6.2. Поляризационный анализ

Для обнаружения, анализа, получения и преобразования поляризованного света, а также в процессе исследований и измерений, основанных на явлении поляризации света, используют оптические приборы, называемые поляризационными. Их используют для фотометрических и пирометрических измерений, кристаллооптических исследований и в других областях науки и технологии.

Простейший поляризационный прибор и основной элемент более сложных приборов – поляризатор – представляет собой устройство для преобразования оптического излучения с произвольными поляризационными характеристиками в поляризованное излучение. Для получения полностью или частично поляризованного света используют одно из трех физических явлений:

·поляризацию при отражении или преломлении света на границе раздела двух прозрачных сред;

·линейный дихроизм;

·двойное лучепреломление.

При прохождении света через оптически анизотропную среду (например, кристалл) наблюдается явление двойного лучепреломления, т. е. раздвоение световых лучей, обусловленное зависимостью показателя преломления этой среды от направления электрического вектора световой волны. Раздвоенные световые волны имеют взаимно перпендикулярные плоскости поляризации: одна перпендикулярна главному сечению, т. е. плоскости, проходящей через направление луча света и оптическую ось кристалла (обыкновенный луч), другая параллельна главному сечению (необыкновенный луч). Скорость распространения обыкновенной волны и, следовательно, показатель прелом- ления для нее не зависят от направления ее распространения, а скорость распространения и показатели преломления необыкновенной волны зависят. При распространении света вдоль оптической оси кристалла двойное лучепреломление отсутствует.

Среды, обладающие оптической анизотропией в области полос поглощения света, неодинаково поглощают обыкновенный и необыкновенный лучи. Это явление называют линейным дихроизмом. Поляризаторы, в которых один из лучей поглощается, а прошедший через поляризатор луч оказывается полностью поляризованным, называют дихроичными. К дихроичным поляризаторам относят, в частности, поляроиды – поляризационные светофильтры.

Все поляризаторы (линейные, циркулярные, эллиптические) можно использовать и как анализаторы поляризованного света.

Простейшими линейными анализаторами являются поляризационные призмы, с помощью которых получают линейно-поляризованное оптическое излучение. Обычно поляризационные призмы состоят из двух- или трехгранных призм, выполненных из оптически анизотропных кристаллов. Проходящее через них излучение преодолевает границу раздела двух сред, на которой резко различаются условия преломления света для лучей, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (призма Николя). Подобные поляризационные призмы называются однолучевыми. Двухлучевые призмы пропускают обе взаимно перпендикулярные линейно-поляризованные компоненты исходного луча, пространственно разделяя их.

Схема большинства поляризационных приборов включает последовательно расположенные на одной оси линейный поляризатор и анализатор. Если их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, система не пропускает свет. Изменение угла между этими плоскостями приводит к изменению интенсивности проходящего через систему света. Удобство этой схемы для сравнения и измерения интенсивностей световых потоков обусловило ее преимущественное применение в фотометрах – приборах для измерения световых (фотометрических) величин (освещенности, силы света, яркости и др.). Фотометры находят применение в светотехнике и технике сигнализации, при химическом анализе веществ и в других областях науки и производства.

Для исследования сред, обладающих оптической анизотропией, применяют поляризационные приборы – поляризационные микроскопы. В них используют две схемы наблюдений интерференционных явлений, возникающих в прозрачных объектах.

Наибольшее распространение поляризационная микроскопия получила при исследовании минералов, зерен в шлифах сплавов, животных и растительных тканей и клеток.

Для обнаружения и количественного определения поляризации света используют поляризационные приборы, простейшими из которых являются полярископы (круговые и линейные, или плоские), принцип действия которых основан на интерференции поляризованных лучей.

Поляриметрия – методы исследования вещества, основанные на измерении угла поворота плоскости поляризации света оптически активными средами.

Согласно электромагнитной теории света световые волны являются поперечными волнами, т. е. колебания их происходят в плоскости, перпендикулярной к направлению луча. У естественного луча колеба- ния происходят во всех плоскостях, перпендикулярных к его направлению. При прохождении света через различные кристаллы оказывается, что решетки некоторых из них пропускают лучи только определенного направления колебания. При выходе из кристалла колебания луча происходят уже в одной плоскости. Луч, колебания которого происходят только в одной плоскости, называется поляризованным лучом; плоскость, в которой происходят колебания луча, – плоскостью колебания поляризованного луча, а плоскость, перпендикулярная к ней, – плоскость поляризации. Все вещества и растворы могут быть разделены на две категории в зависимости от их отношения к поляризованному свету. Вещества, способные вращать плоскость поляризации луча поляризованного света, являются оптически активными веществами, другие – оптически неактивными.

При прохождении поляризованного света через оптически активную среду может возникнуть два эффекта:

·изменение направлений колебаний – вращение плоскости поляризации;

·разложение плоскополяризованного луча на два компонента, обладающих вращением в разные стороны.

Оптическая активность веществ обуславливается двумя факторами: особенностями кристаллической решетки вещества и особенностями строения молекулы вещества. В зависимости от этих факторов оптически активные вещества разделяют на два типа.

К первому типу относят твердые вещества – кристаллы (например, кварц). Оптическая активность некоторых кристаллических осадков используется в кристаллохимии для определения отдельных ионов. Особенно широко используется вращение плоскости поляризации кристаллами в микроскопической технике. Кристаллы бывают право- или левовращающие. Эти оптические показатели являются важными характеристиками кристаллов.

Вещества второго типа проявляют активность только в растворенном или газообразном состоянии. Оптическая активность их обусловлена особенностями строения молекул. К ним относятся в основном органические вещества: глюкоза, винная кислота, морфин и др. Оптически активные молекулы не имеют центра и плоскости симметрии.

Вращение плоскости поляризации может происходить по часовой стрелке и наоборот. В первом случае вращение называется правым и удельное вращение плоскости поляризации считается положительным, а во втором случае – левым и удельное вращение плоскости поляризации считается отрицательным.

Удельное вращение плоскости поляризации зависит от природывещества, длины волны поляризуемого света и температуры. С увеличением длины волны удельное вращение плоскости поляризации уменьшается. С увеличением температуры удельное вращение плоскости поляризации увеличивается. Поэтому все исследования вращения плоскости поляризации должны относиться к определенным значениям длины волны и температуры.

Для растворов, оптическая активность которых обусловлена молекулярным строением растворенного вещества, удельное вращение плоскости поляризации зависит также от концентрации раствора и от растворителя, в котором растворено исследуемое вещество.

В некоторых случаях наблюдается изменение удельного вращения плоскости поляризации от времени. Это явление называется мутаротацией и связано с переходом одной оптической формы растворенного вещества в другую.

В сахарной промышленности поляриметрический метод применяют для определения содержания сахаристых веществ. В масложировой промышленности он используется совместно с рефрактометрическим методом для идентификации масел. Некоторые масла, обладаю- щие одинаковыми показателями преломления, имеют резко отличаю- щиеся значения удельного вращения плоскости поляризации. Например, мятное и укропное масла имеют одинаковый показатель преломления, равный 1,486, а удельное вращение плоскости поляризации мятного масла достигает минус 34, укропного – плюс 170.

В фармацевтическом производстве поляриметрия используется для идентификации некоторых лекарственных средств.

Для определения смесей некоторых оптически активных веществ предложен спектрополяриметрический метод, в котором удельное вращение плоскости поляризации устанавливают в зависимости от длины волны.

Для измерения угла поворота плоскости поляризации монохроматического света, проходящего через оптически активные вещества, применяют поляриметр. Поляриметры делят на визуальные и фотоэлектрические в зависимости от типа измерительного элемента-ана- лизатора (глаз или фотоэлектрический приемник), который реагирует на изменение интенсивности света.

Исследуемое вещество помещают между полутеневым поляризатором (устройством, создающим поляризованный свет), состоящим из двух половин (рисунок 6.4), и анализатором. Измерение угла вращения сводится к повороту плоскости поляризации анализатора до визуального выравнивания яркостей двух половин поля зрения в окуляре отсчетного устройства. Если плоскость поляризации анализатора АА перпендикулярна биссектрисе угла 2 (рисунок 6.4а), обе половины (I и II) поля зрения имеют одинаковую полутеневую освещенность (отсюда название – полутеневой поляризатор). При повороте анализатора и изменении положения плоскости АА относительная освещенность половин поля зрения резко меняется (рисунок 6.4б и 6.4в). Измеряемый угол считывают со шкалы отсчетного устройства.

Рисунок 6.4 – Полутеневые поляризаторы (Р₁ и Р₂ – плоскости поляризации двух половин поляризатора, 2 – угол между ними)

Методика визуальной регистрации угла поворота плоскости поляризации достаточно чувствительна, что позволяет использовать полутеневые поляриметры для физических исследований. В автоматических поляриметрах измерение угла осуществляется с помощью электронных систем, их пороговая чувствительность достигает 10^–7 градусов.

К поляриметрам относят также приборы для определения степени поляризации частично поляризованного света.