III. Порядок выполнения работы.

1. Установить нулевое деление шкалы столика против индекса «0», что соответствует параллельному положению плоскостей поляризаторов и максимальному пропусканию света через систему П-А.

2. Поворачивая столик, через каждые 10^о записывать показания углов α и показания микроамперметра в таблицу.

3. Измерения проводить, поворачивая столик до 180°.

4. Поворачивая столик в обратном направлении, повторить замеры углов и соответствующих им фототоков (для 170^о, 160^о, и т.д.).

 

Таблица

№№ п/п	α, град	i1, мкА	i2, мкА	iср, мкА	Cos2α	iтеор, мкА
…

 

IV. Обработка результатов.

1. Вычислить среднее значение i_ср.

2. Построить график зависимости силы фототока i_ср (пропорциональной интенсивности J проходящего света) от угла поворота α.

3. Отметить максимальное значение фототока i_max, полученное при измерениях.

4. Вычислить значения фототока i для углов 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 90°, используя закон Малюса: i = i_max∙cos²α

5. (i_max – взять из экспериментальных данных)

6. Построить график теоретической зависимости i_теор = ƒ(α)

7. Сравнить оба графика.

 

V. Вывод: экспериментальная зависимость фототока от угла между плоскостями поляризации в системе П-А соответствует закону Малюса.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается поляризованный свет от естественного света?

2. Что называется плоско- поляризованным светом?

3. Выведите и сформулируйте закон Малюса.

4. Какие физические явления служат принципом работы поляроидов?.

5. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера.

6. Что называется поляризатором и анализатором?

7. Где применяются поляроидные пленки?

8. Вращение плоскости поляризации.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12 (3-12)

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ

ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

Цель работы: Определить концентрацию сахара в прозрачном растворе поляризационным методом.

Описание установки.

Для выполнения работы потребуются: 1. Сахариметр.

2. Набор трубок с растворами различных концентраций сахара.

 

Приборы, служащие для количественного исследования поворота плоскости поляризации, называются поляриметрами или сахариметрами, В данной работе используется поляриметр П-161.

Поляриметр (pиc. 12.1) состоит из: штатива 5, поляризационного устройства 3 с зеркалом 4, трубки для растворов 6, головки анализатора 1, окуляра 7, отсчетного диска 8 отсчетной лупой 2 и колонной 9.

Рис.12.1. Поляриметр П-161.

 

Поляризационное устройство состоит из поляризатора (поляроидной пленки, вклеенной между двумя защитными стеклами; аналогичная пленка ставится и в анализатор), оранжевого светофильтра и кварцевой пластинки, расположенной симметрично относительно центра поляризатора. Трубка с исследуемым раствором устанавливается между поляризатором и анализатором в разрез колонки 9. Головка анализатора 1 содержит неподвижную градусную шкалу и совместно вращающиеся части: анализатор, зрительную трубу, отсчетную лупу и нониус. Зрительная труба служит для наблюдения тройного поля (рис. 12.2) и состоит из объектива и окуляра.

Измерение угла поворота плоскости поляризации с ориентацией для отсчета на темноту при скрещенном положении поляризаторов крайне приближенно, так как человеческий глаз не может отметить точное положение, в котором анализатор установлен на полное затемнение поля зрения. Поэтому при измерениях применяют поляриметры, установленные не на темноту, а на равномерное освещение двух или трех частей поля зрения за анализатором. В данном приборе используется принцип уравнивания яркостей трех частей поля зрения (рис. 12.2). Разделение поля зрения на три части осуществляется введением в оптическую систему прибора кварцевой пластинки, занимающей среднюю часть поля зрения.

 

Для уяснения принципа работы данного поляриметра рассмотрим схематическое изображение трех светящихся полей (рис. 12.3).

А. Пусть, в отсутствии кюветы с оптически активным веществом, направления колебаний векторов Е в левом и правом сегментах поля будут П₁П₁, а в среднем сегменте поля – П₂П_2, причем углы, образуемые П₁П₁ и П₂П₂ с главным направлением анализатора АА, будут одинаковы по абсолютной величине. Тогда, при условии, что амплитуды векторов электрического поля равны, т.е. все три поля (в соответствии с законом Малюса) будут иметь одинаковую яркость

.

Б. При наличии кюветы с оптически активным веществом оба направления колебаний вектора Е (т.е. П₁П₁ и П₂П₂) а, следовательно, и биссектриса угла между направлениями П₁П₁ и П₂П₂, повернутся на угол φ (например, по часовой стрелке). Тогда по закону Малюса яркость среднего поля уменьшится, а крайних - возрастет. Поэтому светящиеся поля смогут иметь одинаковую яркость лишь после поворота анализатора на тот же угол φ (по часовой стрелке). Это и позволяет производить достаточно точное измерение угла вращения плоскости поляризации после выравнивания яркостей всех трек полей.

На неподвижном лимбе (рис. 12.4) вправо и влево от нуля нанесено 20 делений. Цена каждого деления лимба - 1°. Под шкалой лимба на подвижной втулке нанесена шкала нониуса - по 10 делений симметрично относительно 0. Цена деления шкалы нониуса – 0,1°.

II. Методика работы.

Б. В некоторых кристаллах (например, кварце) распростране­ние плоско-поляризованного света вдоль оптической оси сопровождается поворотом плоскости поляризация. Это явление свойственно и некоторым органическим жидкостям (водный раствор сахара, ски­пидар я др.). Такие вещества называются оптически активными, а само явление - естественным вращением плоскости поляризации.

Для оптически активных растворов угол поворота плоскости поляризации определяется формулой

φ = [α]∙C∙ℓ, (12.1)

где С - концентрация раствора (масса активного вещества в единице объема створа); ℓ - длина пути луча в растворе; [α] - коэффициент, называемый удельным вращением плоскости поляризации и численно равный углу поворота (в градусах) при C=1 г/см³ и ℓ =1 дм. Этот коэффициент зависит от природы вещества, температуры и длины волны света.

Естественное вращение плоскости поляризации можно наблюдать, поместив оптически активное вещество между поляризатором и анализатором. Если их главные плоскости взаимно перпендикулярны, то плоско-поляризованный свет, вышедший из поляризатора в отсутствие оптически активного вещества, будет целиком задержан анализатором и поле зрения будет темным. Введение оптически активного вещества приводит к повороту плоскости поляризации, благодаря чему поле зрения за анализатором становился светлым. Повернув анализатор вокруг светового пучка так, чтобы поле зрения стало опять темным, можно тем самым найти угол поворота плоскости поляризации в исследуемом растворе. Зная φ, [α] и ℓ можно найти концентрацию раствора по расчетной формуле:

. (12.2)

Порядок выполнения работы

1. Настроить прибор с помощью осветительного зеркальца на максимальную освещенность поля зрения в окуляре.

2. Вращением муфты 7 произвести установку на резкость изображения линий раздела тройного поля, наблюдаемого в окуляр.

3. Вращением анализатора добиться одинаковой яркости тройного поля в окуляре. При этом в поле зрения не должно быть заметно резкого выделения границ кварцевой пластинки.

4. Записать показание шкалы прибора. (При этом если нуль нониуса оказался смещенным относительно нуля лимба по часовой стрелке, то при дальнейших измерениях поправке приписать знак минус, если против часовой стрелки – плюс).

5. Повторить измерения, указанные в пунктах 3,4 не менее трех раз. Находят . Все результаты измерений занести в таблицу.

6. Измерить с помощью линейки с миллиметровыми делениями длину l трубки с раствором неизвестной концентрации и записать результат перед таблицей.

7. Поместить в прибор трубку с раствором сахара неизвестной концентрации С_х и находят φ_{х i}. Произвести фокусировку (см. п. 2).

8. Установить анализатором равномерную освещенность тройного поля.

9. Записать показания лимба и нониуса φ_{n i} в таблицу. Опыт повторить три раза. Результаты измерений занести в таблицу.

10. Измерения с данной трубкой повторить три раза.

 

Таблица

... ± 0,5 мм

№		ср	[α]	Первая трубка Сх
φх i	φх i - ср	Сxi	Сx ср

 

 

IV. Обработка результатов.

1. Подставляют измеренное значение φ_{х I}, известное из таблиц значение [α] и измеренную величину ℓ в формулу (12.2) и находят концентрацию сахара С_{х i}.

2. Вычисляют С_х ср.=Σ С_{х i}/3.

3. Определяют погрешность измерения концентрации по формуле:

.

V. Вывод: Концентрация сахара в раствореС_х = С_хср±ΔС_х

(подставить полученные численные значения и размерность)

Контрольные вопросы.

1. Чем отличается поляризованный свет от естественного?

2. Какой свет называется плоско- поляризованным светом?

3. Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера.

4. Что называется поляризатором и анализатором?

5. Оптическая активность вещества. Вращение плоскости поляризации.

6. Объясните принцип работы поляриметра.

7. Почему отсчет углов ведется в работе по картине тройного поля?

8. Выведите расчетную формулу для определения неизвестной концентрации сахарного раствора.

Литература

4. Белановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии/ М.: Агропромиздат, 1989. – 272 с.

5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика/ М.:Высшая школа, 1987. – 638 с.

6. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие. М: Высшая школа, 1985. 432 с.

Вопросы для защиты в форме круглого стола

По V разделу

«Волновая оптика»

№ Пп	Вопросы	Рекомендов. Литература
№.	Стр.
	Свет как электромагнитные волны. Свойства ЭМ волны. Классификация частотных интервалов.		194-199 334-335, 331 297-300
	Диапазоны зрительного восприятия для человека и животных. Светочувствительность глаза.		195, 223, 240-253 549-549
	Показатель преломления света в среде, законы преломления и отражения.		304-306 316-319
	Линзы, формула линзы; собирающие и рассеивающие линзы. Аберрации и их исправление		457-461   307-310
	Глаз как оптическая система. Исправление дефектов зрения с помощью линз.		464-471
	Когерентные волны, когерентные источники.		232-235 419-420 319-328
	Интерференция волн, условия ее наблюдения. Оптическая длина пути, разность хода лучей.		419-426   319-328
	Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля; зоны Френеля.		429-428   319-328
	Дифракция на малом отверстии. Принцип действия дифракционных очков-тренажеров.		429-432     335-337
	Дифракционная решетка. Условия главных максимумов и главных минимумов.		432-437   335-337
	Разрешающая способность спектрального прибора; критерий Рэлея. Разрешающая способность решетки.		435-438   343-345
	Свет естественный и поляризованный; линейно-поляризованный свет. Закон Малюса		447-449 355-357
	Явления двулучепреломления и дихроизма при прохождении света через кристаллы диэлектриков.		450-453 359-362
	Типы поляризаторов и принципы их действия. Система поляризатор – анализатор; закон Малюса.		449-450   361-364
	Поляризация света при отражении, закон Брюстера.		449-450
	Применение поляризационных методов в медицинских и ветеринарных исследованиях.		452-456   365-366
	Явление дисперсии света.		347-351
	Поглощение света веществом, законы Бугера и Бугера-Бера для растворов. Спектры поглощения.		207-210 530-532 351-353
	Физические явления, сопровождающие поглощение света веществом. Воздействие электромагнитных волн		210-215   345-347
	Виды люминесценции. Применение люминесцентного анализа		215-223 539-543 452-454
	Биологическое воздействие оптических излучений		223-237

 

 

Рекомендуемая таблица вариантов вопросов для проведения круглого стола

	В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7	В8	В9	В10

 

 

РАЗДЕЛ VI. КВАНТОВАЯ ОПТИКА

ВВЕДЕНИЕ

Общие положения

На рубеже XIX и XX веков в физике накопился целый ряд экспериментальных фактов, которые не могли быть объяснены с помощью моделей классической физики, оперирующей с непрерывным распределением в фазовом пространстве массы, энергии, импульса и др. параметров. В частности, для объяснения наблюдаемой зависимости энергии излучения нагретых тел от температуры, М. Планку пришлось сделать предположение, что свет от них излучается не непрерывно, а малыми дискретными порциями – квантами, именуемыми фотонами. Эта минимальная порция энергии ε_γ кванта света – фотона пропорциональна частоте излучения ν и равна:

ε_γ=hν, (VI.1)

где h = 6,225·10^-23 Дж·с – постоянная Планка.

Вскоре была установлена причина испускания света веществом. Э. Резерфорд доказал, что атом имеет строение, подобное планетарной системе: вокруг тяжелого ядра вращаются по замкнутым орбитам легкие электроны, причем почти вся масса атома сосредоточена в ядре, хотя размер его в ~10⁴ раз меньше размеров электронной оболочки. Находясь на стационарной орбите, электрон не излучает энергии (это I постулат Бора), а при переходе с орбиты более высокого уровня энергии Е_m на более низкий E_n излучает квант энергии (II постулат Бора):

ε_γ=hν= Е_m - E_n. (VI.2)

Как видно из формул (VI.1,2), энергия фотона тем выше, чем больше частота и, следовательно, чем меньше длина волны света. Так, излучение в ИК диапазоне вызывает, в основном, тепловой эффект. Излучение в УФ диапазоне может оказать более значительное воздействие на организм животных и человека. Излучение в диапазоне 200÷320 нм является бактерицидным и вызывает необратимые процессы коагуляции белковых веществ у многих бактерий, ведущие к их гибели. Максимальная бактерицидность приходится на длину волны 254 нм.

Фотон – это микрочастица, которая движется со скоростью света, не имеет массы покоя, но обладает указанной выше энергией и импульсом р:

p=hν/c=h/λ, (VI.3)

где λ – длина световой волны.

Благодаря импульсу фотоны оказывают давление на освещаемую поверхность, имеющую коэффициент отражения ρ_отр:

, (VI.4)

где Е_γ =N·hν – энергия N фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени. Давление света также объясняется и с точки зрения волнового подхода, поскольку ЭМ волна переносит энергию в пространстве.

Однако, не только фотоны, но и другие микрочастицы: электроны, протоны, нейтроны и пр., обладают двойственными свойствами: волновыми и корпускулярными. Луи де Бройль приписал частицам микромира с импульсом р плоскую волну с длиной λ:

λ =h/p. (VI.5)

Реализация идеи о волновых свойствах частиц микромира привела к созданию электронного микроскопа, методов нейтронографии и др., которые позволяют наблюдать объекты размером в несколько атомов.

Рассмотрение света не как ЭМ волны, а как потока фотонов, позволило А. Эйнштейну объяснить явление внешнего фотоэффекта (возникновение фототока, т.е. выбивание электронов с поверхности металла под воздействием света). Согласно Эйнштейну энергия фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение электрону кинетической энергии Е_кин:

. (VI.6)

При участии фотонов, за счет их энергии, происходят многие фотохимические реакции, имеющие чрезвычайное значение для процессов жизнедеятельности, такие как фотополимеризация, фотооксидирование, фотогидратация, фотораспад, фотосинтез, фотоизомеризация и др. Например, при облучении большими дозами УФ происходит распад аминокислот, белков, нуклеиновых кислот. Под действием УФ излучения Солнца в стратосфере происходит диссоциация молекул кислорода:

О₂ + hν→2 О, а далее: О+О₂ →О₃. (VI.7)

Так при участии фотонов образуется озон в верхних слоях атмосферы. Слой озона почти полностью поглощает коротковолновую часть ЭМ излучения Солнца с λ< 290 нм, гибельную для всех живых существ на поверхности Земли. Чрезвычайно важной для жизни на Земле является реакция фотосинтеза. Фотосинтез приводит к аккумулированию энергии света в виде свободной энергии химических связей; только при фотосинтезе сложные органические вещества получаются непосредственно из таких простых как вода и углекислый газ.

С позиции корпускулярного подхода к природе света хорошо объясняется также явление люминесценции. Люминесценция – это неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность периода световых колебаний τ >10^-10. Люминесценция обусловлена переходами электронов из возбужденного состояния на более низкие уровни. Люминесцировать способны многие вещества – люминофоры: разреженные газы, пары серы, йода, ароматические соединения, разные красители и многие др. По типу возбуждения атомов люминофора различают: фотолюминесценцию, хемилюминесценцию, рентгено-люминесценцию, катодолюминесценцию, триболюминесценцию.

Фотолюминесценция начинается с поглощения фотона с энергией hν атомом или молекулой и их перехода в возбужденное состояние. Согласно правилу Стокса длина волны излучаемого при люминесценции света больше, чем длина волны света, её возбуждающего.

Даже при очень малых концентрациях люминофора после воздействия потока УФ фотонов наблюдается свечение в видимом диапазоне. На этом основан люминесцентный анализ. Он нашел широкое применение в ветеринарно-санитарной экспертизе. Так, цвет продукта при освещении его УФ меняется постепенно, по мере порчи: цвет мяса – от красно-фиолетового до зеленовато-голубого; цвет рыбы – от серого до желто-зеленого; цвет молока от зеленовато-желтого до синего и т.д. При наблюдении препаратов продуктов в микроскоп с УФ подсветкой можно по виду свечения распознать возбудителей туберкулеза, сибирской язвы, сальмонеллеза и др.

Изобретенные в середине XX века новые источники света – лазеры привели к возникновению нового направления в оптике – нелинейной оптике, к созданию оптической электроники, получили много применений революционного характера. Лазер – это оптический квантовый генератор, в котором излучательные переходы нарастают лавинообразно в активной среде. Активная среда способна поддерживать инверсное (возбужденное) заселение энергетических электронных уровней. Испускаемые фотоны стимулируют дальнейшие переходы с излучением фотонов той же частоты, так что лазерное излучение является строго когерентным. По типу активной среды различают лазеры твердотельные, полупроводниковые, жидкостные и газовые. Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду; 2) систему накачки для создания инверсии заселенностей уровней (возбуждения атомов); 3) оптический резонатор для формирования направленного пучка фотонов.

Использование лазера сделало технически возможным решение ряда сложных задач цитологии, цитогенетики, эмбриологии и других областей биологической науки. Тончайший лазерный луч, обладающий большой интенсивностью дает возможность неосуществимого ранее вмешательства в клеточные и субклеточные процессы, что нашло применение в генной инженерии. В хирургии применяются лазерные скальпели. Тепловое и имуностимулирующее действие лазерного излучения применяется в физиотерапии.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13 (3-17)