实验十三 光的偏振现象的观察和旋光计.doc

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1、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E和磁场矢量片。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起作用，所以人们总是以电矢量E作为光波中振动矢量的代表。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E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

2、的光的偏振态大体可分为五种，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

3、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-la;电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得少，见图13-lb,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

4、用在各种光学仪器上。光轴13-1晶体的光轴Pi/llTk图13・2起偏器与检偏器图13・3装置示意图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〃，则通过半波片的岀射光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面旋转了2〃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。能够检査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

5、及检偏器P2所遵循的规律。如图13・2所示，在垂直于光的传播方向上旋转两个偏振片

6、匕和P2。（1）当Pl、P2的光轴平行时，通过P1的光仍可通过P2,观察者迎着光源看时，视场是亮的。见图13・2a。⑵若将P2以光线为轴转过90。，使P2和Pi的光轴的方向正交，见图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P2,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。转角。⑶若P】与P2的光轴方向既不平行也不垂直，而是相互交成某一角伤如图13・2c所示,这样来自匕的偏振光（强度为7。）将部分地通过P2,其通过部分光强为(13-1)7=7ocos2^式中儿和7分别是通过检

7、偏器P2前后的光强度，这一关系称为马吕斯定律。4.旋光性由马吕斯定律可知，当起偏器匕与检偏器P2的光轴正交时，光线不能通过，视场是全暗的。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妙不再与P2的光轴正交，可以部分地通过了。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。在未放入旋光物质时，先转动P

8、2将视场调到最暗，放入晶体片F或旋光溶液C后，视场将变亮，再转动P2使视场恢复到最暗，显然这时P2转过的角度就是振动面在旋光物质中旋转的角度，该角度被称为旋光角度或旋光度，用卩表示。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Illi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，

9、则旋光度卩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E成正比，即(p=aCL(13-2)式中a是与入