Nr. ćw. 307	Data 22.05.01	Jakacki Zbigniew	Wydział Elektryczny	Semestr II	Grupa E-3
Prowadzący: mgr B. Jazurek			Przygotowanie	Wykonanie	Ocena

Temat : Badanie skręcenia płaszczyzny polaryzacji

przez roztwory za pomocą polarymetru.

1. Wiadomości teoretyczne

Źródła naturalne emitują światło niespolaryzowane, tzn. drgania wektora świetlnego odbywają się we wszystkich możliwych płaszczyznach, na których kierunek promieni leży (patrz: rys 1.1). Ustawienie polaryzatora na drodze promieni, spowoduje, że przepuści on tylko te promienie, w których drgania odbywają się w jednej płaszczyźnie. Tak więc spolaryzuje je liniowo (końce wektorów świetlnych leżą na linii prostej). Linie równoległe na polaryzatorze (w rzeczywistości niewidoczne) przedstawiają charakterystyczne kierunki polaryzacji płytki.

Istnieje kilka sposobów uzyskania światła spolaryzowanego liniowo:

1. przy odbiciu światła od granicy dwóch ośrodków - zarówno promień odbity, jak i załamany zostają częściowo spolaryzowane. Stopień polaryzacji zależy od kąta padania. Jeśli dobierzemy go tak, aby kąt między promieniami odbitym i załamanym był prosty (Rys. 1.2; kąt ς _P), wówczas promień odbity jest całkowicie spolaryzowany w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania, natomiast promień załamany jest spolaryzowany częściowo, z przewagą drgań w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny padania. Kąt ς _P nazywamy kątem całkowitej polaryzacji lub katem Brewstera. Stopień polaryzacji wiązki załamanej można zwiększyć przepuszczając ją przez zespół płytek równoległych.

2. poprzez zjawisko podwójnego załamania - przez kryształy anizotropowe padająca wiązka ulega rozdzieleniu na dwie: zwyczajną (o) i nadzwyczajną (e), posiadające wzajemnie prostopadłe płaszczyzny drgań. Wiązka nadzwyczajna nie spełnia prawa załamania światła (prawa Snella), gdyż promienie o i e mają różne prędkości. Prędkość V_o jest stała we wszystkich kierunkach kryształu, natomiast V_e zmienia się zależnie od właściwości kryształu. Kierunek w krysztale anizotropowym, dla którego V_o=V_e nazywamy osią optyczną kryształu. Promień biegnący w krysztale równolegle do osi optycznej nie ulega podwójnemu załamaniu. Jeżeli usuniemy jedną z wiązek, na wyjściu kryształu anizotropowego otrzymamy światło spolaryzowane liniowo (efekt pryzmat Nicola).

3. przez polaroidy - niektóre podwójnie załamujące kryształy (lub duża ilość małych kryształków umieszczonych na płytce plastycznej, tak że ich osie optyczne są względem siebie równoległe) mają własność zwaną dichroizmem, polegającą na tym, że jedna ze składowych polaryzacji jest pochłaniana w krysztale znacznie silniej niż druga, która przechodzi z niewielkim osłabieniem.

Gdy na osi biegnącej wiązki światła ustawimy dwie płytki polaryzujące, jedna z nich będzie pełnić funkcję polaryzatora, a druga - analizatora. Obracając analizatorem stwierdzamy, że w pewnych położeniach układ nie przepuszcza prawie wcale światła, a w położeniach różniących się od tamtych o 90° natężenie światła jest maksymalne. Wiąże się to z kątem, jaki tworzą między sobą kierunki polaryzacji w obu polaroidach. Natężenie światła wychodzące z analizatora w funkcji wspomnianego kąta opisane jest prawem Malusa:

gdzie I_m odpowiada kątowi ς=0

Światło spolaryzowane liniowo przechodząc przez niektóre substancje, zwane optycznie czynnymi, doznaje skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Substancje czynne dzielimy na lewo i prawoskrętne (np. kwas winny, roztwory cukru itp.).

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez roztwór o stężeniu c określa wzór Biota:

gdzie [α] - właściwa zdolność skręcająca

L - długość drogi światła w roztworze

Szukany kąt skręcenia wynosi α_c- α_o - (skręcenie badanej cieczy minus skręcenie czystego rozpuszczalnika).

2. Opis ćwiczenia

• Po włączeniu oświetlenia polarymetru, otwieramy jego górną klapkę, po czym umieszczamy w wyżłobieniu kuwetę wzorcową;

• Regulujemy ostrość pokrętłem lunetki;

• Dolnym pokrętłem (analizatorem) obracamy maksymalnie w lewo i prawo, i staramy się uzyskać jednolity, ciemny obraz w lunecie;

• Obserwujemy przez lupę wskazanie kątomierza. Należy kilkakrotnie powtórzyć regulację barw w lunecie, by uzyskać jak najdokładniejsze wyskalowanie polarymetru.

Podobnie postępujemy przy badaniu rurek z różnymi roztworami - każdorazowo obracamy analizatorem o przypadkowy kąt i na nowo ustalamy właściwe - równomierne pole widzenia.

Jeśli dwie połówki obrazu nie będą podzielone w pionie, lub będą nierównomierne - obróćmy badaną rurkę kilka razy. Powinno polepszyć to obraz.

• Na papierze milimetrowym wykreślamy zależność α=f(α);

• Obliczamy właściwą zdolność skręcającą dla badanej cieczy.

3. Schematy blokowe

Opis polarymetrów:

1. Lippicha (1 - soczewka kolimatora, 2 - polaryzator, 3 - półcieniowy pryzmat Nicola, 4 - rurka z badanym roztworem, 5 - analizator, 6 - lunetka);

2. Soleia (1', 3', 8' - pryzmaty polaryzacyjne, 2', 4' - płytki ochronne, 5' - rurka z badanym roztworem, 6' - płytka z prawoskrętnego kwarcu, 7' - układ klinów z kwarcu lewoskrętnego);

3. Laurenta (F - filtr, P - polaryzator, L - przyrząd półcieniowy, R - rurka, A - analizator, K - kątomierz, S - lupa, G - lunetka).

4. Opracowanie ćwiczenia

Pomiar		1	2	3	Średnia arytmetyczna
Kuweta wzorcowa	α0 [°]	-2	-2	-2,5	-2,0
Roztwór 2 [%]	α02 [°]	3	3	2	2,7
α0 - α02 [°]		5	5	4,5	4,8
Roztwór 4 [%]	α02 [°]	7,2	8	8,9	8,0
α0 - α02 [°]		9,2	10	11,4	10,2
Roztwór 6 [%]	α02 [°]	11	11	11,5	11,2
α0 - α02 [°]		13	13	14	13,3
Roztwór 8 [%]	α02 [°]	20	20,1	20,1	20,1
α0 - α02 [°]		22	22,1	22,6	22,2
Roztwór 2 [%]	α02 [°]	26,5	26,5	26,2	26,4
α0 - α02 [°]		28,5	28,5	28,7	28,6

Długość kuwety L = 0,400 ± 0,0005 [m]

Korzystając z zależności wyznaczam właściwą zdolność skręcającą

po przekształceniu otrzymuje

Stężenie	Kąt skręcenia	Właściwa zdolność skręcająca
2	4,8	6,0
4	10,2	6,4
6	13,3	5,5
8	22,2	6,9
10	28,6	7,2
Wartość średnia		6,4
Odchylenie standardowe		0,7

[α] = 6,4

Zatem ostateczny wynik właściwej zdolności skręcającej wynosi

[α] = 6,4 ±0,04 [°]

Powyższy wykres przedstawia zależność [α] = f(c)

5. Wnioski

Częściowy wpływ na wyniki pomiarów miała ostrość wzroku. Zapewne również i dodatkowe oświetlenie sąsiednich stanowisk miało wpływ na wyniki. Oprócz tego w badanych kuwetach nie powinno być pęcherzyków powietrza - a prawie wszystkie go zawierały. Ponadto zauważyłem, że w roztworach pływały jakieś drobne zanieczyszczenia co mogło doprowadzić do znacznych błędów pomiarowych.

polaryzator

Rys: 1.1

ς _P

Rys. 1.2

G

K

F

S

P

L

R

A

A

B

C

---