Файл: Волкова, Е. А. Поляризационные измерения.pdf

и затем каждый из трех различных фильтрующих устройств 2, 3, 4 (рис. 45) и принимать поток излучения на фотоприем­ ник, регистрирующий величину фототока, то на основании ре­ зультатов четырех отсчетов можно 'было бы вычислить пара­ метры Стокса. Поглотитель и каждое фильтрующее устрой­ ство пропускают свет, интенсивность которого составляет по­ ловину интенсивности падающего. Поглотитель поглощает свет независимо от его поляризации. Второе фильтрующее уст­ ройство непрозрачно для света с вертикальным направлением колебаний. Третье фильтрующее устройство поглощает свет, поляризованный под углом —45° (направление колебаний по-

Рнс. 45. Формы поляризации света, выходящего из по­ глотителя и трех фильтрующих устройств

вернуто на 45° против часовой стрелки от горизонтального на­ правления). Четвертое фильтрующее устройство не пропускает левоциркулярного света.

На основании электромагнитной теории параметры Стокса для плоской монохроматической волны определяют следую­ щим образом:

осей Ох и Оу прямоугольной системы координат, перпендику­ лярной к направлению распространения света; б — разность фаз между составляющими вдоль осей; угловые скобки озна­ чают усреднение величин во времени.

Определение вектора Стокса, согласно выражению (33), позволяет рассчитать величины I, М, С и 5 для различных случаев. Так как для вектора Стокса интерес представляют только относительные величины, то все параметры делят на первый (/) и получают, что / всегда равно единице.

74

Г л а в а III

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ПОЛЯРИМЕТРИЯ

Поляриметрия — это область измерений углов вращения плоскости поляризации, производимого различным*! вещест­ вами (естественная оптическая активность и активность под действием магнитного поля). На основании этих измерений оценивают различные свойства, состав или молекулярную структуру исследуемых веществ.

К поляриметрии в более широком смысле относят и область измерений некоторых других характеристик с помощью поля­ ризационных приборов, например исследование двойного луче­ преломления, вызванного различными причинами, и т. п.

Многие исследователи термин «поляриметрия» употреб­ ляют только применительно к измерениям оптической актив­ ности, и приборы, предназначенные для этих измерений, назы­ вают поляриметрами. В дальнейшем будем придерживаться этой терминологии. Современная терминология в области по­ ляризационных измерений недостаточно точна. Часто поляри­ метрами называют не только приборы, предназначенные для измерения оптической активности, но и приборы, служащие для измерения других параметров поляризованного света. Иногда уточняют, что поляриметр предназначен, например,, для измерения степени поляризации и т. д. Между тем, рацио­ нально было бы каждый поляризационный /измерительный прибор классифицировать по трем следующим признакам: по типу поляризации, исследуемой на данном приборе; по назна­ чению и по способу измерения.

По первому признаку приборы можно разделить на три группы — поляриметры для измерения угла вращения плоско­ сти поляризации линейно поляризованного света, эллипсометры для определения параметров эллиптически поляризован­ ного света и поляризационные приборы для определения сте­ пени поляризации. По назначению приборы можно разделить на две группы: для непосредственного исследования поляризо­ ванного излучения, падающего на поляриметр, и для исследо­

76

вания изменений в состоянии поляризации в результате взаи­ модействия с веществом (аналитические приборы). Основное отличие приборов первой группы от приборов второй состоит в том, что приборы первой группы имеют только анализирую­ щее устройство, в го время как у приборов второй группы имеется, кроме того, еще и поляризующее устройство. Наибо­ лее широко применяются приборы второй группы.

По способу измерения приборы можно разделить на две группы — визуальные и фотоэлектрические.

Поляриметрические методы исследования получили широ­ кое распространение благодаря своей простоте и высокой про­ изводительности [62, 63].

Для оценки концентрации оптически активных веществ в растворах измеряют естественную оптическую активность для узкого участка спектра или одной спектральной линии, напри­ мер, желтой линии натрия (1=589,3 нм) или зеленой линии ртути (1=561,1 нм). Приборы, предназначенные для этих из­ мерений, разделяют на поляриметры и сахариметры, в зави­ симости от метода компенсации измеряемого утла вращения и конструкции шкалы угломерного устройства. Сахариметры широко используют в сахарной промышленности.

Более широкую информацию о химической природе иссле­ дуемого объекта и его структуре получают при измерениях его вращательной дисперсии — значений углов вращения для ряда длин волн в видимой и ультрафиолетовой областях спектра (185—750 нм). Применяемые для этой цели приборы назы­ ваются спектрополяриметрами [64—67].

В настоящее время существуют визуальные и фотоэлектри­ ческие поляриметры, сахариметры и спектрополяриметры. Тех­ нические характеристики некоторых поляризационных прибо­ ров, разработанных в СССР и за границей, приведены в табл. III и IV приложения.

ВИЗУАЛЬНЫЕ ПОЛЯРИМЕТРЫ

В визуальных поляриметрах поток излучения, выходящий из источника 1 (рис. 46), проходит через светофильтр или монохроматор 2, затем через прибор (/, II, III) и попадает в глаз. Поворачивая анализатор 8, наблюдатель добивается получения определенной яркости поля зрения, характерной для данного типа прибора. Для измерения угла вращения, производимого оптически активным веществом, дважды уста­ навливают анализатор на одинаковую яркость поля зрения и дважды выполняют соответствующие отсчеты по угломерному устройству — без исследуемого вещества 6 между поляриза­ тором 4 и анализатором 8 (N0) и с исследуемым веществом

77

(jVi). Угол вращения ф равен разности результатов двух отсче­ тов: ф — Nу—N0.

Погрешность измерения угла вращения зависит от того, на­ сколько точно может оценить глаз яркость поля зрения, кото­ рая соответствует моменту измерения, и от погрешности угло­ мерного устройства. В поляриметрах угломерные устройства выбирают таким образом, чтобы погрешность измерения угла была меньше погрешности установки анализатора. Тогда по­ грешность измерения угла вращения будет зависеть главным

Рис. 46. Схема поляриметра

образом от погрешности установки анализатора, определяе­ мой визуальной чувствительностью — наименьшим углом по­ ворота анализатора, при котором изменение яркости может быть замечено глазом. Этот угол зависит от условий работы глаза — от того, насколько используется его контрастная чув­

ствительность. Контрастная чувствительность глаза характе-

оФ ризуется отношением — , где ф — световой поток, падаю­

щий на сетчатку глаза, и 6Ф — минимальное приращение све­ тового потока, замечаемое глазом.

Согласно закону Вебера — Фехнера, для средних значений яркостей (применительно к глазу) отношение изменения силы раздражения сетчатки к самой силе раздражения постоянно. Оно различно для разных наблюдателей и зависит от условий наблюдения. У тренированных наблюдателей, при непосред­ ственном сравнении двух значительных по величине яркостей и хорошей адаптации глаза

Каждый поляриметр (ом. рис. 46) состоит из трех основных узлов: поляризатора /, анализатора с угломерным устройст­ вом II и зрительной трубы для наблюдения III. Линза 3 дает

78

изображение источника света 1 в плоскости диафрагмы 7. Выходящий из поляризатора линейно поляризованный свет проходит через две круглые диафрагмы 5 и 7, далее через анализатор, с которым жестко скреплено угломерное устрой­ ство 9, и попадает в зрительную трубу III с объективом 10> диафрагмой И , окуляром 12 и выходным отверстием 13.

Лимб угломерного устройства расположен перпендикулярно к оси вращения анализатора. Для отсчета углов поворота ана­ лизатора применяют два нониуса с лупами, расположенными

с целью устранения влияния эксцентриситета лимба относи­ тельно оси вращения.

Анализатор обычно снабжают двумя рукоятками: одна — для грубой, другая (с микрометрическим винтом) — для точ­ ной установки.

В простейших поляриметрах при измерении поворотом ана­ лизатора добиваются полного затемнения поля зрения. При этом 'угол между колебаниями, пропускаемыми поляризато­ ром и анализатором, по закону Малюса равен 90°. Если ана­

8ф = ® osin280,

где Ф — световой поток, выходящий из поляризатора. Заменив sin 60 на 60 и считая, что 6Ф — минимальное из­

менение светового потока, замечаемое глазом, получим, что при установке анализатора на темноту чувствительность

Таким образом, с увеличением светового потока Ф0 угол 60 уменьшается, т. е. чувствительность установки анализатора растет. Значительному уменьшению величины 60 мешает рас­ сеянный свет, возникающий в оптической системе поляримет­ ра и выходящий из анализатора. Количество рассеянного света прямо пропорционально потоку излучения. Чтобы уста­ новить анализатор в положение, при котором яркость поля зрения минимальна, наблюдатель должен запоминать и срав­ нивать малые яркости. Это довольно трудно, поэтому значе­ ние 60 велико и обычно составляет угол от 30' до 1° [13, 29].

Для повышения точности измерения в поляриметрах ана­ лизаторы устанавливают так, что малые яркости двух (или трех) полей сравнения, на которые разделено поле зрения при­ бора, одинаковы. С этой целью поляриметры снабжают полу-

79

теневыми устройствами — поляризаторами (или анализато­ рами) особой конструкции. Свет, выходящий из такого поля­ ризатора, линейно поляризован, но направления колебаний Р\ и Р2 (рис. 47) на полях сравнения находятся под неболь­ шим углом 2т (2—8°) друг к другу (рис. 47, а), называемым полутеневым углом. Поля сравнения имеют тонкую границу

Рис. 47. Поле зрения в полутеневом поляриметре при различ­ ных положениях анализатора

раздела, которая исчезает при установке анализатора .4 (рис. 47, б) на равенство полутеневых яркостей. Поворот ана­ лизатора относительно положения полутеневого равенства вы­ зывает затемнение одного поля в то время, как другое стано­ вится светлее (рис. 47, а, в). Благодаря этому чувствитель­ ность установки анализатора при тонкой границе раздела срав­ нительно высока.

Световой поток на полях сравнения при полутеневом равен­

где Фо — световой поток, выходящий из поляризатора. Применяя формулу (34), определяют чувствительность

установки анализатора, характеризуемую углом 60, в зависи­ мости от минимального приращения потока 6Ф, замечаемого глазом:

80

Чем меньше угол т, тем меньше 60, т. е. больше чувствитель­ ность. Вместе с тем с уменьшением угла полутемн уменьшает­ ся яркость полей сравнения в соответствии с формулой (34), вследствие чего может уменьшиться и контрастная чувстви­ тельность глаза [68, 69]. Чем больший поток излучает .источник света, используемый в поляриметре, тем больше Ф и меньше 60. В высококачественных поляриметрах с полем зрения 3—5° при малой, но достаточной яркости поля зрения, при ко­ торой невелико снижение контрастной чувствительности гла­

за, и хорошей темновой адаптации глаза 1/50. При нали­

чии рассеянного света чувствительность уменьшается мезначительно, так как рассеянный свет одинаково увеличивает яр-, кость каждого из полей сравнения.

При использовании ярких ламп накаливания или газосвет­ ных можно получить достаточную яркость поля зрения для углов полутени 2т, равных от 1,5 до 8°. При угле 2т = 1,5° про­ цесс измерения требует 'большого напряжения зрения и зна­ чительного количества времени, зато чувствительность уста­ новки высока —■порядка 0,004°. В промышленных приборах угол полутени составляет 6—8°, измерения не так утомитель­ ны, но чувствительность значительно меньше — около 0,02°. Таким образом, при измерениях на точных поляриметрах (с углом полутени 1,5° и ценой деления барабана окулярного микрометра 0,005—0,001°) случайная погрешность составит 0,005°. На приборах с углом полутени 8° погрешность измере­ ния составит не менее 0,02°.

В большинстве современных приборов полутеневые устрой­ ства связаны с поляризаторами. Конструкции этих устройств должны обеспечивать возможность наблюдения тонкой линии раздела, исчезающей во время измерения, и достаточную для глаза яркость полей сравнения. При исследовании веществ с различным поглощением для по­

новленной в непосредственной близости от нее малой призмы Р', представляющей собой несколько видоизмененную призму Глан-Томпсона, но она перекрывает только половину большой призмы.