плоскополяризованный. Способы такого превращения следующие:

1. Отражение света от неметаллических поверхностей, например, стекла.

2. Преломление света на границе двух прозрачных сред.

3. Прохождение света через кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением (исландский шпат, кварц, турмалин и другие). При отражении и преломлении света появляются лучи отражённый и преломлённый. Они частично поляризованы.

Учёный Брюстер открыл закон: Если тангенс угла падения естественного света равен показателю преломления второй среды относительно первой, то отражённый луч будет полностью плоскополяризован.

tg i _б= n _2,1 (1.1)

Где i _б - угол падения луча. Он же угол полной поляризации или угол Брюстера.

 

Поляризация света при прохождении через некоторые кристаллы осуществляется за счёт поглощения света. Эти кристаллы анизотропны, т.е. в разных направлениях свет поглощают неодинаково. В результате у света, прошедшего кристалл (шпат, турмалин и др.), колебания вектора происходят в одной определенной плоскости, Интенсивность J такого света уменьшается вдвое по сравнению с интенсивностью J ₀ естественного света, входящего в кристалл (за счет поглощения кристаллом).

Устройство, позволяющее превращать естественный свет в поляризованный, называется поляризатором. Человеческий глаз не может отличить поляризованный свет от естественного. Но если между поляризатором и глазом. поместить второй поляризатор и его поворачивать, то интенсивность света, прошедшего через второй поляризатор будет зависеть от угла поворота b.

J ₂= J ₁×cos² b (1.2) Закон Малюса

где: J ₁, - интенсивность поляризованного света, который вышел из поляризатора.

J ₂ - интенсивность плоскополяризованного света, который вышел из поляризатора.

Угол b - угол между главными плоскостями этих поляризаторов. Второй поляризатор называют анализатором, т. к. он позволяет человеку анализировать свет. т.е. обнаруживать поляризацию. Если b =0, то анализатор поляризованный свет пропустит. Если поляризатор и анализатор скрещены (), то человек видит темноту, потому что анализатор поляризованный свет задерживает полностью При других углах - частично.

Рис. 3. Анализатор повернут на угол 90º

Существуют вещества, способные вращать плоскость колебаний вектора . Эту плоскость ещё называют плоскостью поляризации.

Вещества, вращающие плоскость поляризации, называют оптически активными.

К ним относятся: кварц, киноварь, сахар, никотин, скипидар, винная кислота, некоторые антибиотики.

Для оптически активных растворов справедлив закон Био:

a = j × С × l × r (1.4)

В этой формуле a - угол вращения плоскости поляризации; j - удельное вращение, зависящее от рода вещества, длины волны света и температуры; С - концентрация вещества в растворе; l - толщина раствора; r - плотность раствора.

Выраженное в процентах отношение массы растворённого вещества m ₁ к массе раствора m называют процентной концентрацией вещества:

(1.5)

Плотность раствора . (1.6)

Если (1.5.) без процентов и (1.6.) подставить в (1.4.), то

a = j × C '× l (1.7)

где: объемная концентрация активного вещества, т.е. масса, активного вещества в единице объема.

Из формулы (1.7.) и (1.4.) видно, что

С'=C×r и ×100% (1.8)

Из формулы (1.7.)видно, что зная угол поворота a толщину раствора l и удельное вращение j можно определить как объемную C ' так и процентную С % концентрацию активного вещества. Для этого служат приборы - поляриметры (сахариметры). Сахариметр - это поляриметр, которым измеряют концентрацию сахара в оптически активных растворах.