Теоретичні відомості. Плоскополяризоване світло з природного (неполяризованого) можна отримати за допомогою поляризатора, наприклад поляризаційної призми Ніколя

Плоскополяризоване світло з природного (неполяризованого) можна отримати за допомогою поляризатора, наприклад поляризаційної призми Ніколя. Після проходження призми вектор світлової хвилі (відповідно і вектор ) коливатиметься строго в одній площині, яка буде паралельною головній площині цієї призми. Виявити поляризацію цієї хвилі можна за допомогою іншої такої самої призми (аналізатора). Інтенсивність світла, що проходитиме крізь дві призми, буде залежати від кута між головними площинами цих призм. Перша пластина Т₁ (рис. 1) є поляризатором, друга Т₂ – аналізатором.

Амплітуда світлової хвилі Е, яка проходить через аналізатор, буде меншою амплітуди світлових коливань Е ₀:

,

де – кут між осями поляризатора та аналізатора.

Так як інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди, то:

– закон Малюса,

де – інтенсивність світла після проходження аналізатора;

– інтенсивність світла, що падає на аналізатор.

Якщо вісі поляризатора і аналізатора паралельні (паралельні поляризатори), то , , I = I ₀.

Якщо вісі взаємно перпендикулярні (схрещені поляризатори), то , , I = 0.

Отже, обертаючи аналізатор навколо оптичної осі системи, можна змінювати інтенсивність світла.

У 1811 р. французький фізик Араго виявив, що якщо в простір між схрещеними призмами помістити перпендикулярно до оптичної осі пластину з кварцу, то спостерігатиметься просвітлення, яке виникає, коли положення площини поляризації світла після проходження пластини з кварцу змінюється, вона повертається на деякий кут .

У тому, що існує лише поворот площини поляризації, а не деполяризація світла, можна переконатися, повернувши аналізатор на такий самий кут і знову домогтися повного згасання світла.

Явище повороту площини поляризації плоскополяризованого світла під час проходження деяких речовин називається обертальною поляризацією. Речовини, здатні викликати такий поворот, називаються оптично активними речовинами (ОАР). До ОАР крім кварцу належать кіновар, винна кислота, розчин цукру та ін. Існує як праве (за ходом годинникової стрілки), так і ліве (проти ходу годинникової стрілки) обертання площини поляризації. Причиною повороту площини поляризації світла для рідких оптично активних середовищ (цукор у розчині) є анізотропія самих молекул такої речовини, а для твердих тіл (кварц) – асиметричне (гвинтове) розміщення однотипних структурних атомних груп у кристалічній гратці.

Формальне пояснення явища повороту площини поляризації було виконано Френелем. Вважатимемо плоскополяризоване світло за суму двох циркулярно поляризованих компонент з протилежним напрямом обертання вектора . В ОАР швидкості поширення таких компонент неоднакові. Отже, після проходження ОАР вектор лежатиме в новій площині. Наприклад, якщо циркулярно поляризований промінь з правим (за ходом годинникової стрілки для спостерігача) обертанням матиме більшу швидкість, ніж з лівим, то після виходу з ОАР вектор світла виявиться повернутим на кут вправо.

Експериментально встановлено, що кут повороту площини поляризації в твердих ОАР прямопропорційний шляху світла в цьому середовищі (товщині пластини ):

,

де – стала обертання.

У розчинах кут повороту площини поляризації дорівнює:

,

де С – масова концентрація оптично активної речовини у розчині;

– питоме обертання площини поляризації, що дорівнює куту повороту цієї площини за одиничної концентрації С і одиничного шляху . За одиничну концентрацію цукру приймається концентрація 1г/100см³ розчину, а за одиничний шлях – 1дм. Отже:

, . (1)

Знаючи питомий кут повороту даної речовини, можемо визначити концентрацію С цієї речовини у невідомому розчині:

. (2)

Подібні вимірювання проводяться на цукрових заводах, у медичних лабораторіях, під час хімічних досліджень. Прилади, які використовуються для таких вимірювань, називаються поляриметрами (в окремому випадку – сахариметрами). Сахариметр, який використовується в цій роботі, належить до так званих напівтіньових поляриметрів, які встановлюють не на темряву поля зору (у разі схрещених призм чи під час згасання світла після проходження ОАР), а на однакову освітленість обох половин цього поля, які освітлюються одним з двох променів, що йдуть від двох поляризаторів з малим кутом між їх головними площинами.

Невеликий поворот аналізатора помітно зменшує освітленість одного напівполя і збільшує освітленість іншого. Оскільки людське око чутливе до різниці освітленості, то використання напівтіньових поляриметрів дозволяє виміряти поворот площини поляризації з точністю до 0,01⁰.

Найпростішу схему поляриметра показано на рис. 2.

Рис. 2.

Потік природного світла від лампи (л) через світлофільтр (с/ф) падає на призму поляризатора (П), який являє собою дві схрещені призми Ніколя, що надають поляризоване світло з площинами, які утворюють рівні кути a з головною площиною аналізатора (А). Далі поляризоване світло проходить через кювету (К), компенсаційний клин (Кл), здатний обертати і праворуч, і ліворуч до площини поляризації, аналізатор (А) та попадає в окуляр (Ок).

У початковому стані (позиція „а”, рис. 1) кювета з розчином відсутня, клин знаходиться в нейтральному положенні, і аналізатор однаково пропускає обидві половини потоку в зорову трубу. У цьому стані спостерігається поділене тонкою лінією рівномірно освітлене поле зору окуляра, тому що згідно з законом Малюса інтенсивності лівої та правої половин поля зору однакові:

.

Якщо між поляризатором і аналізатором розмістити кювету з речовиною, обертаючи площину коливань (поворот на кут ), то рівність кутів між площинами поляризації двох половин світлового потоку та площиною аналізатора порушується, і аналізатор по-різному пропускає ліву та праву частини потоку. Поле зору різко розділяється на дві по-різному освітлені половини ( > , позиція „b”).

Для вирівнювання освітленості поля зору (позиція „с”) необхідно повернути площини поляризації обох половин світлового потоку знову на той самий кут (). Це здійснюється за допомогою компенсатора, який складається з нерухомого кварцового клина та рухомого, з яким пов’язане переміщення стрілки по шкалі приладу. Переміщенням одного клина відносно іншого можна підібрати потрібну для компенсації кута товщину кварцової пластинки та домогтися рівності освітленості полів зору окуляра, одночасно визначивши кут обертання площини поляризації .