Phần 6: PHÂN CỰC QUAY TỰ NHIÊN

Phần 6: PHÂN CỰC QUAY TỰ NHIÊN

I.

Thí nghiệm về phân cực quay

v Chiếu chùm ánh sáng tự nhiên tới hệ Nicol P và Nicol A

Hình 2.26. Hình mô tả thí nghiệm phân cực quay khi

chưa có bản tinh thể dị hướng L

Đặt mắt quan sát cường độ của chùm tia ló → cường độ ánh sáng tới mắt bị triệt tiêu

v Đặt giữa P và A một bản tinh thể dị hướng L bằng thạch anh có trục quang học song song với phương truyền của tia sáng với mục đích khử hiện tượng phân cực do lưỡng chiết → có ánh sáng đến mắt

Hình 2.27. Hình mô tả thí nghiệm phân cực quay khi có bản tinh dị hướng L

Quay Nicol A sang phải hay trái một góc R thì thấy cường độ ánh sáng tới mắt triệt tiêu

Thí nghiệm chứng tỏ rằng bản L đã làm mặt phẳng chấn động OP quay sang phải hay sang trái một góc R khi quay Nicol A cùng chiều quay của bản L một góc R

Hình 2.28. Hình mô tả sự quay của Nicol A sang trái một góc R

Vậy: Bản L đã làm quay mặt phẳng chấn động của ánh sáng nên gọi là “chất triền quang”

      Hiện tượng làm quay mặt phẳng chấn động được gọi là “hiện tượng phân cực quay”

II. Định luật  Biot

- Nếu chất triền quang là chất rắn thì góc triền quang R sẽ tỉ lệ với bề dày của bản

- Nếu chất triền quang là dung dịch loãng thì góc triền quang tỉ lệ với chiều dài l và nồng độ C của dung dịch:

với  là năng suất triền quang (chỉ phụ thuộc bước sóng ánh sáng và nhiệt độ)

III. Lý thuyết về hiện tượng phân cực quay

Fresnel đã giải thích hiện tượng phân cực quay như sau:

Dao động OP có phương trình:  được coi là tổng hợp của hai dao động tròn và  quay xung quanh O với vận tốc  ngược chiều nhau:

Hình 2.29. Hình mô tả cách giải thích hiện tượng phân cực quay của Fresnel

+ Khi chưa đi vào môi trường quang hoạt:

→  Hai dao động trònvà   truyền đi với cùng vận tốc

→  Dao động tổng hợp luôn là OP nằm trên Ox

+ Khi đi vào môi trường quang  hoạt:

→  Hai dao động trònvà   truyền đi với vận tốc v₁≠ v₂ (ứng với n₁≠ n₂)

→  Sau khi đi qua bản quang hoạt thành dao động và không còn đồng pha nữa

→  Chiều quay của mặt phẳng dao động sáng là chiều quay của dao động tròn nhanh pha hơn

IV. Kiểm chứng thuyết Fresnel

Dùng lăng kính bằng thạch anh, có thiết diện là tam giác đều ABC

Hình 2.30. Hình vẻ mô tả lăng kính trong thí nghiệm kiểm chứng thuyết Fresnel

Chiếu tới lăng kính chùm ánh sáng vàng của Natri → có góc lệch cực tiểu D

ð Kết quả thí nghiệm:

-         Thu được hai chùm tia ló, chứng tỏ ánh sáng khi đi qua lăng kính đã bị tách thành hai chùm tia ứng với hai chiết suất khác nhau

-         Một trong hai chùm tia song song với đáy khi đi qua lăng kính

-         Hai chùm tia ló đều là áng sáng phân cực tròn (trái và phải)

V. Đường kế

Là dụng cụ đo góc quay của mặt phẳng chấn động.

Chất triền quang là dung dịch đường

v Bố trí thí nghiệm:

Hình 2.31. Hình mô tả sơ đồ dụng cụ thí nghiệm trong thí nghiệm đường kế

ü      Đèn hơi Natri phát ra ánh sáng đơn sắc

ü      Nicol phân cực P biến ánh sáng tự nhiên → ánh sáng phân cực thẳng

ü      Bản nửa sóng L chắn nửa thị trường

ü      Ống T đựng dung dịch triền quang

ü      Nicol phân tích A có thể quay xung quanh phương truyền của tia sáng (trên có vành chi độ)

v Thí nghiệm:

+ Giai đoạn chỉnh máy:

-         Bỏ ống T, nhìn vào thị trường ta thấy hai nửa thị trường có độ sáng khác nhau

-         Quay Nicol A để 2 nửa thị trường có độ sáng bằng nhau

→ Khi đó trên vành tròn chia độ du xích chỉ số 0

E Giải thích:

Hình 2.32. Hình mô tả hình chiếu củ mặt phẳng dao động OP, OP’ lên Nicol A

-   Ánh sáng tự nhiên qua Nicol phân cực P trở thánh ánh sáng phân cực OP, qua bản nửa sóng thành ánh sáng phân cực thẳng OP’ đối xứng với OP qua phương ưu đãi.

-   Với một vị trí bất kì của Nicol A thì nửa thị trường là hình chiếu của OP và OP’ lên phương OA

-         Vì Om ≠ Om’ → hai nửa thị trường có độ sáng khác nhau

-         Quay Nicol A để trùng một trong hai phương ưu đãi (Ox) thì Om = Om’ nên hai nửa thị trường có độ sáng bằng nhau

Hình 2.33. Hình vẽ mô tả sự quay của Nicol A

+ Giai đoạn đo:

Hình 2.34. Hình vẽ mô tả sự quay của mặt phẳng dao động OP, OP’ và Nicol A

-         Đặt ống T chứa đầy dung dịch triền quang (dung dịch đường).

-    Ánh sáng phân cực thẳng OP và OP’ sau khi qua ống T sẽ cùng quay một góc R thành OQ và OQ’. Hình chiếu của OQ và OQ’ lên Nicol A là Om và Om’. Mà Om ≠ Om’ nên nửa thị trường có độ sáng khác nhau.

-    Quay Nicol A cùng chiều một góc R để Om = Om’ thì hai nửa thị trường lại có độ sáng như nhau.

-    Đọc góc quay của Nicol A, đó chính là góc quay của mặt phẳng chấn động.

-    Áp dụng công thức:   (nồng độ của dung dịch)

VI. Tán sắc do hiện tượng phân cực quay

Thực hiện thí nghiệm phân cực quay với cùng bản thạch anh nhưng lần lượt với nhiều đơn sắc khác nhau

  ð Kết quả: góc quay  của mặt phẳng dao động sáng thay đổi theo độ dài sóng

                      ( A hằng số đối với )

v Xét bản mỏng, bề dày vài mm thì ánh sáng ló ra khỏi Nicol A là ánh sáng tạp, màu thay đổi theo phương của Nicol A

Muốn loại một đơn sắc nào đó ta chỉ cần 1quay Nicol A để phương OA thẳng góc với phương dao động của đơn sắc đó

Đặc biệt nếu ta quay Nicol A để OA thẳng góc với Ov (là phương dao động ứng với màu vàng  ) thì ánh sáng ló ra khỏi bản có “màu nhạy”, nếu quay Nicol ra khỏi vị trí này một chút thì thấy màu biến đổi hẳn. Vậy muốn có màu nhạy thì chỉ cần làm triệt tiêu ánh sáng vàng trung bình trong ánh sáng trắng thực.

v Xét bản thạch anh tả triền

Từ vị trí OA có màu nhạy, quay Nicol A ngược chiều kim đồng hồ thì màu tạp ló ra khỏi A ngả sang màu đỏ. Nếu quay theo chiều ngược lại thì ngả sang màu xanh.

v Bằng cách dùng nhiều bản quang hoạt bằng các chất khác nhau hoặc có bề dày khác nhau, ta được nhiều màu nhạy khác nhau.

Nếu dùng các bản quang hoạt khá dày ( vài cm) thì góc quay của các đơn sắc là góc lượng giác.

Các véc tơ dao động của các đơn sắc phân bố theo mọi phương thẳng góc với tia sáng.

Ví dụ:

Bản thạch anh dày 10cm góc quay  biến thiên từ 1256⁰ đến 4259⁰, dù Nicol A quay như thế nào thì phương OA cũng thẳng góc với phương dao động của một số khá lớn các đơn sắc, vì vậy các đơn sắc này hoàn toàn bị loại khỏi ánh sáng ló ra khỏi Nicol A. Quan sát Nicol A ta được màu trắng cao đẳng.

Nếu , các đơn sắc có véc tơ dao động quay một góc  đều bị triệt tiêu hoàn toàn khỏi ánh sáng ló ra khỏi Nicol A. Các đơn sắc có véc tơ dao động quay một góc  thì đi qua Nicol A không bị biến đổi, gọi là bức xạ được ưu đãi.

→Hứng ánh sáng ló ra trên kính quang phổ thì sẽ thu được quang phổ vằn

ü    Các vằn đen ứng với các bức xạ bị loại

ü    Các vằn trắng ứng các bức xạ được ưu đãi.