Поляризоване світло відрізняється від звичайного тим, що він коливається тільки в одній площині, в той час як звичайне світло коливається у всіх площинах простору.
Поляризоване світло можна отримати, якщо пропустити промінь звичайного світла через призму Ніколя, кристалічна решітка якої затримує коливання світла у всіх площинах, крім однієї, через яку він проникає на інший бік кристала у вигляді поляризованого світла. Призму Ніколя, що служить для отримання поляризованого світла, називають поляризатором.
Якщо на шляху поляризованого світла поставити другу призму Ніколя, площина поляризації якої збігаєтеся першої призмою, то поляризоване світло вільно пройде через другу призму і освітить простір позаду неї. У разі зміщення другий призми так, що порушиться паралельність площин поляризації, поляризоване світло не зможе повністю пройти через другу призму і простір позаду неї буде частково або повністю затемнено (залежно від ступеня зміщення). Другу призму, що знаходиться на шляху поляризованого світла, називають аналізатором.
Якщо між поляризатором і аналізатором, встановленими так, що поляризоване світло проходить через аналізатор, помістити шар рідини, що не містить оптично активних речовин, наприклад дистильовану воду, то площину коливання поляризованого світла не відхилиться і промінь пройде через аналізатор так само, як у випадку, коли шар рідини відсутній.
Площина поляризованого світла зрушиться на певну величину, якщо при первинному положенні обох призм між ними помістити шар рідини, що містить оптично активну речовину, наприклад глюкозу. У даному конкретному випадку зрушення відбудеться на кут а і світло не зможе пройти через аналізатор.
Для того, щоб світло пройшов через аналізатор, останній необхідно повернути на той же кут а так, щоб площина поляризованого світла знову збігалася з площиною аналізатора. Поставивши перед аналізатором градуированную в градусах шкалу, можна виміряти кут відхилення, а разом з тим і кут обертання площини поляризованого світла а.
Апарати, побудовані на описаному вище принципі, називаються поляриметрії і з їх допомогою визначається кут обертання поляризованого світла. Схематичне пристрій найпростішого поляриметра наведено на рис. 95, а, б.
Рис. 95.
а, б - схематичне зображення поляриметра. Пояснення в тексті.
Дзеркало (1) служить для спрямування пучка світла в апарат, а помаранчевий світлофільтр (2), встановлений перед поляризатором, пропускає тільки жовте світло, так як поляриметрії переважно проводити при жовтому, а ще краще при монохроматичному світлі натрієвої лампи. Поляризатор (3) служить для поляризації пучка світла, а трубка (4) призначена для заповнення її досліджуваної рідиною. Аналізатор (5) і пов'язаний з ним диск повороту (6) служать для обертання на відповідний кут. Окуляр поляриметра (7) необхідний для розгляду поля зору, а шкала з ноніусом (8) і окуляр (9) потрібні для реєстрації величини кута обертання.
Поле зору поляриметра зазвичай розділено на дві рівні частини (рис. 96, а). Коли в трубці знаходиться оптично неактивна рідина, то обидві половини зорового поля освітлені однаково, так як аналізатор не затримує світла. При наявності в трубці оптично активного розчину одна з половин зорового поля затемнюється, так як площину поляризованого світла відхиляється і світло не повністю проходить через аналізатор. Поворотом диска, до якого прикріплений аналізатор, останній повертають на кут а, відповідний повороту площини поляризованого світла, при цьому обидві половини зорового поля висвітлюються однаково. На шкалі приладу визначається величина кута.
У деяких приладах поле зору розділене не на дві, а на три частини - центральну смугу і два бокових сегмента по сторонах (рис. 96, б). Ці прилади зручніше, ніж поляриметри з двома частинами поля зору. При оптично неактивної рідини всі три частини поля зору освітлені однаково. При оптично активної рідини, що знаходиться в трубці, площина поляризованого світла відхиляється і центральна смужка зорового поля затемнюється.
Диск з аналізатором обертають до тих пір, поки всі три частини поля зору візьмуть однакову освітленість, після чого зазначають кут повороту.
Для оптично активної речовини величина кута обертання поляризованого світла залежить від ряду факторів:
1) від характеру речовин, кожна з яких має свій характерний кут обертання, який називають «питомим обертанням» і позначають [?] 20D-
2) від концентрації оптично активного речовини-
3) від довжини трубки, в якій поміщена досліджувана рідина (товщина шару).
Залежність між цими величинами може бути виражена таким рівнянням:
C = 100 / | [?] 20D · l
де 1) [?] 20D -Питомий обертання речовини-
2) l - товщина шару-
3) С - концентрація оптично активної речовини. Таким чином, знаючи питоме обертання речовини і довжину
трубки, можна визначити його концентрацію в розчині. Довжина трубки в різних апаратах може бути різною. Ця величина вказується в інструкціях по користуванню.
[?] 20D позначає специфічний кут обертання (питомий
обертання), т. е. кут обертання поляризованого світла при концентрації одного грама речовини в 1 мл, при довжині трубки в 10 см, температурі 20 °, при жовтому натриевом світлі (D - лінія спектра).
Поляриметр П-161 в даний час не випускається, але застосовується в багатьох лабораторіях. Він дуже простий у використанні і призначений для визначення цукру в сечі. Прилад складається з трьох основних частин: стійки, трубки поляриметра і трубки-кювети.
Трубка-кювету виготовлена з кераміки, на яку нагвинчують ковпачки з гумовими прокладками і захисними стеклами, щоб не витікала досліджувана рідина. Виготовлена з непрозорою кераміки кювету дозволяє встановлювати її у відкрите ложі поляриметричної трубки. Керамічна трубка-кювету небитка, кислотостійка, стінки її володіють меншою відбивною здатністю, ніж скло. Довжина керамікових трубки-кювети - 94,7 мм, розрахована таким чином, що подвоєне число відліку дає безпосереднє вміст цукру в 100 мл сечі або відповідно вміст цукру у відсотках.
Більш складним приладом є кругової поляриметр типу СМ, дозволяє визначати кут обертання в межах ± 360 °. Промінь світла від лампи розжарювання через отвір в кожусі освітлювача проходить через світлофільтр, освітлювальну лінзу-конденсор, що дає пучок паралельних променів, і далі через поляризатор, поміщений між двома захисними стеклами. Поляризоване світло проходить через діафрагму з кварцовою пластинкою, розташованої так, що через неї проходять промені тільки середній частині пучка. Платівка відхиляє площину поляризації світла, що проходить через поляризатор на 5-7 °.
Поворотом аналізатора регулюється освітленість фотометричного поля, яке в поляриметрії СМ розділене на три частини (рис. 96, б). Затемненість полів визначають через зорову трубу і фіксують або у відсутності трубки з досліджуваним розчином, або з трубкою, наповненою водою.
Рис. 96. Поле зору поляриметра.
а - з двома полямі- б - з центральними та боковими сегментами.
Складним і високоточним продуктивним приладом є поляриметр, що випускається фірмою «Perkin-Elmer» [85]. Поляриметр цієї фірми моделі 241 МС має монохроматор. Монохроматичне світло проходить через поляризатор, осередок із зразком і аналізатор і потрапляє на фотоумножувач. Прилад працює на принципі оптичного нульового відліку. Поляризатор і аналізатор встановлені в нульовій позиції на вертикальній оптичної осі. Коли оптично активний зразок встановлюється в пучок світла, аналізатор повертається за допомогою серво-системи до тих пір, поки знову не встановлюється оптичний нуль. Кут обертання вимірюється за шкалою і результат вказується на цифровому табло.
Вимірювання кута обертання досліджуваних речовин може проводитися в променях ртутної лампи високого тиску, а також при необхідності у світлі натрієвої лампи з довжиною хвилі 589 нм, дейтерієвої лампи з довжиною хвиль 250-420 нм або йодної-кварцової лампи (350-650 нм). Три останніх лампи змонтовані в окремому блоці, який легко встановлюється в прилад і дозволяє швидко здійснювати перемикання необхідного джерела світла.
Для дослідження малих обсягів розчинів є спеціальна мікроячейка на 0,2 мл. Точність приладу: ± 0,002 ° для ротаційних величин lt; 1 °.
Габарити приладу: довжина - 950 мм, ширина - 280 мм, висота - 350 мм. Маса - близько 50 кг.