Sự phân cực quay

2. Mục đích nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu Error! Bookmark

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:

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 v và t v khác nhau. p

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 " 1 " A OA  . 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 c v v 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 OA1hướng theo đường phân giác của góc

Dao động phân cực thẳng OA được coi là tổng của hai dao động tròn cùng biên độ OA’ OA’ quay ngược chiều kim

t

v và v khác p

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 "

1

OA sao hai dao động tròn OA’ và "

1

OA hợp lại hướng theo đường phân giác của góc AOA' 1"

33 ,vậy OA1 đã quay một góc 1

2

xOx 

 , 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 C , 1 C ,…, 2 C là nồng độ i

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

 đủ lớn, bằng cách đ lại nhiều lần trước khi t 2.3.5. Sự phân c

a. Hiện tượng

Lấy trong tinh th

cho trục tinh thể không vuông góc v

35

Hình 2.10 Hiện tượng từ quay

c của nam châm điện mạnh,ta đặt một t c của nam châm có khoan một lỗ rỗng nh

ng , để ánh sáng đi qua. Trước và sau nam châm có đ hai nicon vuông góc P và A sau đó cho một chùm sáng đơn s

ng trong nam châm và qua hai nicon. Khi chưa cho dòng điện qua nam châm,thì mắt đặ

c ánh sáng. Cho dòng điện qua nam châm ánh sáng l Quay kính phân tích A một góc ánh sáng lại bị tắt, chứng t

thành quang hoạt.

Theo Verdet, góc  tỉ lệ với cường độ từ trường H và t

a mặt phẳng phụ thuộc chiều của từ trư

c chiều truyền của ánh sáng, nên nếu cho ánh sáng qua ếp theo hai chiều khác nhau, thì góc quay t

n T dù mỏng ta cũng có thể thu được m

ng cách đặt nó giữa hai gương phẳng và cho ánh sáng qua c khi tới nicon phân tích.

phân cực hiện sắc

y trong tinh thể lưỡng chiết Băng Lan hai mặt song song , sao không vuông góc với hai mặt bản

t tấm thuỷ tinh ng nhỏ dọc theo c và sau nam châm có đặt t chùm sáng đơn sắc song

ặt tại O không n qua nam châm ánh sáng lại hiện ra.

ng tỏ rằng tấm ng H và tỉ lệ với độ trường, nhưng u cho ánh sáng qua thì góc quay tăng gấp c một góc quay ng và cho ánh sáng qua

Cho trùm ánh sáng tr đặt bản lưỡng chiết gi thấy ánh sáng hiện ra.

Quay bản tinh th này hoặc chiều kia, thì th tục quay bản tinh thể không đổi, nhưng cư

Lúc màu bản T hi màu nhạt dần và tới m Tiếp tục quay bản tinh th đầu nhat sau đậm dầ

bao giờ cũng chỉ thấy hai màu xác đ Hiện tượng trên là s

trường dị hướng.

b. Ảnh hưởng của mộ

Giả sử T là mộ dày E và Ox,Oy là v trong tinh thể hay hai đư trong hai phương Ox, đó nếu trục tinh thể động ưu tiên và hiện tư

36

Hình 2.11

Cho trùm ánh sáng trắng song song qua hai nicon vuông góc và t giữa P và A, thì khi mở mắt ở O nhìn vào b

n ra.

n tinh thể quanh phương truyền của ánh sáng theo chi thì thấy màu đỏ mờ dần đến một lúc thì t

ể thì lại thấy màu của bản hiện rõ dần, nhưng cường độ ánh sáng tuần tự cực đại rồi triệ

n T hiện rõ nhất, nếu ta quay nicon phân tích thì th i một lúc thì mất hẳn và bản tinh thể

n tinh thể theo chiều cũ thì thấy bản có màu khác, ần. Màu của bản thay đổi một cách tuầ

y hai màu xác định với mỗi bản.

ng trên là sự phân cực hiện sắc, rất đặc trưng đ

ột bane lưỡng chiết đối với ánh sáng phân c

ột bản tinh thể lưỡng chiết có hai mặt song song, đ dày E và Ox,Oy là vết trên mặt bản của hai phương dao đ

hay hai đường trung hoà. Đối với tinh thể đơn tr hương Ox, Oy trên là hình chiếu của tinh thể trên m

vuông góc với mặt bản thì không còn ph n tượng không xảy ra. Còn với tinh thể

ng song song qua hai nicon vuông góc và O nhìn vào bản T ta

a ánh sáng theo chiều t lúc thì tắt hẳn.Tiếp n, màu của bản

ệt tiêu.

u ta quay nicon phân tích thì thấy có màu trắng. n có màu khác, lúc ần hoàn nhưng

c trưng đối với môi

i ánh sáng phân cực

t song song, độ a hai phương dao động ưu tiên đơn trục thì một trên mặt bản, do n thì không còn phương dao ể lưỡng cực,thì

hai tia Ox, Oy là hai đư quang trục trên mặt b

Dao đông phân c khi tới bản coi như đư mà không bị biến dạ tốc ”. Giả sử ’ > ” thì Ox g Gọi ' ' c n   và ’ và ”. Khi ra kh trình  và hiệu số pha ( " ') e n n    và  

Hai chùm tia ló mang hai dao đ thường không trùng nhau, nhưng b

sáng rộng nên ta coi chúng là trùng nhau. Do đó khi ra kh tổng hợp lại với nhau và cho m

Có ba trường hợp:

37

Oy là hai đường phân giác của góc tạo bởi hình chi t bản.

Hình 2.12

Dao đông phân cực thẳng (OP)

,ra khỏi nicon P trên hình n coi như được tạo bởi thành phần OPx

và OPy truy ạng, OPx truyền với vận tốc ’, OPy truy

” thì Ox gọi là trục nhanh, Oy gọi là trục chậ

' c  và " " c n 

 là chiết suất của bản, ứng v ”. Khi ra khỏi bản, giữa hai dao động OPx và OP

pha  lần lượt là: 2 2e n( " n')      

Hai chùm tia ló mang hai dao động phân cực thẳng OP

ng không trùng nhau, nhưng bản tinh thể thường mỏng và chùm tia ng nên ta coi chúng là trùng nhau. Do đó khi ra kh

i nhau và cho một dao động elip.

hình chiếu của hai

i nicon P trên hình (2.12) y OP truyền qua bản truyền với vận ậm. ng với hai vận tốc và OPy có hiệu lộ ng OPx và OPy ng và chùm tia ng nên ta coi chúng là trùng nhau. Do đó khi ra khỏi bản chúng

1.  2 k và  

khỏi bản vẫn là dao đ dao động tới. Bản tinh th

a) Dao động t 2. và 2 k      . Dao đ a)Dao đ 3. 2 k     và 

elip, nhận hai đường trung hoà Ox,Oy làm tr thể gọi là bản phần tư sóng.

38

k

  ,với k là một số nguyên. Dao đ n là dao động phân cực thẳng, có cùng phương dao đ

n tinh thể thoả mãn điều kiện này gọi là bả

ng tới b) Dao động ló Hình 2.13

. Dao động ló P’ vẫn là dao động phân cực th

a)Dao động tới b)Dao động ló Hình 2.14

2 4

k 

   . Dao động ló là một dao đ

ng trung hoà Ox,Oy làm trục đối xứng (2.16). B n tư sóng.

nguyên. Dao động P’ ló ra ng, có cùng phương dao động với

ản toàn sóng.

c thẳng.

dao động phân cực ng (2.16). Bản tinh

a) Dao đ

Nếu góc  do OP làm v