Поляриметрические методы анализа (стр. 6 из 7)
Достаточно просто устроен полярископ-поляриметр ПКС-56 (рисунок 2.10). Он состоит из источника света 1 (лампа накаливания), матового стекла 2, поляризатора 3 (поляроид, вклеенный между стеклами), четвертьволновой пластинки 5, анализатора 6 и светофильтра 7 (максимум пропускания при 0.54 мкм). Порядок измерения на приборе следующий: скрещивают поляризатор и анализатор (отсчет по лимбу анализатора 0°, поле зрения темное); устанавливают образец 4 (если он обладает двойным лучепреломлением, то в поле зрения наблюдается просветление); поворачивают анализатор до максимального потемнения в середине образца; по лимбу отсчитывают угол поворота Db анализатора.
Рисунок 2.10 - Опическая схема полярископа-поляриметра ПКС-56
(пояснения в тексте)
Определив Db, можно определить no-ne из соотношения
 | (1.4) |
где l — толщина образца. При l=10 мм погрешность измерения no-ne составляет ±3×10-7. С увеличением l погрешность уменьшается.
Несколько более сложную схему имеет малогабаритный поляриметр ИГ-86 (рисунок 2.11), предназначенный для визуального исследования напряженного состояния изделий с помощью оптически чувствительных покрытий. Он позволяет наблюдать интерференционную картину в условиях плоской и круговой поляризации и измерять оптическую разность хода как методом сопоставления цветов, так и компенсационным методом.
Рисунок 2.11 - Опическая схема малогабаритныого поляриметра ИГ-86
(пояснения в тексте)
Источник света 1 (лампа СЦ-61) размещен в фокусе объектива 3. Защитные стекла 2, 7 и 12 предохраняют прибор от попадания в него загрязнений. Параллельный пучок лучей проходит поляризационный светофильтр (поляризатор 4), полупрозрачное зеркало 8 и, отразившись от светоделительного слоя, падает на оптически чувствительное покрытие 6, нанесенное на исследуемый объект 5. После отражения от покрытия свет попадает в анализаторный узел прибора, проходит компенсатор 9, анализатор 10 и попадает в зрительную трубу (сменное увеличение 2 и 10´) со шкалой в совмещенной фокальной плоскости объектива 11 и окуляра 13. Перед глазной линзой окуляра и выходным зрачком 15 устанавливается светофильтр 14. Такая оптическая схема получила наименование Т-образной схемы. Предел измерения оптической разности хода - от 0 до 5 интерференционных порядков. Погрешность измерения - 0.05 интерференционных порядков.
Схема типичного фотоэлектрического модуляционного поляриметра, позволяющего измерять меняющуюся во времени разность фаз о- и е-лучей, показана на рисунке 2.12.
Рисунок 2.12 - Опическая схема фотоэлектрическиого модуляционного поляриметра
(пояснения в тексте)
Лучистый поток источника света 1 сверхвысокого давления проходит через иитерференционный светофильтр 2, поляризатор 3 и исследуемый объект 4, ориентированный так, что направления колебаний в о- и е-лучах составляют углы p/4 с направлением колебаний в луче, вышедшем из поляризатора. Выходящий из объекта 4 эллиптически поляризованный свет попадает на пластину 5, изготовленную из одноосного кристалла (например, кристалла ADP - дигидрофосфата аммония NH4H2PO4, вырезанную так, что ее плоскости перпендикулярны оптической оси) позволяющего реализовать эффект Поккельса и обеспечить модуляцию проходящего светового потока. При приложении к пластине 5 переменного электрического напряжения в направлении, параллельном оси лучистого потока и оптической оси кристалла, последний становится двухосным. Новые оптические оси образуют симметричные углы p/4 с прежним направлением оси, а проходящий через нее свет претерпевает двойное лучепреломление. Возникающая при этом разность фаз пропорциональна напряжению электрического поля и не зависит от толщины пластины 5. В связи с возникающей переменной разностью фаз эллиптически поляризованный свет периодически меняет форму эллипса поляризации. В результате на выходе компенсатора 6 плоскость линейно поляризованного света колеблется относительно среднего положения. После анализатора 11 модулированный поток света попадает на фотодетектор 10, сигнал с которого с основной частотой, соответствующей первой гармонике, поступает в усилитель 8 и приводит в действие сервомотор 9, поворачивающий анализатор 1l до тех пор, пока первая гармоника присутствует в сигнале. Остановка соответствует положению анализатора, при котором на фотодетектор падает минимальный поток излучения. Регистрирующее устройство 7 (например, самописец) фиксирует углы поворота анализатора, причем измеряемая разность фаз равна удвоенному углу поворота анализатора.
3. Методические указания к выполнению лабораторной работы
“Поляриметрическое определение концентрации вещества
в растворе. Проверка закона Био при разных длинах волн”
Цель работы: Изучение принципа работы поляриметра. Определение концентрации оптически активного вещества в растворе. Экспериментальная проверка закона Био на разных длинах волн.
Краткая теория
 Рисунок 1 – “Мгновенный портрет”электромагнитной волны. | Световые волны представляют собой поперечные электромагнитные волны. В такой волне вектор напряженности электрического поля E перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля H и направлению распространения волны r (рисунок 1). Плоскость, содержащую луч и электрический вектор, называют плоскостью колеба- |
ний, а плоскость, содержащую луч и магнитный вектор - плоскостью поляризации. Плоскополяризованный свет можно получить из естественного света с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую называют плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости.
 Рисунок 2 - Прохождение плоскополяризованного света через поляризатор П | Если пропустить через поляризатор П плоскополяризованный свет так, чтобы плоскость колебаний вектора Е составляла с плоскостью поляризатора АА¢угол j (рисунок 2), то через него пройдет только параллельная составляющую ЕJ вектора Е. Амплитуда прошедших через поляризатор колебаний будет равна ЕJ=½Е½cosj (1) |
На практике измеряют обычно интенсивность, а не амплитуду. Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды, тогда для прошедшей через поляризатор интенсивности I можно записать
| I=I0cos2b. | (2) |
Соотношение (2) носит название закона Малюса.
При прохождении плоскополяризованного света через чистые жидкости (скипидар, никотин и др.) некоторые растворы (водные растворы сахара, винной кислоты и др.) и кристаллические вещества (кварц, рутил и др.) изменяется пространственная ориентация плоскости колебания вектора E, то есть плоскость поляризации поворачивается. Такие вещества называются оптически активными.
Явление вращения плоскости поляризации схематически показано на рисунке 3. Как видно из рисунка, ориентация плоскости колебаний вектора E после прохождения оптически активного вещества изменяется на угол Dj. В этом случае говорят, что произошел поворот плоскости поляризации на угол Dj.
Рисунок 3 - Явление вращения плоскости поляризации.
В работе используется экспериментальная установка (модифицированный поляриметр СМ-3), блок-схема которой показана на рисунке 4.
Рисунок 4 - Блок-схема экспериментальной установки:
1- источник излучения (светодиод), 2-поляризатор,
3-гнездо для кюветы с раствором оптически активного вещества,
4-анализатор, 5-шкала поворота поляризатора, 6-телескопическая система
Порядок выполнения работы
Приготовление растворов исследуемых веществ
и подготовка к измерениям