Поляриметры

Поляриметры, поляризационные аппараты, приборы для измерения вращения плоскости поляризации (смотрите). Для практики химич., технич., а также медицинского анализа наибольшее значение имеет вращение плоскости поляризации в жидкостях, и П. конструируются в виде приборов, приспособленных по преимуществу для жидкостей. Величина, подлежащая измерению в П., есть угол а поворота плоскости поля-

ризации. Для его определения применяются два основных свойства поляризованного света: 1) зависимость интенсивности поляризованного света, проходящего через поляризационные призмы (смотрите Поляризационные приборы), от положения плоскости колебаний; 2) зависимость интерференционного результата от положения плоскостей колебаний интерферирующих лучей (если эти плоскости взаимно перпендикулярны, интерференции не происходит).

Измерение а по максимальному затемнению поля зрения. Грубое определение вращения плоскости поляризации м. б- произведено при помощи простой установки, состоящей из поляризатора и анализатора. Если на пути монохроматического параллельного пучка света помещены две поляризационные призмы, главные сечения которых составляют угол в 90° (скрещенные призмы), то свет не проходит через анализатор, и поле зрения остается темным. При внесении оптически активного тела плоскость поляризации поворачивается, свет частично проходит через анализатор, и поле зрения просветляется. Для восстановления максимальной темноты анализатор должен быть повернут на угол а. Если бы при скрещенных призмах свет гасился полностью, то указанным способом можно было бы достигнуть большой точности определения а. В дей-ствительностивсегдаостаетсязаметный паразитный свет, зависящий от несовершенства полировки призм, от ничтожного двойного лучепреломления линз и стеклянных частей в приборе, от отражения на стенках и других причин. При наиболее благоприятных обстоятельствах а измеряется таким способом с точностью не большей ~10. Увеличение чувствительности установки может быть достигнуто, если воспользоваться естественным недостатком нек-рых поляризационных призм (например Николя), темной полосой Ландольта — Липпиха (смотрите Поляризационные приборы). Если поляризатором служит призма с нормальными гранями (Гла-на, Глазебрука), то при скрещивании поляризатора и анализатора на общем темном фоне видна черная полоса, параллельная главному сечению анализатора. При внесении активного вещества поле просветляется, полоса исчезает или слабеет и м. б. восстановлена с максимальной резкостью при повороте поляризатора на угол а. При моно-хроматич. освещении умеренной яркости а м. б. измерен таким способом с точностью примерно до V.Пользуясь интенсивным солнечным светом, Липпих добивался точности до 5". Еще бблыная точность установки на максимальное затемнение получается при помощи пластинки (или полярископа) Сенар-мона (фигура 1, I). Пластинка состоит из четырех кварцевых клиньев, вырезанных перпендикулярно оптич. оси и склеенных в виде плоскопараллельной пластинки. Клинья а и d вырезаны из правовращающего кварца, клинья Ь и с—из левовращающего. При прохождении параллельного поляризованного пучка света через пластинку найдется место, где правое вращение в точности компенсируется левым, причем если световые колебания падающего света параллельны ребрам AB, CD, то это место расположено одинаково в обеих половинах пластинки

EBCF и EADF. Между скрещенными поляризатором и анализатором будет видна черная, несколько размытая полоса. При вращении плоскости поляризации падающего света черные полосы в двух половинах поля зрения сместятся в противоположных напра

влениях (фигура 1, II), и для их совмещения поляризатор должен быть повернут на угол а.

Полутенейые П. Наибольшее применение в практике точных поляриметрич. измерений получили приборы, построенные на принципе полутени, позволяющем очень сильно повысить точность установки на максимальное затемнение. Во всех, полутеневых П. поляризатор разделен на две или три части, пропускающие световые колебания в нескольких различных плоскостях, образующих небольшой угол ε между собою (верхняя часть фигура 2). Перед измере

а Ь с

Фигура г. нием анализатор прибора поворачивается в положение максимальной темноты. Это достижимо однако при описанном устройстве поляризатора только для одной половины поля, по произволу левой или правой (нижняя часть фигура 2, а и 2, с). В качестве чувствительного индикатора пользуются промежуточным положением равенства интенсивностей обеих половин поля (фигура 2,b). Слабое освещение, получающееся при этом, определяет название метода—полутеневой. Если на пути между поляризатором и анализатором произойдет вращение плоскости поляризации на угол Δα, то равенство полей нарушится, и для выравнивания их анализатор нужно повернуть на Δα. Чувствительность установки м. б. рассчитана следующим образом. По закону Малю (смотрите Поляризация сеета) интенсивность в обеих половинах поля при условии равенства выразится при малых значениях в так:

£7=£7₀ sin^a I=So з (1)

(если пренебречь некоторым постоянным ослаблением света в одной половине). При вращении плоскости поляризации на Δα интенсивности перестают быть равными, и дл и малых значений ε и Δα

E,=Е₀ sin² (| + Δω) +Δα)

Ε,=EeSin² —Δα^ -Δα)³,

откуда, пользуясь (1) и обозначая E₁—E_i== ΔΕ, находим:

;f· (2)

При наблюдении глазом при данной интенсивности Е существует нек-рая минимальная разница интенсивностей (ЛЕ)_т, еще воспринимаемая визуально как таковая (порог фотометрической чувствительности), при ΔΕ < (АЕ)_т различие интенсивностей не ощущается. Для опытных наблюдателей при умеренно слабом освещении ^(Д^”аа0,02, и т. о. предельное измеримое значение

Δα s2,5 · 10^_3 · ε. (3)

Ф-ла (3) применима однако только для не слишком слабых интенсивностей поля зрения. По мере уменьшения ε полутеневое освещение становится все слабее, и вместе с

АЕ

тем начинает резко возрастать -g-, то есть глаз становится все менее фотометрически чувствительным. При данном источнике света существует оптимальное значение ε, при котором установка делается с наибольшей точностью. При освещении зеленой линией ртутной лампы возможно достигнуть точности установки менее половины V. Полутеневой поляризатор осуществляет-Фигура з. ся различными способами.

Полутеневые призмы Джел-летта и Корню являются в сущности распиленным и вновь склеенным николем, причем перед соединением одна половина николя клинообразно сошлифовывается (на угол ε). Николь, соединенный т. о. вдоль двух своих половин, пропускает поляризованные лучи, плоскости колебаний которых образуют постоянный угол ε (фигура 3). В настоящее время такие поляризаторы помещаются только в наиболее простых и грубых приборах.

В поляризаторе Лорана (фигура 4) разделение поля и поворот плоскости поляризации

достигается тонкой кварцевой пластинкой Q, вырезанной параллельно оптич. оси и создающей оптич. разность хода в полволны (или в нечетное число полуволн),—т. н. пластинкой ~. Пластинка ставится за поляризационной призмой N и закрывает либо половину поля (фигура 4, а) либо центральную часть поля (фигура 4,b); в последнем слу-

чае круглая пластинка -₂ наклеена на стекло. Пластинка в | вызывает в обыкновенном и необыкновенном лучах двойного преломления разность фаз π, вследствие чего световой вектор поляризованного света, составляющий при падении угол | с оптической

положение, симметричное первоначальному, вновь образуя угол | с осью, но с другой стороны. Поворотом призмы N полутеневой угол ε может меняться в любых пределах. Недостатком поляризатора Лорана является пригодность его только для определенной Я, для другой λ данная кварцевая пластинка уже не будет пластинкой в |. Если в поляризаторе Лорана (фигура 4) заменить пластинку, вырезанную параллельно оптич. оси, тонкой кварцевой пластинкой, вырезанной перпендикулярно оси, то поворот плоскости поляризации на угол ε в одной половине поля будет вызываться благодаря вращению плоскости поляризации в кварце. Эта установка неудобна, 1) потому что для получения достаточно малого ε кварцевая пластинка должен быть чрезвычайно тонкой, 2) вследствие невозможности вариации ε. Пойнтинг пользовался вместо кварцевой пластинки для той же цели плоскопараллельной стеклянной кюветой, наполненной раствором оптически активного сахара (фигура 6). В кювету погружена толстая стеклянная пластинка, разделяющая поле на две половины.

Применение толстых пластинок кварца, вырезанных перпендикулярно оптич. оси, для полутеневой установки осуществлено в бикварце Солей. Бикварц состоит из двух толстых кварцевых пластинок, вырезанных перпендикулярно оси из правого и левого кварца и тщательно склеенных рядом. Монохроматический поляризованный свет с колебаниями, параллельными линии раздела, проходя через бикварц, испытывает противоположное симметричное вращение плоскости поляризации в левом и правом кварце (фигура 7) на угол ω. В очень тонком бикварце полутеневым чувствительным углом служит угол 2 а>, в толстом бикварце таковым является угол л-2ю (фигура 7). При тщательном подборе толщины бикварца для данной λ чувствительный угол можно сделать сколь угодно малым. Пре-

имуществом бикварца является возможность работы с ним при белом, не монохроматич. свете. Вследствие дисперсии вращательной способности (смотрите Вращение плоскости поляризации) различные цвета, входящие в белый свет, испытывают различное вращение плоскости поляризации. Бикварц, находящийся между поляризатором и анализатором, при освещении белым светом кажется поэтому интенсивно окрашенным, при повороте анализатора или поляризатора окраска резко меняется. При некотором положении анализатора обе половины поля окрашены в одинаковый цвет. Это равенство интенсивности и окраски служит индикатором для установки анализатора. Если толщина бикварца равна 3,75 миллиметров, то при работе с обычными Г-ными излучателями или солнечным светом в одном из положений равной окраски обе половины поля приобретают интенсивно пурпуровый оттенок (чу ветвительный оттенок). При ничтожном повороте анализатора одно поле становится красноватым, другое синеватым. Если между поляризатором Солей и анализатором, установленным на чувствительный оттенок, поместить оптически активное тело, то окраска обоих полей делается резко различной, и для восстановления чувствительного

цвета анализатор нужно повернуть на угол а. Таким способом а м. б. измерен с точностью до нескольких минут. Бикварц Солей иногда применяется в технич. П.

Наиболее распространенным и совершен ным полутеневым поляризатором является поляризатор Липпиха, устройство которого в двух вариантах дано на фигуре 8. Он состоит из двух (или трех) поляризационных призм, большая призма неподвижна, малая может поворачиваться на некоторый полутеневой угол посредством особого рычага. В случае двух призм поле зрения разделено на две части, в случае трех—на три. В последнем случае точность установки (на одинаковую минимальную разницу с обеих сторон) возрастает приблизительно вдвое. Видоизменением поляризатора Липпиха является поляризатор, применяемый в приборах англ, оптич. фирмы Hilger (фигура 9). Обе призмы одинакового размера и поставлены рядом, выходящие лучи наклоняются до соприкосновения двумя стеклянными пластинками,

поставленными под углом. В П. сист. Hilger угол между главными сечениями поляризационных призм постоянен. На фигуре 10 дан общий вид прецизионного П. с поляризатором Липпиха, по Ландольту. Маленькая призма поляризатора соединена с рычагом Z, передвигающимся относительно градус-

Фигура 10.

ной шкалы V и закрепляемым винтом К-Анализатор соединен с большим деленным кругом с нониусами, отсчеты производятся через две лупы L на двух гсонцах диаметра, освещение шкалы достигается с помощью зеркал S. Зрительная труба F устанавливается резко на черту раздела между двумя призмами поляризатора. Грубый поворот анализатора производится ручкой Я, тонкая установка—посредством микрометрии. винта Mi, освобождаемого клеммой К1. На фигуре 10 поляриметрическая трубка с исследуемой жидкостью помещена в нагреватель Ландольта, состоящий из латунного асбе-стированного ящика W, в к-ры.й наливается вода или парафиновое масло, окружающие поляриметрич. трубку. Нагревание производится снизу газовой горелкой, помещаемой на столик Р. Для предохранения стеклянных пластинок, закрывающих трубку, от осаждения влаги концы трубки окружены снаружи защитными стеклянными сосудами U, закрытыми плоскопараллельными стеклами. Внутрь этих сосудов для осушения кладется хлористый кальций. Через крышку D наружу выходит ручка мешалки R, отверстие для термометра О и трубка, соединенная с поляриметрич.металлич.трубкой для принятия избытков расширяющейся жидкости. Рельсы, поддерживающие W, могут опускаться при помощи винта s для замены нагревателя обычным металлич. каналом для помещения поляриметрич. трубки.

Интерференционный П. Два когерентных луча не интерферируют, если плоскости их колебаний повернуты на 90°; при изменении положения плоскостей появятся интерференционные полосы. На этом принципе м. б. измерено вращение плоскости поляризации. Применение обычных интерферометров (смотрите) для этой цели слишком громоздко, удобнее воспользоваться интерференционными полосами, которые дают различные двоякопреломляющие пластинки или системы пластинок между поляризатором и анализатором. В особенности чув-

ствительна в этом отношении пластинка Савара (смотрите Полярископ). Резкие прямые полосы, пересекающие поле зрения, в присутствии пластинки Савара между поляризатором и анализатором вполне исчезают в центре картины, если колебания луча, падающего на пластинку, параллельны плоскости главного сечения одного из двух

i h

trr

ΟΚί

Фигура H.

кристаллических слоев пластинки и сечение анализатора составляет 45° с главными сечениями пластинки Савара. При ничтожном повороте плоскости поляризации света, падающего на последнюю в поле зрения глаза, установленного на бесконечность, появляются заметные полосы, которые можно заставить исчезнуть поворотом поляризатора на угол а. На этом основании построен поляр и стробо метр Вильда, схема которого приведена на фигуре 11. Свет, падающий через круглое входное отверстие а и диафрагму Ь на поляризатор с проходит через пластинку Савара /, через линзы д и г и диафрагму h к анализатору к. Входная труба ас соединена с деленным кругом d, к-рый можно вра-щать посредством стержня | 1

г с зубчаткой на правом & — у----------р конце. Отсчет делений кру- L и га производится через трубу V ^т ‘

тп; е—поляриметрич. сосуд с исследуемым веществом. Точные измерения с пластинкой Савара возможны только при достаточно сильном освещении, иначе угол исчезновения полос устанавливается неуверенно и неточно. При соблюдении указанного условия и при дальнейшем усовершенствовании пластинки Савара (смотрите Полярископ) поляристробометр в состоянии дать наивысшую возможную чувствительность изменений а. До сего времени однако прибор Вильда широкого распространения не получил.

Сахариметры. Для технич. анализа растворов сахара, патоки и прочих продуктов сахарного производства, для изучения растительных соков и других биологий, жидкостей и для нек-рых случаев медицинского анализа абсолютное значение айв частности его зависимость от Я не представляет самостоятельного интереса. Вращение плоскости поляризации служит здесь лишь весьма чувствительной мерой концентрации растворов сахара. Поэтому П., специально предназначенные для определения концентрации сахара, или сахариметры, строятся несколько иначе, нежели универсальные П. Существенными особенностями являются:

1) применение белого света вместо монохроматического, что упрощает измерения и позволяет работать при больших яркостях, и

2) особая шкала, позволяющая непосредственно отсчитывать концентрацию сахара. Простейшим прибором, с которым можно производить довольно точные измерения вращения плоскости поляризации при освеще нии белым светом, является прибор, снабженный кроме простых поляризатора и анализатора еще бикварцем Солей. Для той же цели вполне пригоден и поляристробометр Вильда. Наиболее распространенные полутеневые приборы в их первоначальном виде не могут функционировать при освещении белым светом, т. к. при вращении плоскости поляризации обе половины поля окрашиваются в разный цвет вследствие вращательной дисперсии, и чувствительная полутеневая установка невозможна. Это затруднение обходится однако для растворов сахара применением кварцевого компенсатора Солей (смотрите Компенсаторы). Случайным образом вращательная дисперсия кристаллического кварца в видимой области спектра весьма точно совладает с вращательной дисперсией различных сортов сахара за исключением синей и фиолетовой части спектра. Если компенсировать вращение сахара противоположным вращением кварца определенной толщины, то поле зрения не. окрашивается и преимущества полутеневого прибора м. б. сохранены. На фигуре 12 дана схема расположения оптических частей сахариметра Липпиха с компенсатором Солей PKk Li—источник света, L—линза, G, Н— поляризатор Липпиха, А—анализатор, F— зрительная труба с объективом Оb и окуляром Ok, В1—диафрагмы, Аи—глаз. Компенсатор Солей состоит из левовращающей к

кварцевой пластинки Р и двух правовращающих клиньев К ж к. Перемещением большого клина К посредством микрометрии. винта можно менять толщину правовращающей части в поле зрения в широких пределах и т. о. с большой точностью компенсировать вращение плоскости поляризации, вызванное раствором сахара. Для исключения влияния возможных небольших оптических неоднородностей кварца некоторые немецкие фирмы снабжают прецизионные сахариметры двойными компенсаторами (фигура 13). Система состоит из двух маленьких неподвижных левовращающих клиньев I и к и двух больших правовращающих L и К, каждый из которых может перемещаться независимо. Благодаря этому установка на равную полутень м. б. достигнута в любом месте шкалы, и измерение вращения плоскости поляризации м. б. повторено в различных местах компенсационных клиньев. Для устранения синих и фиолетовых лучей, вызывающих окраску в сахариметре с компенсатором, свет фильтруют через 6%-ный раствор двухромовокислого калия (15 миллиметров толщины) или через другие эквивалентные светофильтры. Для градуировки компенсатора применяются специальные сахариметрии. шкалы. Шкала Фентцке определяется международной комиссией след, обр.: «26 з чистого сахара отвешиваются в воздухе ла-

Фигура 13.

Т. Э. т. XVII.

тунным разновесом и растворяются в воде до 100 см³ раствора. В поляриметрич. трубке 200 миллиметров длиною этот раствор при 20° С дает вращение, соответствующее 100° Фентц-ке» (подразумевается освещение линией D натрия). Для проверки шкал оптич. фирмами выпускаются тщательно проверенные нормальные кварцевые пластинки. 1° V.= =0,34657° (угловым) при освещении желтым светом D-линии натрия. Во франц. П. применяется б. ч. другая шкала (Солей): 1° S.= =0,21667° (угловым).

Поляриметрические трубки. Нормальная длина поляриметрич. трубок для наполнения исследуемой жидкостью составляет 20 см, кроме того применяются трубки длиною в 5, 10 и 40 см. Нек-рые распространенные типы трубок изображены на фигуре 14: а—обычная стеклянная трубка, b—

Фигура 1 4.

стеклянная трубка с утолщением на одном конце, представляющем собою запасное пространство для пузырьков воздуха, которые могут попасть в трубку, с—металлич. трубка с боковым тубусом для термометра и с двойной оболочкой для пропускания воды с постоянной ί°. Открытые концы трубок, к которым прижимаются запирающие плоскопараллельные стекла, должен быть весьма точно параллельными. Толщина стеклянных пластинок около 2 миллиметров, пластинки должны быть тщательно отшлифованными и свободными от внутренних натяжений, сопровождающихся двойным преломлением. По этой же причине пластинки не должны слишком тесно прижиматься винторезными крышками к концам трубок; для уменьшения внутренних натяжений применяются резиновые прокладки.

Лит.: Хвопьсон О. Д., Курс физики, т. 2, Берлин, 1923; В г u h a t G., Traits de polarimd-trie, Р., 1930 (Подробная библиография); W e i-

gert F., Optische Methoden d. Ciiemie, Lpz., 1927; Landolt H., Das optische Drehungsvermogen, Brsehw., 1898; Hi lger A., A Gener? Catalogue of the Manufactures, L., 1930. С. Вавилов.