实验十三光的偏振现象的观察和旋光计

实验十三光的偏振现象的观察和旋光计 实验十三 光的偏振现象的观察和旋光计 【实验目的】 1(观察光的偏振现象，掌握产生偏振光的原理和方法。 2(了解旋光计的构造原理，掌握应用旋光计观察偏振光的方法，学会测定旋光溶液的浓度。 【实验原理】 1(偏振光的概念 电磁理论说明，在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动的物理 ,, 量有 电场矢量和磁场矢量。鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量EB , 起作用，所以人们总是以电矢量作为光波中振动矢量的代表。 E 光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间中电矢, 量还有各式各样的振动状态，称之为光的偏振态或偏振结构。实际中最常见的光的偏振E 态大体可分为五种，即自然光，线偏振光，部分偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。本实验只讨论自然光和线偏振光。 自然光(如太阳、电灯发出的光)是由大量的光子组成的，每个光子的振动方向是不同的，因此总的统计效果是偏振性相互抵消，整体不显偏振性，自然光通过某些物质时，由于吸收、反射、折射等原因，有时会把某一方向的光振动滤掉，或将某些光振动分开，这样就能得到只包含单一振动方向的光，称为线偏振光;线偏振光中振动方向与传播方向构成的平面称为光的振动面;使自然光变成偏振光的装置称为偏振片(或起偏器)。 2(偏振片 某些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，例如天然的电气石晶体是六角形的片状，如图13-1所示，长对角线的方向称为它的光轴。当光线射在这种晶体表面上时，振动的 电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多地通过该晶体，见图13-1a;电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得少，见图13-1b，这种性质称为二向色性。电气石对两个方向振动吸收程度的差别是不够大的，用做偏振片的理想晶体最好能尽量使一个方向的振动全部吸收。人们把偏振片上能透过光的振动方向称为它的透振方向或光轴(以区别于光的传播方向)，在图13-1中用虚线表示。由于偏振片对光振动的选择透射作用，非偏振光就变成偏振光了，因此偏振片可以作为起偏器用在各种光学仪器上。 图13-1 晶体 的光轴 下面再介绍一下半波片(即1/2 波片)的性质。半波片也是一种偏振 片，如果入射的线偏振光的振动面与 半波片的光轴的交角为θ，则通过半 波片的出射光仍为线偏振光，但其振 动面相对于入射光的振动面旋转了 2θ角。 3(检偏系统 人眼对自然光和偏振光无直接 判断能力，必须借助仪器才能判别。 能够检查判断是否偏振光 的仪器称 为检偏器，检偏器是一个可以转动透 振方向的检偏片。下面分析一下自然 光通过起偏器P及检偏器P所遵循12 的规律。 如图13-2所示，在垂直于光的传 播方向上旋转两个偏振片P和P。? 12 当P、P的光轴平行时，通过P的光121图13-2 起偏器与检偏器 仍可通过P，观察者迎着光源看时，2 视场是亮的。见图13-2a。? 若将P以光线为轴转过90?，使P和P的光轴的方向正交，见221图13-2b，则来自P的偏振光不能再通过P，观察者看不到光，视场是暗的，如果连续转动12 P，就会看到视场有周期性的明暗变化规律，从最亮到最暗或从最暗到最亮，总是相差90?2 转角。? 若P与P的光轴方向既不平行也不垂直，而是相互交成某一角θ，如图13-2c所示，12 这样来自P的偏振光(强度为I)将部分地通过P，其通过部分光强为 1022I=Icosθ (13-1) 0 式中I和I分别是通过检偏器P前后的光强度，这一关系称为马吕斯定律。 02 4(旋光性 由马吕斯定律可知，当起偏器P与检偏器P的光轴正交时，光线不能通过，视场是全暗12 的。但在两个正交的偏振片之间放上某些晶体或溶液时(如石英晶体、蔗糖、葡萄糖的溶 液以及很多的有机物质如松节油、樟脑等)视场将呈现出一定的亮度。这个现象表明，偏 振光在通过晶体或溶液时，光振动的方向旋转了一个角度φ，不再与P的光轴正交，可以 部2分地通过了。这种能使偏振光的振动面旋转的性质称为旋光性。具有旋光性的物质称为旋 光物质，本实验所研究的糖溶液就是一种旋光物质。图12-3是研究旋光性规律的装置。 图13-3 装置示意 图 在未放入旋光物质时，先转动P将视场调到最暗，放入晶体片F或旋光溶液C后，视场2 将变亮，再转动P使视场恢复到最暗，显然这时P转过的角度就是振动面在旋光物质中旋转22 的角度，该角度被称为旋光角度或旋光度，用φ表示。 在面对入射光方向观察，能使振动面沿反时针方向旋转的物质，称为左旋物质，反之，能使振动面沿顺时针方向旋转的物质称为右旋物质。石英晶体、糖溶液，或由于结晶形状不同，或由于分子结构不同，都具有左旋或右旋两种形式。 实验证明旋光度的大小除取决于物质的本性外，还和测定时偏振光所通过的旋光性物质的厚度、光的波长以及测定时温度有关。当被测物质是溶液，并且光的波长和温度保持不变时，则旋光度φ和溶液中旋光物质的质量分数C及光线所通过的溶液厚度L成正比，即 φ=αCL (13-2) 式中α是与入射光的波长，物质的性质以及及有关的比例常数，称为旋光率。旋光率是表征 3旋光性能的最基本的光学参数。式(12-2)中φ的单位是度，C的单位是g/cm，L的单位 3是dm，α的单位是º?cm/(g?dm)。 实验表明，同一旋光物质对不同波长的光有不同的旋光率α，在一定温度下，α的值与入射光波长λ的平方成反比，即随波长的减少而迅速增大，这种现象称为旋光色散。如在可见光范围内，糖溶液的旋光度φ的关系服从下式，即 22 (13-3) ,,,,,1122 考虑到这种情况，实验中通常采用钠黄光的D线(λ=589.3nm)来测定旋光率，所以(13-2)式中的α一般表示为[α]，t代表温度，D是钠黄光波长。 tD 度量物质旋光率及旋光度的仪器叫旋光仪，其结构如图13-4所示。单色光源(钠黄光)S经聚光透镜L成为平行光束，再经起偏器P成为线偏振光，D是半荫片(两边为玻璃，中间1 为一 长条石英半波片)，C是旋光溶液管，P是检偏器，E是刻度盘。 2 图13-4 旋光计示意图 图13-5 视场 图13-6 原理图 a(P不垂直于P b(P垂直于P 2121 旋光角的测量原则上可以在未放入旋光溶液时，先将检偏器转到视场最暗，然后放入旋光溶液，由于振动面的旋转，视场将变亮，再转动检偏器，使视场又恢复到原来的最暗状态，这时再记下刻度盘读数，两次读数之差即是溶液的旋光度φ。这种仅凭人的视觉 来观察最暗的状态，通常有4?,6?的误差，测量是不够精确的。然而人眼对两个相邻视场亮度是否相等却具有很高的识别能力。为此在旋光视场中采用了明暗对比的方法，以提高眼睛的识别能力和测量精度，这就是半荫检偏器。现以石英半波片检偏器为例，说明其工作原理，图13 -4中半荫片D的结构如图13-5所示，A区是玻璃，B区是石英半波片。 从起偏器P射出的偏振光再从半荫片D射出时，A区中光振动方向不变，而B区的偏振1 光却相对于P片光轴的方向旋转了一个2θ角，如图13-6a，一般在制造时故意将2θ角 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 得1 很小。 , 设从P射出的偏振光振动方向用矢量表示，振幅为,,，通过D中石英半波片的EE111 , 偏振光振动方向用矢量表示，振幅,,=,,，和的夹角为2θ，角平分EEEEE22112 线为oC，如图13-6a所示，检偏器P在360?视场的转动过程中会出现以下几种状态: 2 ? 当P?P时，如图13-6b，则图13-5中的A区暗，B区亮，如图13-7a。 21 , ? 当P转至P?的位置，如图13-6b，也就是相对原P的位置转2θ角，P??，则图13-5E22222中的A区亮，B区暗。如图13-7b。 图13-7 视场变化图 a(中间亮 b(中间暗 c(视场亮度均匀 , ? P从垂直P的位置向垂直的位置转动过程中仅转过一个很小的角度θ，即处于图E212 ,,,,,,,,,,13-6b中位置时?oC，这时和在平行于上的分量较少，因θ角很小，和PPPEEEE2221212 ,,在垂直上的分量较多，这时视场照度弱，如图13-7c。该状态是检偏器P从a状态转一个P22 很小角θ的状态，是处于a、b两明暗明显变化的状态之间，使观察者易于观察，所以仪器设计在图13-7c的状态为零视场状态，即旋光计的零点。每次测量应均以该状态作为标准读数。 ? P转过2θ角以后的状态，请读者自己分析。 2 【实验仪器】 旋光仪，糖溶液。 图13-8是WXG-4小型旋光仪的外型结构。1为钠光灯，2为电源开关，3为刻度盘(即检偏器)转动手轮，4为目镜观察孔，5为调焦螺旋，6为游标及度盘，7为溶液槽盖。 为消除仪器度盘偏心引起误差，度盘采用双游标(内容详见实验十二的参考资料)，并通过目镜孔两侧的放大镜读数，取左右游标读数的平均值为测量结果。度盘最小分格为1度，游标上的20格等于度盘上的19格，用游标可准确读到最小精度1/20=0.05?。 1(钠光灯;2(开关;3(手轮; 4(观察孔;5(调焦螺旋; 6(游标及度盘;7(槽盖 图13-8 旋光计外观图 【实验步骤】 1(将旋光仪接通电源打开开关，使钠灯正常发光。 2(从仪器零点开始向角度增大方向旋转检偏器手动鼓轮，观察360?视场的变化情况，并用矢量方法解释视场中出现的下列情况:? 弱视场;? 中间亮两侧暗视场;? 亮视场;? 中间暗两侧亮视场。 3(测量未加溶液时零视场(即图13-7c状态)，记下仪器的读数，即仪器的零点误差。 1 ,,(,，,)00左0右2 4(放上装有待测旋光溶液的试管，重新找到零视场，记下仪器的读数，对第n号溶液， 1仪器读数，旋光度，本实验测定五种不同质量分数的蔗糖,,,,,,,(,，,)nn0nn左n右2 溶液的旋光度，按表13-1记录实验数据。 表13-1 旋光物质蔗糖水溶液，温度t= (?)，旋光管长L= (dm)，波长λ=589.3(nm) 质量分数C 旋 转 角(?) 旋光度 3(g/cm) 左度盘 右度盘 平均 ,,,,,nn0 ,,未加溶液 0 ,,0.05 1 ,,0.10 2 ,,0.15 3 ,,0.20 4 ,,0.25 5 【数据处理】 为了掌握各种处理数据的方法，实验中给出糖溶液质量分数而需计算其旋光率。一般可以通过每一质量分数下测得的旋光度，而计算出旋光率，但这五个α却不能简单的用取其算术平均值来作为最后结果，因为这不属于等精度测量。根据直接测量量φ与间接测量量α成线性正比的理论关系，对这种情况通常有两种方法得到最后结果，一种是由这五组数据作一元线性回归(请参见绪论部分)，令φ=KC，而斜率K=αL，从而得α=K/L，其中K的计算由回归方程得 x,y,xyK, 22x,x 计算过程的各种数据请填入表13-2中，另一种简单的数据处理方法是由这五组数据在坐标纸上描点画出直线，并由图取点计算出该直线的斜率K，从而得到α=K/L。需要注意的是无论哪一种方法，对不同质量分数的测量，都应选用相同的试管长度L。 表13-2 平均值 1 2 3 4 5 x=C n22x=C n y= , n x?y=C ,n n 【思考题】 1(光的偏振现象为什么能说明光波是横波? 2(对不同质量分数的测量为什么要选择相同的管长? 3(在各种质量分数下都可以求出α～但为什么不能用它们的算术平均值来表达最后结果?