Вопрос 6. Вращение плоскости поляризации. Поляриметрия

Некоторые вещества, называемые оптически активными, поворачивают плоскость электрических колебаний поляризованного света, проходящего сквозь них, не изменяя при этом амплитуду колебаний. Это явление называется вращением плоскости колебаний поляризованного света (или вращением плоскости поляризации).

К оптически активным веществам относится ряд твердых тел: кварц, киноварь, сахар и др., а также многие жидкости: скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота и т.д. Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу) называются правовращающими, а вещества, поворачивающие эту плоскость в противоположном направлении – левовращающими. Многие оптически активные вещества, существуют в 2-х разновидностях – право- и левовращающей.

Вращение плоскости колебаний поляризованного света обусловлено особенностями структуры активных веществ (асимитричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии).

Угол поворота плоскости колебаний поляризованного света пропорционален толщине ℓ слоя вращающего вещества, сквозь который проходит свет:

(3)

α₀ – постоянная вращения или удельное вращение и измеряется в (град/мм) или угл.мин.м²/кг (α измеряется в угловых минутах).

Удельное вращение - α₀, характеризует вращательную способность вещества.

Для растворов был установлен следующий количественный закон:

(4)

С – концентрация оптически активного вещества;

ℓ - толщина слоя раствора;

α₀ – удельное вращение.

α₀ ~ обратно пропорционально квадрату длины волны и зависит от температуры и свойств растворителя.

Например, слой водного раствора тростникового сахара толщиной 1 дм при концентрации 1г сахара на 1см³ раствора поворачивает плоскость колебаний красного света (λ = 0,656 мкм) – на 53⁰, желтого света (λ = 0,589 мкм) – на 66,5⁰ и зеленого света (λ = 0,555 мкм) – на 82 ⁰. Это явление называется вращательной дисперсией.

Или, удельное вращение в угл.мин.м²/кг при температуре 20⁰С и длине волны λ = 589,3 нм (0,589 мкм) – желтый свет, имеет для раствора сахара следующие значения: для тростникового α₀ = +39,86, для виноградного –α₀ = +31,50(правое вращение), для фруктового α₀ = -55,14(левое вращение). Явление оптической активности положено в основу очень точного и быстрого метода определения концентрации С оптически активного вещества. Принципиальная оптическая схема такого метода представлена на рис. 15

рис.15

Анализатор – А может вращаться вокруг оси, совпадающей с лучом света. В процессе измерений определяют два его положения, при которых свет не проходит сквозь систему, содержащую в одном случае кювету с растворителем, во втором – кювету с раствором оптически активного вещества. В результате определяют угол α поворота плоскости поляризации света, прошедшего слой исследуемого вещества толщиной ℓ. По формуле (4) С = α/α₀ ℓ можно определить концентрацию исследуемого вещества. Специальные приборы, используемые для определения С оптически активных веществ, называются поляриметрами. Если поляриметры предназначены для определения сахара, то они называются сахариметрами. Поляриметр позволяет измерять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость вращения от длины волны α₀ = f(λ)(т.е. дисперсию оптической активности). В настоящее время для этих целей применяют спектрополяриметр.

Оптически неактивные вещества способны также вращать плоскость поляризации света, если поместить их в магнитное поле. Это явление обнаружил Фарадей в 1845г. Угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути ℓ, который проходит свет в веществе, и намагниченности – I вещества, пропорциональной напряженности Н магнитного поля:

(5)

V – коэффициент пропорциональности – постоянная Верде или удельное магнитное вращение. Значение V зависит от природы вещества, длины волны λ и для большинства веществ практически не зависит от температуры. Значение постоянной Верде – V не превышает нескольких угловых минут на ампер. Так, для бензола оно составляет 2,59 угл.мин./А, для воды – 0,016, для сероуглерода – 0,053, для этилового спирта – 1,072 угл.мин./А.

Жидкие кристаллы, как уникальные представители веществ, обладающих анизотропными механическими, тепловыми, электрическими и магнитными свойствами, способны вращать плоскость поляризации света, что широко используется при изготовлении жидкокристаллических индикаторов.

Литература:

1. И.И. Наркевич и др. Физика. – Мн.: Издательство «ООО Новое издание», 2004.

2. Р.И. Грабовский. Курс физики. – С.Пб – М. – Краснодар: Издательство «Лань»,2006.

3. А.Н.Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики. – М.: Издательство «Высшая школа», 1982.

4. В.Д.Дмитриева. Физика. – М.: Издательство «Высшая школа», 2001.

5. Л.А.Аксенович, Н.Н.Ракина. Физика. – Мн.: Издательство «Дизайн ПРо»,2001.

6. П.С.Кудрявцев. Курс истории физики. – М.: Издательство «Просвещение», 1974.

Поиск по сайту: