CHƯƠNG II: SỰ PHÂN CỰC CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ
2.3. Một số loại phân cực khác
2.3.4. Sự phân cực quay
30
Cho một chùm tia sáng đơn sắc song song qua hai nicon A và P đặt vuông góc với nhau (hình 2.6) và đặt mắt ở O để đón ánh sáng thì thấy tối hoàn toàn. Đặt giữa A và P một bản thạch anh T có quang trục vuông góc với hai mặt bản, ta lại thấy ánh sáng hiện ra.
Hình 2.8 Hiện tượng phân cực quay
Từ từ quay nicon A theo chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ quanh phương truyền của ánh sáng, thì đến một lúc ta thấy ánh sáng tắt hoàn toàn,chứng tỏ ánh sáng qua bản T là ánh sáng phân cực thẳng.
Nhưng phương dao động của chùm ánh sáng không song song với phương ban đầu, mà đã quay đi một góc bằng góc mà ta quay nicon phân tích, để lại làm tắt ánh sáng.
Bản thạch anh vuông góc với quang trục đã làm quay mặt phẳng phân cực của chùm sáng và gọi hiện tượng này là hiện tượng phân cực quay.
Hiện tượng không thay đổi khi ta xoay bản thạch anh quanh trục của nó, hoặc lật bản trở lại.
Thí nghiệm với bản thạch anh có độ dày khác nhau,với ánh sáng đơn sắc khác nhau, do góc quay quanh nicon A để làm tắt ánh sáng, ta rút ra được các định luật sau:
Góc tỷ lệ với độ dày của bản. Chứng tỏ rằng hiện tượng bắt nguồn ở trong khối tinh thể, chứ không phải ở mặt bản. Ta có:
= (2.3.21)
31
là hằng số phụ thuộc bản tinh thể, vào bước sóng ánh sáng và được gọi là năng suất quay cực của tinh thể. đo bằng độ trên milimet.
Tinh thể thạch anh có thể chia làm hai loại: hai bản thạch anh có cùng độ dày, thuộc hai loại khác nhau cùng làm cho mặt phẳng dao động quay những góc bằng nhau, nhưng ngược chiều nhau. Nếu đặt mắt ở O để đón ánh sáng, ta quay kính phân tích A theo chiều kim đồng hồ thì thạch anh là hữu tuyền hay quang phải. Cách phân biệt chiều quay trái này chỉ áp dụng cho bản mỏng, khi góc quay nhỏ hơn 180.
Năng suất quang cực biến thiên rất nhanh theo bước sóng ,tăng khi giảm.
Nếu trong thí nghiệm (hình 2.6) ta dùng một chùm ánh sáng trắng thì mặt phẳng dao động ứng với các bức xạ có bước sóng khác nhau bị quay những góc không bằng nhau. Khi quay kính phân tích một góc 17
, thì bức xạ đỏ bị tắt và trên bản hiện lên màu lục, là màu phụ của màu đỏ; đến 20 thì màu vàng bị tắt và bản có màu tím là màu phụ của màu vàng; quay tiếp thấy lần lượt xuất hiện bảy màu phụ của bảy màu trên quang phổ, mà không làm tắt được ánh sáng. Nếu bản thạch anh quá dày vài centimet thì góc quay của một số bức xạ lớn hơn 180, thì có nhiều bức xạ bị tắt cùng một lúc,đồng thời lại có một số bức xạ qua được kính phân tích với cường độ cực đại, ta chỉ thấy màu trắng ở trên, màu này không thay đổi khi qua nicon.
b. Giải thích hiện tượng
Giải thích hiện tượng phân cực quay bằng giả thuyết dao động phân cực của Fresnel.
Theo Fresnel ta thừa nhận rằng hai dao động phân cực tròn tả tuyền và hữu tuyền được theo quang trục của tinh thể thạch anh mà không bị biến dạng nhưng với hai vận tốc vtvà vp khác nhau.
Giả sử Ox là phương của
cực thẳng OA được coi là tổng của hai dao động tròn cùng biên độ OA’
và OA” quay ngược chiều nhau
đồng hồ và OA” quay theo chiều kim đồng hồ
Vận tốc truyền của OA’ và OA” trong tinh thể có trị số nhau, sau khi qua bản tinh thể có độ dày
hiệu số pha và hiệu lộ trình
1 1
( ) .
2 2 1 1
p t
v v
Giả sử vp>vt tức là dao động hữu tuyền truyền với vận tốc lớn hơn Khi dao động tả tuyền quay được một góc
tuyền quay được một góc
ban đầu, thì OA”đã vượt qua vị trí ban đầucủa nó và tới vị trí cho A OA" 1" . Ra khỏi bản
thành dao động thẳng
32
Giả sử Ox là phương của dao động tới bản T (hình 2.8). Dao động phân cực thẳng OA được coi là tổng của hai dao động tròn cùng biên độ OA’
ay ngược chiều nhau (hình 2.9): OA’ quay ngược chiều kim đồng hồ và OA” quay theo chiều kim đồng hồ
Hình 2.9 Tổng hợp dao động
Vận tốc truyền của OA’ và OA” trong tinh thể có trị số
sau khi qua bản tinh thể có độ dày , giữa hai dao động ấy có và hiệu lộ trình :
1 1
( ) .
2 2 1 1
( )
p t
p t
v v c c
v v
(2.3.22)
tức là dao động hữu tuyền truyền với vận tốc lớn hơn Khi dao động tả tuyền quay được một góc t 2k , thì dao động hữu tuyền quay được một góc p 2k , tức là khi OA’ về tới vị trí
thì OA”đã vượt qua vị trí ban đầucủa nó và tới vị trí
Ra khỏi bản,hai dao động tròn OA’ và hành dao động thẳng OA hướng theo đường phân giác của góc 1
Dao động phân cực thẳng OA được coi là tổng của hai dao động tròn cùng biên độ OA’
OA’ quay ngược chiều kim
vt và vp khác giữa hai dao động ấy có
tức là dao động hữu tuyền truyền với vận tốc lớn hơn.
thì dao động hữu tức là khi OA’ về tới vị trí thì OA”đã vượt qua vị trí ban đầucủa nó và tới vị trí OA sao 1"
hai dao động tròn OA’ và OA hợp lại 1"
hướng theo đường phân giác của góc AOA' 1"
33
,vậy OA đã quay một góc 1 1 xOx 2
, theo chiều của OA", tức là theo chiều quay của dao động tròn truyền nhanh hơn.
Vậy mặt phẳng dao động của ánh sáng quay theo cùng một chiều với dao động tròn có vận tốc truyền lớn hơn; trong thạch anh hữu tuyền, dao động truyền hữu tuyền nhanh hơn dao động truyền tả tuyền.
c. Định luật Biốt
Chất lỏng và dung dịch đẳng hướng phần lớn là những chất hữu cơ, chúng có tính chất làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng như thạch anh. Dùng một ống T đựng dung dịch hoặc chất lỏng cần khảo sát, hai đầu đậy bằng hai tấm thủy tinh, đặt giữa hai tấm nicon vuông góc, cho ánh sáng đi dọc theo ống, thì thấy ống chất lỏng hoặc dung dịch tác dụng như một bản thạch anh vuông góc với quang trục: quay nicon phân tích A một góc xác định, lại làm tắt được ánh sáng. Tuy nhiên, trong chất lỏng và dung dịch không có phương ưu tiên và hiện tượng không phụ thuộc phương truyền sáng như trong thạch anh.
Đối với các chất lỏng tinh khiết và với một bức xạ đơn sắc nhất định, góc quay của mặt phẳng dao động của ánh sáng cũng tỷ lệ với độ dày của lớp dung dịch và phụ thuộc bước sóng ánh sáng, như đối với thạch anh.
Trong trường hợp dung dịch, Biốt thiết lập được định luật thực nghiệm sau:
Đối với một bức xạ đơn sắc xác định, góc quay của mặt phẳng dao động của ánh sáng tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch.
Gọi là góc quay ấy, là độ dài của ống chứa dung dịch và C là nồng độ dung dịch thì:
.C
34
Hệ số tỷ lệ không phụ thuộc nồng độ, gọi là năng suất quay cực riêng của dung dịch. Thông thường được xác định với bức xạ D và ở nhiệt độ 20 C , được kí hiệu:
20D
Và được đo bằng độ trên centimét.
Những chất có tính làm quay mặt phẳng phân cực được gọi là chất quang hoạt. Nếu dung môi cũng là chất quang hoạt thì góc quay của mặt phẳng dao động của ánh sáng bằng tổng các góc quay do dung môi và do chất hòa tan gây ra.
Nếu dung dịch chứa nhiều chất hòa tan thì góc quay toàn phần là tổng đại số các góc quay do mỗi chất gây ra, khi tác dụng riêng rẽ.
Gọi 1 , 2 ,…, i là các năng suất quay cực riêng, lấy với dấu (+) cho hữu tuyến, lấy dấu (-) cho chất tả tuyến và C1, C2,…, Ci là nồng độ mỗi chất thì:
1 1 2 2
{ C C ... i Ci ... n Cn}.
Định luật Biốt chứng tỏ rằng, nồng độ dung dịch càng lớn thì số phân tử quang hoạt trong dung dịch càng lớn và góc quay của mặt phẳng phân cực càng lớn. Vậy tính quang hoạt là một tính chất của phân tử.
Định luật Biốt được ứng dụng rộng rãi để chuẩn độ các dung dịch quang hoạt. Phương pháp chuẩn độ này vừa nhanh, vừa không phá hủy chất phân tích nên đã trở thành một trong những phương pháp phân tích cơ bản và phổ biến trong phòng thí nghiệm, cũng như trong công nghiệp hóa học hữu cơ.
c. Phân cực quay do tác dụng của từ trường, điện trường
Môi trường không quang hoạt dưới tác dụng của từ trường lại trở thành quang hoạt. Hiện tượng từ quay do Faraday khám phá qua thí nghiệm hình 2.10
Giữa hai cực c flin khá dày. Hai cực c chiều của từ trường ,
hai nicon vuông góc P và A sau đó cho m song đi theo lỗ rộng trong nam châm và qu
Khi chưa cho d nhận được ánh sáng. Cho dò Quay kính phân tích A m flim đã trở thành quang ho
Theo Verdet, góc dày của tấm flim.
Chiều quay của m không phụ thuộc chi bản T hai lần liên tiế
đôi. Vậy với một bản T dù m