Изучить принцип работы сахариметра – поляриметра.
Исследовать зависимость угла вращения плоскости поляризации от концентрации сахара в растворе.
Определить концентрацию неизвестного раствора.
поляриметр, набор кювет с растворами.
Основные направления применения поляризованного света в медико-биологических исследованиях:
определение сахара в моче (поляриметрия – сахариметрия);
при гистологических исследованиях (поляризационная микроскопия), исследуются мышечные, коллагеновые волокна (оптически анизотропные участки) без окрашивания и дополнительного воздействия на объект;
выделение лево- и правовращающих изомеров;
Теоретическая часть
Свет это электромагнитные волны с длинами от 380 до 760 нм. Отдельный квант, излучаемый атомом, можно представить в виде электромагнитной волны, представленной на рисунке 1. При воздействии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая волны, которая воздействует на электроны в атомах вещества. Поэтому вектор напряженности электрической составляющей волны называют световым вектором. Плоскость, в которой происходит изменение светового вектораЕ, называют плоскостью колебаний электромагнитной волны. Плоскость, проходящая через векторНи направление распространения электромагнитной волны, называется плоскостью поляризации.
Рис. 1. Изображение электрической Еи магнитнойHсоставляющих кванта света, распространяющегося вдоль оси Х.
Это первая лабораторная работа по физике. Поэтому она проводится при пошаговом выполнении с параллельным обсуждением и ознакомлением учащихся с требованиями к ее оформлению
Световой поток представляет собой совокупность поперечных электромагнитных волн, излучаемых множеством отдельных атомов. Если колебания светового вектора Епроисходят в одной плоскости, то такой свет называютплоско поляризованным(илилинейно – поляризованным) – (рис. 2б). В обычных источниках света каждый атом испускает кванты, световой вектор у которых совершает колебания в различных плоскостях. Такой свет называетсянеполяризованнымили естественным (рис. 2а). Если имеется преимущественное (но не единственное) направление колебаний вектораЕ, то такой свет называется частично поляризованным (рис. 2в).
Рис. 2. Схематическое изображение изменения светового вектора Ев: а) естественном; б) плоско поляризованном; в) частично поляризованном свете.
Получение поляризованного света
При отражении от диэлектриков. При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков отраженный и преломленный лучи частично поляризуются. Если выполняется соотношение из закона Брюстера:
,
где i– угол падения луча,n- относительный показатель преломления диэлектрика, то отраженный луч полностью поляризуется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломленный луч поляризуется частично, и в нем преобладают колебания, параллельные плоскости падения (рис. 3).
Эффект поляризации отраженного света используют для обнаружения с воздуха или из космоса пленок нефти на поверхности воды. Поляризация света при отражении и преломлении применяется для получения поляризованного света (например, стопа Столетова).
Рис. 3. Поляризация света при отражении от диэлектрика (i– угол полной поляризации, угол Брюстера).
Двойное лучепреломление. Большое практическое значение имеет эффект поляризации света при его прохождении через среды, обладающие оптической анизотропией (зависимость оптических свойств среды от направления распространения в ней света). Оптически анизотропными являются большинство прозрачных кристаллов, например исландский шпат, кварц, турмалин. В анизотропных средах скорость света, а, следовательно, и показатель преломления различны по разным направлениям. Это объясняется тем, что вынужденные колебания электронов падающей световой волной в определенных направлениях возбуждаются легче, чем в других, и скорость результирующей волны кристалла в этих направлениях также отличается. В результате происходит двойное лучепреломление, то есть световой луч разделяется на два луча (рис. 4), которые получили названиеобыкновенного (о) инеобыкновенного (е). Для обыкновенного луча выполняются законы преломления света и его показатель преломленияnоне зависит от направления распространения света в кристалле. Для необыкновенного луча законы преломления света не выполняются, а его показатель преломленияnезависит от направления распространения света в кристалле.
Рис. 4. Двойное лучепреломление при перпендикулярном падении луча естественного света на грань кристалла исландского шпата (о – обыкновенный луч, e– необыкновенный,N– оптическая ось кристалла).
Направление, вдоль которого скорости обыкновенного и необыкновенного лучей совпадают, то есть оптические свойства кристалла не отличаются, называется оптической осьюкристалла. Вдоль оптической оси расщепления луча не происходит. Плоскость, проходящая через падающий луч и оптическую ось кристалла, называется главной плоскостью кристалла. Если показатель преломления обыкновенного луча больше, чем необыкновенного (nоnе), то кристалл называется отрицательным, а приnоnе– положительным. Оба луча, вышедшие из двоякопреломляющего кристалла (рис. 4), полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях и, если кристалл не поглощает света, то:
,
где Iест- интенсивность естественного (падающего) света, аIоиIе– интенсивности обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно.
С точки зрения принципа Гюйгенса двойное лучепреломление объясняется тем, что в анизотропном кристалле при падении световой волны в каждой точке ее поверхности возбуждается одновременно две элементарные волны: сферическая и эллипсоидальная. В связи с этим в кристалле образуются две результирующие волны – обыкновенная и необыкновенная, имеющие различные фазовые скорости и направления распространения в кристалле.
Явление двойного лучепреломления используется для получения поляризованного света с помощью специальных устройств.
Поляроиды.Поляризационные светофильтры. Некоторые двояко преломляющие кристаллы способны по-разному поглощать обыкновенный и необыкновенный лучи. Это свойство называетсядихроизмом, а сами кристаллыдихроичными. Такие кристаллы даже при незначительной толщине (например, 1 мм для турмалина и 0,1 мм для герапатита) способны полностью поглощать обыкновенный луч. Это свойство используется при изготовлении поляроидов.
Поляроиды (поляризационные светофильтры) представляют собой прозрачную, поляризующую свет пленку, содержащую множество мелких одинаково ориентированных кристалликов (например, герапатита – сернокислого иодохинина). Проходя сквозь поляроид, естественный свет почти полностью поляризуется. При этом обыкновенный луч полностью поглощается и используется только необыкновенный луч.
Призма Николя(николь). Действие призмы Николя основано на явлении двойного лучепреломления и полного внутреннего отражения. Николь – призма из исландского шпата, состоящая из двух частей склеенных канадским бальзамом. Последний имеет показатель преломления меньше, чем исландский шпат. Обыкновенный луч (о), падая на склейку под углом больше предельного, испытывает полное внутреннее отражение и выводится за пределы призмы (рис. 5) или поглощается зачерненной нижней гранью. Луч необыкновенный (е) выходит из николя параллельно нижней грани (рис. 5). Благодаря хорошим спектральным характеристикам для исследований в поляризованном свете используется в основном призма Николя.
Рис. 5. Ход лучей в призме Николя (1 – исландский шпат; 2 – канадский бальзам; о – обыкновенный луч; е – необыкновенный).
Устройство, при помощи которого получают поляризованный свет называется поляризатором. Однако глаз не различает естественный и поляризованный свет, поэтому наряду с поляризатором в приборах применяютанализаторы. При прохождении через поляризатор и анализатор интенсивность световой волны изменяется по закону Малюса:
, (1)
где Iп– интенсивность света, вышедшего из поляризатора,Iа– интенсивность света, вышедшего из анализатора,- угол между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора. При= 0 (плоскости поляризации поляризатора и анализатора параллельны) интенсивностьIа– будет максимальной и равной
,
при «скрещенных» поляризаторе и анализаторе (φ =π/2) Iа– будет равной нулю.
Таким образом, скрещенные поляризатор и анализатор не пропускают свет, но если между ними поместить оптически анизотропное вещество, то поле зрения просветляется. Это объясняется тем, что поляризованный свет в анизотропном веществе раздваивается на два луча, приобретающие в его толще определенную разность хода. Анализатор выбирает из обоих лучей колебания одного направления. Пройдя анализатор и будучи когерентными, они интерферируют, усиливая или ослабляя друг друга, в зависимости от разности хода. При наблюдении в белом свете поле зрения будет цветным.
Описанное явление лежит в основе работы поляризационного микроскопа, предназначенного для исследований оптически анизотропных объектов. Для этого обычный микроскоп снабжается двумя николями – поляризатором и анализатором, расположенными по обе стороны от предметного столика и предварительно настроенными на темноту. При введении препарата поле зрения просветляется в тех местах, где он обладает анизотропией. Если препарат неоднороден (по толщине или ориентации оптических осей), то разность хода для разных его участков будет отличаться, и интерференционная картина позволит выявить структуру препарата. В белом свете поворот предметного столика с препаратом сопровождается сменой цветов, что тоже используется для определения структуры объектов. Поляризационный микроскоп позволяет изучить процесс деления клетки, строение хромосом. При помощи поляризационного микроскопа проводятся гистологические исследования структур мышечных, коллагеновых и нервных волокон, обладающих оптической анизотропией.
Поляризованный свет также используется для исследования оптически активных веществ. Оптически активныминазываются вещества, способные вращать плоскость поляризации света. Оптической активностью обладают кристаллы (кварц, киноварь), жидкости (скипидар), растворы (водные растворы сахара, яблочной кислоты, спиртовой раствор камфары). Оптическую активность проявляют многие природные соединения: белки, сахара, углеводы, гормоны, эфирные масла.
При прохождении через такие вещества поляризованного света плоскость его колебаний постепенно поворачивается вокруг оси светового пучка на угол, пропорциональный толщине слоя вещества. Различают право- и левовращающие вещества, у которых вращение плоскости поляризации идет по часовой стрелке или – против, соответственно.
У растворов оптически активных веществ угол вращения плоскости поляризации монохроматического света зависит от природы вещества, температуры, концентрации С и толщины слоя L:
, (2)
где – удельное вращение, зависящее от природы растворенного вещества; выбора растворителя; длины световой волны и температуры. Численно равно углу, на который поворачивается плоскость поляризации монохроматического светового луча с длиной волны =589 нм, прошедшего через раствор единичной концентрации (1г/100 мл), находящийся в кювете единичной длины (1 дм).
Если падающий свет не является монохроматическим, то угол вращения плоскости поляризации для данного вещества зависит от длины волны по закону Био:
, (3)
где а – постоянная, зависящая от природы вещества. Метод исследования, использующий оптическую активность вещества, называют поляриметрией. Для того, чтобы устранить влияние световой волны на угол вращения, исследования проводят в монохроматическом свете (применяют светофильтры).
Если использовать белый свет, то анализатор при повороте будет поочередно пропускать лучи различной длины волны, и поле зрения будет менять цвет. Это явление называется дисперсией оптической активности (вращательной дисперсией) и используется при определении структуры веществ, характера внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействия, а сам метод называется спектрополяриметрией и в медицине используется при изучении биополимеров.