Nr Ćw. 307	Data 15.03.2001	Maciej Kaźmierczak		Wydział Elektryczny	Semestr II	Grupa E-9
Prowadzący: mgr Jarosław Gutek			przygotowanie	wykonanie	opracowanie	Ocena

TEMAT: Badanie skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez roztwory za pomocą polarymetru.

1. Wprowadzenie

Światło pochodzące od naturalnych źródeł jest niespolaryzowane, tzn. drgania wektora świetlnego odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się promieni, lecz we wszystkich możliwych płaszczyznach, na których ten promień leży. Gdy na drodze wiązki niespolaryzowanego światła ustawimy polaryzator, przepuści on tylko te promienie, w których drgania odbywają się tylko w jednej płaszczyźnie. Światło po przejściu przez polaryzator jest spolaryzowane liniowo - końce wektorów świetlnych leżą w linii prostej.

Istnieje kilka metod uzyskiwania światła spolaryzowanego liniowo:

a) Przy odbiciu światła od granicy dwóch ośrodków zarówno promień odbity, jak i załamany zostają częściowo spolaryzowane. Stopień polaryzacji zależy od kąta padania - jeżeli dobierzemy go tak, by kąt między promieniami odbitym i załamanym był prosty, wówczas promień odbity jest całkowicie spolaryzowany w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania, zaś promień załamany spolaryzowany jest częściowo, z przewagą drgań w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny padania. Kąt padania, przy którym zachodzi to zjawisko nazywany jest kątem Brewstera lub kątem całkowitej polaryzacji.

b) Przy przechodzeniu przez kryształy anizotropowe wiązka światła podlega rozszczepieniu na dwie - zwyczajną i nadzwyczajną, posiadające wzajemnie prostopadłe płaszczyzny drgań. Przyczyną tego zjawiska jest różna prędkość rozchodzenia się promieni w krysztale. Kierunek w krysztale anizotropowym, dla którego prędkości promieni są równe nazywa się osią optyczną. Opisane zjawisko jest wykorzystane w pryzmacie Nicola

c) Niektóre podwójnie załamujące kryształy mają własność nazywaną dichroizmem, polegającą na tym, że jedna ze składowych polaryzacji jest pochłaniana w krysztale znacznie silniej niż druga, która przechodzi z niewielkim tylko osłabieniem.

Gdy na osi biegnącej wiązki światła ustawimy dwie płytki polaryzujące, wówczas jedna z nich pełnić będzie rolę polaryzatora, druga zaś - analizatora. Obracając analizatorem stwierdzamy, że w pewnych położeniach układ nie przepuszcza prawie wcale światła, zaś 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 wychodzącego z analizatora w funkcji w funkcji tego kąta opisane jest prawem Malusa.

I=Imcos2,

gdzie Im odpowiada kątowi =0.

Polaryzacja liniowa nie jest jedynym sposobem uporządkowania drgań świetlnych. Może istnieć śwatło, w którym koniec wektora świetlnego zakreśla linię śrubową wokół kierunku rozchodzenia się. Mówimy wtedy o polaryzacji kołowej lub eliptycznej

Światło spolaryzowane kołowo powstaje w wyniku nałożenia się dwóch fal spójnych spolaryzowanych liniowo w kierunkach wzajemnie prostopadłych, mających różnicę faz 90 i równe amplitudy. Wypadkowe drganie będzie kołowe. Gdy amplitudy są różne, polaryzacja będzie eliptyczna.

Światło spolaryzowane liniowo przy przechodzeniu przez niektóre substancje, tzw. optycznie czynne, doznaje skręcenia płaszczyzny polaryzacji.

Substancje optycznie czynne występują w dwóch postaciach, wykazujących taką samą zdolność skręcającą, lecz skręcających w przeciwnych kierunkach. Dlatego substancje optycznie czynne dzielimy na lewo- i prawoskrętne.

2. Zasada pomiaru

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

=[]cl

gdzie []-właściwa zdolność skupiająca, l-długość drogi światła w roztworze.

W celu pomiaru kąta skręcenia najpierw na drodze promienia świetlnego umieszczamy czysty rozpuszczalnik i odzytujemy położenie analizatora 0, a następnie zastępujemy rozpuszcalnik badanym roztworem i znowu odczytujemy położenie analizatora - c. Szukany kąt skręcenia wynosi c-0.

Urządzeniami, które służą do badania skręcenia płaszczyzny polaryzacji są polarymetry. Głównymi elementami polarymetru są polaryzator i analizator (pryzmaty Nicola) oraz znajdująca się między nimi rurka zawierająca roztwór substancji optycznie czynnej.

Istota pomiaru sprowadza się do jak najdokładniejszego określenia położenia analizatora, przy którym oświetlenie pola widzenia jest stałe. Gdy obserwację przeprowadzamy gołym okiem, ustawiamy każdorazowo analizator na maksymalne wygaszenie światła.

Przyrząd półcieniowy jest to płytka skręcająca nieco płaszczyznę polaryzacji, ale tylko dla połowy wiązki. Dlatego pole widzenia lunetki podzielone jest na dwie części, na ogół różnie oświetlone. Przez obrót analizatora możemy doprowadzić do położenia, w którym oświetlenie całego pola jest równe. Metoda ta umożliwia ustalenie kąta polaryzacji z dokładnością 0,1o.

3. Przebieg ćwiczenia

a). mierzę długość rurki

b). ustawiam lunetkę na ostrość widzenia linii rozgraniczającej części pola oraz lupę odczytową na ostrość widzenia skali

c). wstawiam rurkę z czystą wodą do polarymetru

d). doprowadzam do równego pola widzenia

e). mierzę kąt skręcenia dla zadanych rurek

W celu pomiaru kąta skręcenia wpierw na drodze promienia świetlnego umieszczamy czysty rozpuszczalnik i odczytujemy położenie analizatora (0), a następnie zastepujemy rozpuszczalnik badanym roztworem i znowu odczytujemy polożenie analizatora (c).Szukany kąt skręcenia wynosi

=(c)-(0)

4. Wyniki pomiarów i obliczenia.

a).Wartości średnie i błędy uzyskanych kątów tj. (c)-(0), gdzie (0)= - 0,7 to wartość średnia kąta dla dla stężenia procentowego równego 0%.

L.p.	Cp[%]		wody
1	2	3	-0,7
2	4	5,1	-0,7
3	6	11,5	-0,7
4	8	18,2	-0,7
5	10	21,9	-0,7

Wykres zależności =f(c) - zalożono ,że stężenie roztworów jest określone z dokładnością 0,1%.

b). Obliczanie właściwej zdolności skręcającej dla kazdego stężenia ,a następnie wartości średniej.

[]=/cl

c[%]		l[m]	[]
2	3	0,4	3,75
4	5,1	0,4	3,19
6	11,5	0,4	4,79
8	18,2	0,4	5,69
10	21,9	0,4	5,48

Wartość średnia [] wynosi:

[]śr=4,58 []śr=0,485

gdzie wielkości wyrażono w następujących jednostkach: c - [%],l - [m], - [],

Długość pojemników z roztwrami została określona z dokładnością l=0,005 m.

Maksymalny błąd pomiaru (na podstawie metody logarytmicznej):

[]max­­­­ / [] = |­­­max / | + |c­­­max / c| + |l­­­max / l|

[]max = 0,833

Wynik końcowy:

[] = (4,58 ± 0,833) []

5. Wnioski

Pomiary zostały przeprowadzone ze średnią dokładnością.Zależność =f(c) została wykreślona z zastosowaniem regresji liniowej i uzyskano prostą nie odbiegajacą znacząco od punktów uzyskanych w wyniku pomiarów. Duży błąd średniej arytmetycznej jest najprawdopodobniej związany z trudnością dokładnego określenia równomiernego oświetlenia przyżądy półcieniowego w polarymetrze.Widoczne to było szczególnie przy pomiarach roztworów o mniejszym stężeniu procentowym.

---