Ćwiczenie nr 14	Wyznaczenie grubości płytki kwarcowej i pomiar stężenia roztworu cukru przez pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji. (polarymetr Laurenta)
Zespół nr 3
3.03.1997	EAiE, AiR, rok I , grupa R63

Część teoretyczna :

Prawo Biota : [ * ] = ;

* - kąt skręcenia przez warstwę grubości d

c - stężenie roztworu

[ * ] - zdolność właściwa skręcenia

Prawo Malusa : I = I₀ cos² *

I₀ - natężenie światła wychodzącego z I-go nikola

I - natężenie światła wychodzące z II-go nikola

Polaryzacja całkowite lub częściowe uporządkowanie drgań fali świetlnej; może zachodzić przy odbiciu na granicy dwóch ośrodków, przy rozchodzeniu się światła w ośrodkach anizotropowych, przy rozpraszaniu światła.

Budowa polarymetru Laurenta :

N_P - polaryzator

N_A - analizator

P - płytka Laurenta

C - naczynie z cieczą

S - soczewka

Pryzmat Nicole'a ( nikol )- pryzmat polaryzujący utworzony z kryształu kalcytu CaCO₃ odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na dwie części i sklejonego. Promień światła padając na nikol rozszczepia się na dwa promienie spolaryzowane w kierunkach wzajemnie prostopadłych : zwyczajny i nadzwyczajny. Z nikola wychodzi tylko promień nadzwyczajny, gdyż promień nadzwyczajny ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na styku z płaszczyzną łączenia.

Polaryzator - urządzenie optyczne służące do otrzymywania światła spolaryzowanego liniowo lub kołowo.

Analizator - urządzenie optyczne służące do wykrywania i badania światła spolaryzowanego.

Ćwierćfalówka - cienka płytka krystaliczna o grubości tak dobranej, że pomiędzy promieniem nadzwyczajnym a zwyczajnym przechodzącymi wytwarza się różnica faz , inaczej mówiąc różnica dróg optycznych tych dwu promieni wynosi długości fali. By otrzymać światło spolaryzowane kołowo rzucamy prostopadle na ćwierćfalówkę światło spolaryzowane przez nikol, przy czym nikol ustawiamy tak by jego płaszczyzna polaryzacji tworzyła z kierunkami drgań ćwierćfalówki czyli kąty po 45⁰. W wyniku otrzymujemy światło spolaryzowane kołowo.

Sacharymetr - przyrząd polaryzacyjny do wyznaczania zawartości cukru w roztworach na podstawie kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji, proporcjonalnego do stężenia roztworu.

Światło spolaryzowane całkowicie : takie światło, dla którego istnieją określone związki między fazami wzajemnie prostopadłych składowych wektora natężenia pola elektrycznego lub magnetycznego.

Polaryzacja eliptyczna : spolaryzowaną eliptycznie falę świetlną można przedstawić jako sumę dwóch spójnych spolaryzowanych liniowo fal świetlnych, w których drgania E zachodzą w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach. Drgania pól E₁ , E₂ tych fal w dowolnym punkcie przestrzeni można zapisać w postaci : E₁ =sin*t , E₂ = sin(*t+*) ; gdzie i - amplitudy, * - częstość kołowa, * - różnica faz rozpatrywanych fal.

Polaryzacja liniowa : gdy różnica faz * =0 lub * =k*, gdzie k - liczba całkowita, elipsa przekształca się w prostą i polaryzacja eliptyczna przechodzi w polaryzację liniową.

Polaryzacja kołowa : gdy * = , gdzie k - nieparzysta liczba całkowita, to = i elipsa przechodzi w okrąg.

Dyspersja światła : zjawisko zależności współczynnika załamania światła ośrodka od długości fali światła. Jest ona wywołana rezonansowym oddziaływaniem światła z atomami lub cząsteczkami ośrodka. W ośrodkach przezroczystych występuje na ogół dyspersja normalna ( światło czerwone jest załamywane słabiej niż fioletowe ), dyspersja anomalna jest obserwowana dla fal o długości bliskiej wartości, dla której występuje silna absorbcja światła.

Do przeprowadzenia pomiaru usuwamy początkowo rurkę z cieczą i analizator ustawiamy tak, aby obie połowy były jednakowo jasne. Po wstawieniu rurki C jasność obu połówek pola widzenia staje się niejednakowa. Równość jasności przywracamy przez obrót analizatora. Kąt obrotu analizatora równa się kątowi skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła przez badaną ciecz.

Do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji, zwłaszcza w cieczach naturalnie czynnych używamy tzw. polarymetrów. Najczęściej jednak do pomiaru kąta skręcenia wykorzystuje się tzw. przyrządy półcieniowe. Pozwalają one określić bardzo dokładnie kąty skręcenia przez wykorzystanie faktu, że oko ludzkie może z dużą dokładnością stwierdzić jednakową jasność dwu sąsiadujących ze sobą pól.

Zjawisko skręcania płaszczyzny polaryzacji.

Po wstawieniu między skrzyżowane nikole płytki kwarcowej wyciętej prostopadle do osi optycznej możemy wiązkę światła całkowicie wygasić przez obrót analizatora o pewien kąt. Wynika stąd, że światło wychodzące z takiej płytki kwarcowej jest spolaryzowane liniowo, przy czym płaszczyzna polaryzacji jest skręcona o pewien kąt w stosunku do płaszczyzny polaryzacji światła padającego na płytkę. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji równa się kątowi o jaki musimy skręcić analizator, aby uzyskać całkowite wygaszenie. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest wprost proporcjonalny do grubości płytki.

Miarą zdolności skręcającej [ *₀ ] danego ciała jest stosunek kąta skręcenia * do grubości płytki L. Otrzymujemy więc następujący związek [ *₀ ] = .

Płaszczyzna drgań :

Kierunki drgań wektorów elektrycznych są prostopadłe do kierunku ruchu fali. Dla wszystkich takich punktów drgających wektor E tworzy z kierunkiem ruchu fali płaszczyznę zwaną płaszczyzną drgań.

Literatura :

Encyklopedia fizyki, PWN, W-wa, 1974

Encyklopedia PWN, W-wa, 1996

---